Arsenic contamination of groundwater in south-western part of Ashanti Region of Ghana ; Arsen-Kontamination des Grundwassers im südwestlichen Bereich der Ashanti Region in Ghana
Groundwater samples were collected from 63 community wells and boreholes within south-western part of Ashanti Region of Ghana to examine their hydrogeochemical characteristics and elemental features to better understand the sources and mobilization processes responsible for arsenic (As) enrichment as well as the suitability of the groundwater for domestic and agricultural purposes. In addition, gold mine tailings dams were also investigated to ascertain the potential source of As and other trace metals (Fe, Cu, Mn, and Zn) contamination and their dissolution into the adjoining environmental media. Further, two point-of-use As removal technologies were evaluated for their effectiveness and appropriateness. A transparent small volume flow-through cell coupled with a calibrated hand held YSI® Multi-Parameter Water Quality Meter (Model YSI 6 l0-DM/600XL) was used simultaneously to measure indicator field parameters. Anions and cations were determined simultaneously in groundwater samples using Metrohm 761 Compact IC and Dionex 4500i IC system, respectively. Total As and trace metals analysis of the groundwater samples and gold mine tailings were performed on electrothermal and flame atomic absorption spectrometry. As speciation were performed using disposable cartridges. Spatial distribution maps were produced for hydrogen ion concentration (pH), total dissolved solids (TDS), total hardness (TH), electrical conductivity (EC), sodium adsorption ratio (SAR), residual sodium carbonate (RSC) and percentage sodium (% Na) using the geographic information system (GIS). Results for the analysis of groundwater samples from 63 boreholes and wells (depth 1.5-100 m) within the study area demonstrate that the groundwater composition varies from Ca–Mg–HCO3 to Na–K–HCO3 and anoxic in nature. As concentrations ranged from <0.1-72 µg/L and <0.1-83 µg/L during the dry and the wet seasons, respectively. High As concentrations were generally present in the shallow to medium depth (20-70 m) of the aquifer along with high Fe ranging from <0.01-12.3 mg/L and <0.01-16.3 mg/L during the dry and the wet seasons, respectively and relatively low Mn (1.8-498.0 µg/L during the dry season and 2.3-583.8 µg/L during the wet season). The data demonstrated that 59 % of the groundwater samples contained no detectable level of As, 17 and 22 % of the samples gave results with levels of As above the World Health Organization (WHO) guideline value for drinking water standard of 10.0 µg/L, while 24 and 19 % of the samples showed results below the WHO drinking water guideline value during the dry and the wet seasons, respectively. Dissolved inorganic As species predominate with arsenite (As-III) as the main form. It appears that high As concentrations in the study area result from the contribution of different mechanisms which can be grouped into two namely aquifers under oxidizing conditions (aided by sulphide alteration) and aquifers under reducing conditions resulting from the reduction dissolution of arseniferous iron oxyhydroxide that exist as a dispersed phase on the sedimentary grains of the aquifer. In addition, water residence time and different water use practices also influence As concentrations in the groundwater. The results of the gold mine tailings dam revealed elemental concentrations ranging up to 1752 mg/kg As, 75.16 wt.% Fe, 1848.12 mg/kg Mn, 92.17 mg/kg Cu and 177.56 mg/kg Zn. Sulphate was the dominant anion throughout the leachate, reaching a maximum dissolved concentration of 58.43 mg/L. The As concentration levels of the mine tailings were very much higher than the Netherlands soil protection guideline value of 55 mg/kg. A higher amount of the total As content in the mine tailings registered leaching levels in a range of 0.04–0.56 %. It was observed from the study that the groundwater was predominantly soft in nature and its pH in desirable range which is within safe limits for domestic use during the dry season while 82.8 % of the analyzed groundwater samples registered a non-desirable pH range (acidic) during the wet season. The results for the spatial distribution of pH, TDS, TH, EC, SAR, % Na and RSC of the groundwater samples analyzed generally appear to be within safe limits. The two point-of-use As removal technologies evaluated shown that the Three-earthen pot system is the most effective and appropriate technology. Moving forward, it is my anticipation that the findings of this study will serve as a master piece to advice policy makers, well and borehole owners about the dangers or potential risks associated with As and other trace metals in drinking water supplies sourced from groundwater and how these can be managed. In addition, this research has identified high-risk As-contaminated areas, potential health issues, methodology for assessing As in groundwater, and a broad outline of two point-of-use As treatment options which can target risk populations to protect public health and help shape the national, regional, municipal and districts water monitoring policies. ; Es wurden Grundwasserproben von 63 gemeinschaftlichen Brunnen und Bohrlöchern im Südwesten der Region von Ashanti in Ghana entnommen, um ihre hydrogeochemischen Eigenschaften und ihre elementare Beschaffenheit zu analysieren. In diesem Zusammenhang wurde das Ziel verfolgt, die Quellen und die Mobilisierungsprozesse, die für die Arsenanreicherung (As) verantwortlich sind, besser zu erfassen. Gleichzeitig ging es auch darum, die Eignung des Grundwassers im Bereich der Haushalte und der Landwirtschaft zu prüfen. Des Weiteren wurden auch Goldminenbetriebe erforscht, um sich über die potentielle Arsen-Quellen-Kontaminierung und die Kontaminierung durch andere Spurenmetalle (wie z.B. Fe, Cu, Mn und Zn) zu versichern und die Auflösung in den angrenzenden Bereichen der Umgebung festzustellen. Des Weiteren wurden die Entfernungstechnologien mit zwei Nutzungspunkten für As auf ihre Wirkungskraft und Eignung überprüft. Eine transparente Durchflusszelle mit einem geringen Volumen, gekoppelt mit einem kalibrierten, manuellen Multiparameter-Wasserqualitätsmesser des Typs YSI® (Modell YSI 6 l0-DM/600XL) wurden gleichzeitig eingesetzt, um die Feldparameter des Indikators zu messen. Die Anionen und die Katoden wurden gleichzeitig in den Grundwasserproben ermittelt. In diesem Zusammenhang wurden jeweils das System Metrohm 761 Compact IC und das System Dionex 4500i IC eingesetzt. Die Gesamtanalyse der As- und Spurenmetallwerte innerhalb der Grundwasserproben und in den Goldminenbetrieben wurden mit Hilfe der elektrothermischen Flammen-Atomabsorptionsspektrometrie ermittelt. Die Speziation des As wurde mittels Einwegkartuschen bestimmt. Es wurden räumliche Verteilungskarten für die Konzentration der Wasserstoffionen (pH), die Gesamtmenge der aufgelösten Festkörper (TDS), die Gesamthärte (TH), die elektrische Leitkapazität (EC), das Absorptionsniveau von Natrium (SAR), die Menge des Restnatriumkarbonats (RSC) und den Prozentsatz von Natrium (% Na) erstellt. Dies erfolgte mittels des geographischen Informationssystems (GIS). Die Ergebnisse der Analyse der Grundwasserproben von 63 Bohrlöchern und Brunnen (von einer Tiefe von 1,5 bis 100 m) im Rahmen des Forschungsbereiches beweisen, dass die Grundwasserzusammensetzung unterschiedlich gestaltet ist und von der Beschaffenheit des Typs Ca–Mg–HCO3 bis zur Beschaffenheit des Typs Na–K–HCO3 und der anoxischen Beschaffenheit reicht. Die As-Konzentrationen waren in der Trocken- bzw. in der Regenzeit im Bereich zwischen <0,1-72 µg/L bzw. <0,1-83 µg/L g angesiedelt. Hohe As-Konzentrationen waren im Allgemeinen im seichten Bereich bis zu einer mittleren Tiefe (von 20 bis 70 m) des Aquifers vorhanden. Hier fanden sich auch entsprechend hohe Fe-Mengen zwischen <0,01-12,3 mg/L und <0,01-16,3 mg/L während der Trocken- bzw. Regenzeit. Der Mn-Wert war während der Trockenzeit ziemlich niedrig (zwischen 1,8 und 498,0 µg/L während der Trockenzeit und zwischen 2,3 und 583,8 µg/L während der Regenzeit). Die Daten bewiesen, dass 59 % der Grundwasserproben ein nicht erfassbares Niveau von As aufwies. 17 und 22 % der Proben ergaben As-Niveaus oberhalb des von Seiten der Weltgesundheitsorganisation (WHO) vorgeschriebenen Wertes für den Trinkwasserstandards in Höhe von 10,0 µg/L, während 24 und 19 % der Proben Werte während der Trocken- bzw. Regenzeit unterhalb des Wertes der WHO-Richtlinie für Trinkwasser ergab. Die aufgelösten unorganischen As-Typen herrschen mit dem Arsenittyp (As-III) als Hauptform vor. Es geht hervor, dass die hohen As-Konzentrationen innerhalb des Bereichs der Studie auf den Beitrag der verschiedenen Mechanismen zurückzuführen sind, die in zwei Aquifere aufgeteilt werden können: einerseits das Aquifer bei oxydierenden Bedingungen (die durch eine Sulphidalteration unterstützt werden) und andererseits das Aquifer bei reduzierenden Bedingungen, die auf die reduzierende Auflösung des As-haltigen Eisenoxidhydroxids zurückzuführen sind, das in Form einer Dispersionsphase auf den Sedimentkörnern des Aquifers vorhanden ist. Des Weiteren beeinflussen auch die Aufenthaltszeit des Wassers und die verschiedenen Praxen der Nutzung des Wassers die As-Konzentrationen im Grundwasser. Aus den Ergebnissen des Stauwerks der Goldminen gehen Konzentrationen bis zu 1752 mg/kg As, 75.16 wt.% Fe, 1848.12 mg/kg Mn, 92.17 mg/kg Cu und 177.56 mg/kg Zn hervor. Sulfat war das Hauptanion im Sickerwasser und erreicht eine höchste Konzentration bei Auflösung in Höhe von 58,43 mg/L. Die Konzentrationsniveaus des Arsens der Goldminen lagen weit über der niederländischen Richtlinie für den Bodenschutz, die einen Wert in Höhe von 55 mg/kg vorschreibt. Eine höhere Gesamtmenge an As-Gehalt in den Goldminen ergab Sickerwasserniveaus im Bereich zwischen 0,04 und 0,56 %. Im Rahmen der Studie wurde beobachtet, dass das Grundwasser hauptsächlich weich war und sein pH-Wert im vorgeschriebenen Bereich lag, d.h. innerhalb der sicheren Grenzwerte für den häuslichen Gebrauch während der Trockenzeit, während 82,8 % der analysierten Grundwasserproben während der Regenzeit einen unerwünschten pH-Wert (als Säuren) aufwiesen. Die Ergebnisse hinsichtlich der räumlichen Verteilung von pH, TDS, TH, EC, SAR, % Na und RSC der analysierten Grundwasserproben befinden sich innerhalb der sicheren Grenzwerte. Die Entfernungstechnologien für As mit zwei Nutzungspunkten, die im Rahmen der vorliegenden Studie bewertet wurden, haben aufgezeigt, dass das System mit den drei Erdkolken die wirkungsvollste und angemessenste Technologie darstellt. Im weiteren Verlauf der Forschungsarbeit nehme ich vorweg, dass die Erkenntnisse dieser wissenschaftlichen Arbeit der Beratung von Politikern, Besitzern von Brunnen und Bohrlöchern dienen werden, um sie bezüglich der Gefahren und potentiellen Risiken in Verbindung mit diesen Phänomenen des As aufzuklären. Ich denke hier beispielsweise an andere As-Spurenelemente in der Trinkwasserversorgung, die aus Grundwasserquellen stammen. Die Studie behandelt auch die Modalitäten, nach denen diese Risiken und Probleme bezüglich des As gemanagt werden können. Des Weiteren wurden im Rahmen dieser Studie As-kontaminierte Bereiche mit hohem Risiko, potentielle gesundheitliche Probleme, eine Methode für die Bewertung des As im Grundwasser und ein allgemeines Konzept mit zwei Nutzungspunkten als Optionen zwecks As-Entfernung behandelt. Diese Behandlungsoptionen richten sich an die dem Risiko ausgesetzte Bevölkerung als Zielgruppe, um die öffentliche Gesundheit zu schützen und die nationalen, regionalen, Gemeinde- und Bezirksrichtlinien für die Überwachung der Gewässer auf politischer Ebene zu gestalten.
