English Title: Occurrence, species distribution and transport behaviour of cyanides in groundwater of the Research Site South

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Abstract

Ziel der vorliegenden Arbeit war es, die Konzentrationsverteilungen von Cyanidspezies auf einem ehemaligen Gaswerkstandort, dem Testfeld Süd, zu untersuchen und die reaktiven Transportprozesse zu identifizieren, die die Verteilung der Cyanide bestimmen. Über einen Zeitraum von ca. 1½ Jahren wurden Grundwasserproben auf Cyanidgehalte untersucht. Zur Unterscheidung nicht toxischer und hoch toxischer Cyanidspezies wurden die operativen Parameter Gesamtcyanid (CNges) und leicht freisetzbares Cyanid (CNlfr) in Anlehnung an DIN 38405 ermittelt. Die Messwerte lagen für CNges zwischen n.n. und 4,5 mg/l, für CNlfr zwischen n.n. und 35 µg/l, d.h. nicht toxische Hexacyanoferratkomplexe stellen im untersuchten Grundwasserleiter die dominierende Cyanidspezies dar. Es wurde eine großflächige (71 000 m2), im Untersuchungszeitraum nicht progradierende Cyanidfahne im Grundwasserleiter festgestellt. Die Ausdehnung der Fahne wird durch rezent stattfindende physikalisch-geochemische Prozesse bestimmt. Dieses sind Cyanideinträge mit dem Sickerwasser, Verdünnung infolge von Mischung mit nicht kontaminiertem Grundwasser sowie Sorptions- und Abbauprozesse der Cyanide während des Transportes im Grundwasserleiter. Modellierungen mit PHREEQC (PARKHURST & APPELO 2001) zeigten, dass die beobachtete Speziesverteilung der Cyanide nicht thermodynamischen Gesetzmäßigkeiten folgt. Vielmehr scheint sich die Speziesverteilung unter dem Einfluss eines vermutlich mikrobiellen Abbaus von CNlfr einzustellen. In Laborversuchen mit Sediment und Grundwasser vom Testfeld Süd wurde der Abbau von CNlfr nach einer Kinetik erster Ordnung mit einem Ratenkoeffizienten von k= 0,02 [h-1] nachgewiesen. In der Folge dieser Abbauvorgänge wird die Speziesverteilung der Cyanide im Grundwasser in Richtung eines hohen Hexacyanoferratanteils verschoben. Die Laborversuche ergaben weiterhin, dass die dominierende Cyanidspezies im Grundwasserleiter adsorbiert und so retardiert wird. Die Hexacyanoferrate bilden schwache Oberflächenkomplexe an Oberflächen von Eisenoxid/-hydroxid, Kaolinit und/oder Chlorit. Diese Mineralphasen wurden im Feinanteil des Grundwasserleitermaterials nachgewiesen. Insgesamt ist das Gefährdungspotential durch Cyanide im Grundwasser des Testfeldes Süd als gering einzustufen, weil die stationäre Cyanidfahne auf ein Areal innerhalb des Standortes begrenzt ist und weil der toxische leichtfreisetzbare Cyanidanteil infolge des nachweislichen Abbaus vernachlässigbar gering ist.

Translation of abstract (English)

The aim of the study was to investigate the concentration patterns of cyanide species in groundwater of a former manufactured gas plant (MGP) site, which is called Testfeld Süd, in order to find out the reactive transport processes determining the fate of cyanides in the aquifer. Cyanide contents in groundwater have been studied for a period of about 1½ years. Non-toxic and highly toxic cyanide species were distinguished by quantifying the operational parameters strong acid dissociable cyanide (SAD) and weak acid dissociable cyanide (WAD) according to German standard method DIN 38405. SAD values reached concentration levels up to 4.5 mg/l, whereas WAD concentrations were not higher than 35 µg/l. These results show that the dominating cyanide species in groundwater of the investigated aquifer are non-toxic hexacyanoferrates. Within the aquifer an extended cyanide plume (71 000 m2) has developed, which behaved non-progressive during the entire period of investigations. The extend of the plume depends on interacting physical and geochemical processes such as cyanide input by leachate, dilution due to mixing with uncontaminated groundwater as well as sorption and degradation processes during the transport of cyanides in the aquifer. Cyanide species distributions were calculated using PHREEQC (PARKHURST & APPELO 2001). The calculated results on the basis of thermodynamic equilibria differed significantly from the species distributions measured in the samples. In batch experiments conducted with sediment and groundwater from the test site degradation of WAD was demonstrated. It is a first order kinetic process with a rate constant of k= 0,02 [h-1] and is probably mediated by microorganisms. Due to this degradation of WAD the species distribution shifts to a higher content of the hexacyanoferrate fraction. The batch experiments also provided evidence that adsorption and hence retardation of the dominating cyanide species take place within the aquifer. The hexacyanoferrates form weak surfacecomplexes either at iron oxide/-hydroxide-, kaolinite- or chlorite-surfaces. These minerals could be detected in the fine fraction of the aquifer material. From the results of the study it can be deduced that the risk potential concerning cyanides in groundwater of the Testfeld Süd is low because the non-progressive cyanide plume is restricted to a distinct area within the former MGP site and because the toxic WAD-fraction of total cyanide is below risk level due to degradation processes.