On the effective contribution of discrete transport factors to the propagation of landfill leachate components in groundwater The Monte Scherbelino landfill near Frankfurt am Main /Germany

Die Ausbreitung deponiebürtiger Stoffe im Grundwasser wurde anhand des langfristigen Monitorings zur Grundwasserqualität an der Hausmülldeponie Monte Scherbelino bei Frankfurt am Main untersucht. Die Deponie Monte Scherbelino wurde seit etwa 1925 bis 1968 mit etwa 18,3 Mio m3 Haus-, Gewerbemüll, Trümmerschutt und untergeordnet Industriemüll beschickt. Die drei maximal 42 m hohen Halden wurden über einem flachen Grundwasserleiter aus pleistozänen fluviatilen Sedimenten errichtet. Der Datensatz des Grundwassermonitorings vom Monte Scherbelino enthält hydrochemische Analysen von 1968 bis zum Dichtwandbau im Jahr 1995 und teilweise darüber hinaus. Das Parameterspektrum des Monitorings mit in der Regel halbjährlichen Probenahmeintervallen umfasst die Hauptanionen und -kationen, physiko-chemische Parameter, einige Schwermetalle und neben AOX vereinzelt gemessene xenobiotische organische Verbindungen. Entgegen früheren Studien am Monte Scherbelino, die eine stagnierende, teilweise rückläufige Schadensentwicklung postulierten, kommt die vorliegende Arbeit zu dem Ergebnis, dass bis zum Dichtwandbau im Jahr 1995 insbesondere abstromig der jüngeren West- und Nordhalde der Schadensbereich weiterhin expandierte. Das natürliche Potential des Grundwasserleiters und der eingetragenen Stoffmatrix zur Begrenzung und Minderung des Schadensbereiches war deponienah überschritten. Dieser aktuelle Zustand des Grundwasserschadens konnte anhand kombinierter Ansätze zur Auswertung der Monitoringdaten charakterisiert werden. Der angewandte Methodenkatalog umfasste u.a. numerische Studien zum Einfluss saisonaler und mehrjähriger Variation der Grundwasserneubildung, tiefenorientierte Grundwasser-Probenahmen mit den Verfahren der modifizierten Rammsonde und der simultanen Pumpraten, hydrochemische Batch-Modellierungen mit PHREEQC und Bilanzierungen der Redoxpufferkapazitäten. Die Reduktion von Sulfat leistet deponienah den dominierenden Beitrag zum Abbau organischer Substanz, im Monitoring nachvollzogen als Veränderung des Summenparameters COD. Im westlichen und nordwestlichen Abstrom korreliert die Zehrung des deponiebürtigen Sulfats Mitte der 80er Jahre mit einem unter -200 mV absinkenden Redoxpotential. Im nördlichen Abstrom führte eine erhöhte Immission von Ammonium zu konkurrierenden Sorptionsprozessen. Dabei wurde insbesondere Calzium und Kalium von den sedimentgebundenen Austauscherplätzen verdrängt. Deponienah erfolgt der maßgebliche Stofftransport sowie daran gebundene Stofftransformationen und Ionenaustauschprozesse in den kiesigen Lagen im unteren Bereich des Grundwasserleiters. Dieser hydraulisch induzierte Effekt fördert die Ausbreitung des Schadensbereiches. Neben der Transportmodellierung mit dem numerischen Finite-Elemente-Grundwasserströmungs- und -transportmodell erfolgte die Auswertung der langjährigen Zeitreihen chemischer Analysen nach dem in dieser Arbeit entwickelten Ansatz BTSA, wobei gemessene Konzentrationen von konservativ und reaktiv transportierten Substanzen ins Verhältnis gesetzt werden. Anhand von Referenzgraphen konnte der Status der Ausbreitung eines retardierten oder abbaubaren Stoffes abgeschätzt werden. Auf unterschiedlichen abstromigen Strompfaden konnte für deponienahe Bereiche bestimmt werden, dass die Abbauleistung für organische Substanzen, repräsentiert durch die Veränderung des chemischen Sauerstoffbedarfs, keinen signifikanten Beitrag zur Konzentrationsminderung bildet. Diese Arbeit konnte im Rahmen des Verbundprojekts „Modellgestützte Analyse und Bereitstellung eines numerischen Prognoseinstrumentariums der Selbstreinigungsprozesse deponiebürtiger Schadstoffe im Grundwasser – Monte Scherbelino“, BMBF-Förderkennzeichen 0330503, aus dem Förderschwerpunkt „KORA“ des Bundesministeriums für Bildung und Forschung durchgeführt werden.The propagation of a landfill leachate plume was analysed based on gathering long-term groundwater qual ity monitoring data from a landfill site near Frankfurt am Main. On the landfill site Monte Scherbelino 18,3 Mio m3 refuse, debris and industrial waste was deposited be tween 1925 and 1968. Three dumps with a maximum hight of 42 m were built up on a shallow aquifer of fluviatile sediments. The groundwater monitoring data from Monte Scherbelino includes semiannual chemical analyses of main cations and anions, field parameter, heavy metals, AOC and some xenobiotic organic compounds from 1968 to 1995. Some observation wells are still being monitored. In one conlclusion of this study, contrary to former reports on this site assessing a stagnant or even retrograde plume, we found that the plume length and degradation zones had been expanding until the installation of the cut off trench in 1995. The potential of the aquifer and groundwater to diminish substances emanated from the landfill had been exceeded in about the first 100 m down gradient from the landfill. We were able to delineate the current groundwater contamination by combining several approaches of analysing monitoring data. The following issues are the major results of the respective parts. The applied practices included numerical studies on the influence of transient recharge, multilevel groundwater sampling using the method of simultaneous pumping and a modified pile hammer system, hydrochemical batch simulations with the software PHREEQC and balancing redox buffer capacity. Redox processes related to sulfate reduction conribute to the dominant part of electron transfer decreasing the COD most notably. Nitrate, ammonia and secondarily iron species are the important associated redox reactants. The diminishing of sulfate in the western and northwestern area down stream to the landfill was linked to decreasing redox potential with values below -200 mV. Temporarily increased concentrations of ammonia caused competitive processes of sorption and ion exchange. Particulary the ions calcium and potassium were displaced from their sedimentbound exchange sites. The significant flux of contaminated groundwater was detected in the lowest part of the shallow aquifer with only 10 meters of depth. Accordant processes of retardation and degradation are bound to occure in this stratum and this hydraulic effect causes a wider lateral spreading of leachate compounds. A dimension-independent approach was developed in order to evaluate time series from monitoring data beside the calibration of the numerical groundwater flow and transport model. Evaluating the contributing factors of diminution of concentration, the fraction of advection and dispersion versus the fraction of retardation and transformation is important in the task of analysing and forecasting transient transport. By applying the so-called „breaktrough stage analysis“ (BTSA), ratios were calculated from concentrations of both conservative (chloride) and reactive substances measured in monitoring wells one after another on the same flowpath. The propagation stage of a specific plume was assessed by these ratio-graphs. Thus the degradation capacity for organic substances measured by the COD ceased reducing the dissolved organic matter on different flowpaths down gradient from the landfill. The limited capacity of reducing leachate-substances by sorption and degradation during transient long-term propagation of the leachate plume has to be regarded as a basic component of forecasting plume behaviour. The study presented could be carried out within the research project “Model based analysis and prediction of natural attenuation in landfill leachate plumes – Monte Scherbelino”, assigned to the funding priority “Natural Attenuation: Retention and Degradation Processes to reduce Contamination in Groundwater and Soil” (KORA) supported from the german Fed eral Ministry of Education and Research (BMBF)