Impact of sedimentology and sedimdentpetrographie on the fate and transport of organic compounds in groundwater

Eine Kontamination des Grundwassers durch den Eintrag gelöster Schadstoffe ist in Lockergesteinsaquiferen (Talaquiferen) aufgrund einer industriellen und urbanen Nutzung der Talauen inzwischen häufig eingetreten. Die Planung und Durchführung ökologisch sinnvoller und volkswirtschaftlich effizienter Sanierungsmaßnahmen bedarf detaillierter Kenntnisse der sedimentologischen, hydraulischen und hydrogeochemischen Parameterverteilung in diesen sehr heterogen zusammengesetzten Sedimenten. Fluviatile Systeme sind durch eine hohe Variabilität der auftretenden Lithofaziestypen und deren Verbreitung gekennzeichnet. Die Lithofaziestypen unterscheiden sich in ihrer hydraulischen Durchlässigkeit um bis zu drei Größenordnungen. Die hydraulischen Parameter wiederum bestimmen die Kontaktzeit des Grundwassers und seiner Inhaltsstoffe mit der Feststoffmatrix. Das Sorptionsverhalten hydrophober organischer Schadstoffe in den Sedimenten wird bestimmt von der Korngrößenverteilung, der petrographischen Zusammensetzung und den physikaiisch-chemischen Parametern der Lithokomponenten. Für die (homogenen) Lithokomponenten läßt sich das Sorptionsverhalten (Sorptionskapazitiit und effektive Diflksionskoeffizienten) über gesteinsspezifische und lithologische Parameter (Corg-Gehalt, Zusammensetzung und Reifegrad des organischen Materials und die Intrapartikelporosität) anhand empirischer Korrelationen in der Regel abschätzten. Dazu wurden die aus den LK isolierten OM-Fazies zu ihrem Sorptionsverhalten korreliert. Sehr hohe Sorptionskapazitäten wurden für die von Inertiniten (z.B. poröser Faserkohle) dominierten LK gefunden, für die auch eine Adsorption des Schadstoffes in Mikroporen verantwortlich sein kann. Eine Überschätzung des effektiven Diffusionkoeffizienten tritt auf, wenn sich unterschiedliche Diffusionsprozesse im Korn (Intrasorbentdiffusion, Matrixdfision) überlagern. Ab wann eine Diffusionslimitierung (Sorption in OM oder Matrixdiffusion) auftritt hängt von der betrachteten Korngröße, der OM-Partikelgröße und dem mikroporösen OM-Anteil ab. Für alle sedimentären Lithokomponenten liegt der Zeitraum zur Einstellung eines Sorptionsgleichgewichts (für Phenanthren) bei Korngrößen von 2 mm - 5 mm im Bereich von Monaten bis Jahrtausenden. Daraus wird deutlich, daß unter feldnahen Bedingungen der Transport hydrophober organischer Schadstoffe in der Regel im Ungleichgwicht verläuft. Die Sorptionskinetik eines heterogenen Ausgangsmaterials 1äBt sich aus der Überlagerung aller Lithokomponenten eines Gemisches prognostizieren. Die petrographische Zusammensetzung der Sedimente ist dabei abhängig von der Korngröße, die wiederum eine Funktion der Transportstrecke ist. Die beispielhaft für einen glazial geprägten Ablagerungsraum bestimmten Retardationsfaktoren der Lithofaziestypen zeigen, daß die effektive Retardation von den Anteilen der Feinkornfraktionen und deren dominierendenn LK in den Lithofaziestypen bestimmt wird. In der Regel werden in den Kiesfazies nur Bruchteile des unter Gleichgewichtsbedingungen zu erwartenden Retardationsfaktors erreicht. Die Konnektivität hydraulisch hochdurchlässiger (matrixfreier kiesiger Lithofazies) mit sehr geringer Retardation bestimmt die Fließstrecke und damit die Transportdistanz der Schadstoffe. Eine Übertragung dieser Untersuchungsansätze auf andere Standorte ist möglich, wenn grundsätziiche Parameter zum Einzugsgebiet, dem Liefergebiet, der Lithologie der Komponenten und den sedimentologischen Ablagerungsbedingungen bekannt sind.Alluvial valleys comprising unconsolidated sediments form the mayor aquifers in Southwest Germany. These areas are densely populated and, as a result of decades of industrial and agricultural activities, groundwater contamination is widespread. A detailed knowledge of the sedimentology and the hydraulic and hydrogeochemical parameter distribution in these aquifers is crucial for efficient and cost-effective remediation efforts. However fluvial sediments are highly variable in terms of lithofacies distribution and fiequency of the lithofacies. Their hydraulic conductivities can vary over several orders of magnitude. The sorption and transporf behavior of organic contaminants in such sediments is a function of the grain size distribution, the petrographic composition of the lithofacies and the physico-chemical parameters of the various lithocomponentes. For the homogeneous lithocomponents, the sorptive uptake can be described in general by an intraparticle diffusion model. The effective diffusion coefficients can be predicted based on empirical correlations (Archie's law) and the sorption capacity of the lithocomponentes, which is a funnction of the organic carbon content, the organic matter (OM) maturity and composition and the intraparticle porosity. Four different OM-Facies codd be identified in the samples and correlated to the sorption capacity. Highest Koc values were found in lithocomponents containing coal and charcoal, apparently as a result of adsorption/condensation processes in the micropores. A combination of either intraparticle and matrix diffusion or intraparticle and OM diffusion will result in lower diffusion coefficients than those predicted by the empirical correlations. The applicability of emprirical correlations depend on the grain size, OM size and OM content. In all sedimentary lithocomponents (2 mm - 5 mm) sorption equilibrium for phenanthrene requires months to thousands of years. It can be concluded that under field condition contaminant transport will in general occur under equilibrium conditions. The sorption kinetics of a heterogeneous bulk sample was found to be a combination of the sorption kinetics of the different lithocomponents in the sample. The lithocomponent distribution is a function of grain size and thus transport distance. Sorptions kinetics for the fluvial sediments in the Singen basin showed that under field gradients only the sandfraction contribute substantially to the effective retardation factor. For the gravel dominated facies retardation is neglectible. In all cases effective retardation factors are far lower than retardation in equilibnum. In terms of risk assessment the transport distances of organic contaminants in these aquifers will depend on the connectivity and frequency of gravel dominated lithofacies (open framework gravels). The results of this study can also be used to predict sorption and transport behavior for organic contaminants in other aquifers if basic information such as the sedimentology of the site, the source area of the sediments, the physico-chemical properties of the lithocomponents and their distribution are known