BMFTR-Verbundprojekt: Großtechnische Erprobung neuer Entwicklungen bei der sequentiellen Grundwasseranreicherung

Abstract

Die künstliche Grundwasseranreicherung (engl. Managed Aquifer Recharge, MAR) ist ein be-währtes Verfahren zur Sicherung der Trinkwasserversorgung. Insbesondere in Deutschland wird die Uferfiltration als Form der künstlichen Grundwasseranreicherung zur Rohwassergewin-nung eingesetzt. Jedoch sind konventionelle Verfahren nur begrenzt in der Lage, persistente organische Spurenstoffe (z. B. Arzneimittelrückstände, Industrie- oder Haushaltschemikalien) zu entfernen, insbesondere bei stark abwasserbeeinflussten Oberflächengewässern stellt dies eine Herausforderung für die Uferfiltration und Trinkwassergewinnung dar. Das vom Bundesministerium für Forschung, Technologie und Raumfahrt (BMFTR) geförderte Verbundvorhaben „TrinkWave Transfer“ hatte zum Ziel, den Ansatz der sequentiellen Grund-wasseranreicherung (engl. Sequential Managed Aquifer Recharge Technology, SMART) weiter-zuentwickeln und im großtechnischen Maßstab zu erproben. Dabei sollte insbesondere der für bisherige, oberflächliche Infiltrationsorgane notwenige Flächenbedarf, der häufig in urbanen Ge-bieten nicht zur Verfügung steht, minimiert werden. Im Fokus stand die gezielte Etablierung einer oxischen Redoxzone in einem natürlichen heterogenen Aquifer, um den biologischen Abbau or-ganischer Spurenstoffe während der Untergrundpassage signifikant zu verbessern. Das ursprüngliche SMART-Konzept (SMART 1.0) kombiniert die Uferfiltration mit einer zweiten nachgeschalteten belüfteten Infiltration über Versickerungsbecken. Hierfür werden zusätzlich große Flächen für die Infiltrationsorgane benötigt. Die Weiterentwicklung SMART 2.0 ersetzt die-se offenen Becken und kombiniert erstmalig die Sickerschlitzgrabentechnologie mit dem SMART-Ansatz, wodurch der Flächenbedarf drastisch reduziert wird. Darüber hinaus ermöglicht die Sickerschlitzgrabentechnologie die gezielte Anbindung hydraulisch gut leitender Schichten und somit die gezielte Steuerung der Fließpfade im Untergrund. Die Realisierung eines definier-ten Fließregimes ist die Voraussetzung für die gezielte Anpassung der Milieubedingungen im Aquifer. Während der konventionellen Uferfiltration kommt es meist schon im Nahbereich der Infiltration zu einer starken Abnahme des gelösten Sauerstoffs. Ursächlich hierfür ist die rasche Umset-zung von leicht biologisch abbaubarem Kohlenstoff oder von Ammonium, wodurch ein anoxi-sches bis anaerobes Redoxmilieu entsteht. Die für den mikrobiologischen Abbau von vielen or-ganischen Spurenstoffen nachweislich günstigeren oxischen Redoxbedingungen sind bei der konventionellen Uferfiltration kaum vorhanden, was das Abbaupotential organischer Spurenstof-fe einschränkt. Darüber hinaus fördern oligotrophe (kohlenstofflimitierende) Bedingungen die Diversität der mikrobiologischen Gemeinschaft (mehr Spezialisten) und die Hochregulierung spezifischer Enzyme für den Spurenstoffabbau. Das zentrale Element von TrinkWave Transfer war die Errichtung, Inbetriebnahme und Erfor-schung der Demonstrationsanlage SMART 2.0 auf dem Gelände des ehemaligen Wasserwerk Berlin-Johannisthal. Der Standort bot gute Bedingungen zur Untersuchung einer solchen Anlage. Einerseits steht am Standort, durch eine aktive Brunnengalerie, eine konventionelle Uferfiltration zur Verfügung andererseits weist der stark abwasserbeeinflusste Teltowkanal erhöhte Konzent-rationen anthropogener organischer Spurenstoffe auf. Hierzu wurden bereits vor dem Projekt-beginn umfangreiche Erkundungsarbeiten zur Standortauswahl durchgeführt. Die Eignung des Aquifers konnte schließlich bestätigt werden und durch eine hydraulisch numerische Modellie-rung die Dimensionen und Betriebsparameter der geplanten Anlage simuliert und festgelegt wer-den. Schließlich wurde der Sickerschlitzgraben mit einer Länge von 25 m, einer Breite von 1 m und 7 m tief realisiert und mit einer Infiltrationsrate von 10 m3/h betrieben. In einer Entfernung von 25 m dienen zwei Entnahmebrunnen der Etablierung eines definierten Strömungsregimes im Un-tergrund, ein zusätzlicher Sicherungsbrunnen (in rund 63 m Entfernung) gewährleistet die hyd-raulische Abschirmung der Anlage zum Schutz des umliegenden Aquifers. Die Ausstattung des Versuchsfeldes mit mehreren Grundwassermessstellen sowie online Sensorik und der Möglich-keit zur Probenahme erlaubt eine intensive Untersuchung der Demonstrationsanlage Die Etablierung einer oligotrophen und oxischen Redoxzone im heterogenen Grundwasserleiter wurde über einen Zeitraum von rund 420 Tagen überwacht. Während dieser Zeit konnte auch die Methodik zur Beprobung und Bestimmung des gelösten Sauerstoffs im Untergrund in mehre-ren Schritten weiterentwickelt werden. Die räumliche und zeitliche Ausbreitung dieser oxischen Redoxzone wird maßgeblich von den hydraulischen Betriebsbedingungen sowie von den che-misch-physikalischen Eigenschaften des Aquifers und des infiltrierten Wassers beeinflusst. Die Ausbreitung des Sauerstoffs im Untergrund ist wiederum abhängig von der Anwesenheit oxidier-barer organischer und anorganischer Bestanteile im Zulaufwasser und in den Aquifersedimen-ten. Die zeitliche und räumliche Entwicklung der oxischen Redoxzone wurde in einem Stofftransportmodell abgebildet, welches mit den erfassten Felddaten validiert wurde. So konnte die Etablierung einer ausgeprägten oxischen Redoxzone beschreiben werden, welche nach 200 Tagen bereits einen Großteil der Fließstrecke zwischen Infiltration und Entnahme erfasste. Nach der Etablierung der oxischen Redoxzone wurde die Demonstrationsanlage während einer rund fünfmonatigen Monitoringphase regelmäßig hinsichtlich der Spurenstoffkonzentrationen beprobt. Rund 30 analysierte Spurenstoffe konnten an den relevanten Messstellen in Konzentra-tionen gemessen werden, welche eine Bewertung des Abbauverhaltens durch die Demonstrati-onsanlage erlauben. Dabei konnte die verbesserte mikrobiologische Abbaubarkeit redoxsensiti-ver Indikatorsubstanzen unter SMART-Bedingungen bestätigt werden. Überraschend konnte der schnelle und vollständige Abbau des Süßstoffs Acesulfam beobachtet werden – der wäh-rend der konventionellen Uferfiltration nicht entfernt wird. Auch der teilweise Abbau (38 %) des eigentlich persistenten Transformationsprodukts Dihydroxy-Carbamazepin (CBZ-DiOH) ist ein unerwartet positives Ergebnis dieser Untersuchungen. Als besonders persistent bekannte Sub-stanzen wie beispielsweise der Komplexbildner EDTA, das Arzneimittel Primidon oder das Transformationsprodukt AMDOPH konnten auch unter SMART 2.0-Bedingungen nicht wesent-lich entfernt werden. Die Ergebnisse aus Berlin-Johannisthal zeigen, dass SMART 2.0 ein platz-sparendes, energiearmes und naturnahes Aufbereitungsverfahren darstellt, das abhängig von der Gewässerbelastung das Potenzial hat, konventionelle oder hochtechnisierte Verfahren (z. B. Aktivkohle, Ozonierung oder Umkehrosmose) zu ergänzen oder zu ersetzen – insbesondere bei geplanten Wasserwiederverwendungsstrategien. Für den Technologietransfer ist eine sorgfältige Vorerkundung eines potenziellen Standortes zwingend notwendig. Die Errichtung einer entsprechenden SMART 2.0-Anlage mit seinen hyd-raulischen Komponenten (Infiltrationsorgan und Entnahmebrunnen) setzt eine hydraulisch nume-rische Modellierung voraus, die schließlich die Grundlage für die Auslegung und Dimensionie-rung der Anlage darstellt. Ein wesentlicher Faktor für einen stabilen und erfolgreichen Anlagen-betrieb ist die Bestimmung und Bereitstellung einer geeigneten Wasserqualität, welche auf die standortspezifischen Gegebenheiten abgestimmt sein muss. Das SMART 2.0-Verfahren ist ein vielversprechender Ansatz zur gezielten Entfernung organi-scher Spurenstoffe im Rahmen einer nachhaltigen Wasserwiederverwendung. Die erfolgreiche großtechnische Umsetzung im Verbundprojekt TrinkWave Transfer belegt das Potenzial dieser Technologie. Durch die Kombination aus optimierten Redoxbedingungen, technischer Skalier-barkeit und ökologischer Verträglichkeit stellt SMART 2.0 eine zukunftsfähige Ergänzung der verfügbaren Maßnahmen zur Trinkwassergewinnung dar – insbesondere vor dem Hintergrund des Klimawandels, dem Bevölkerungswachstum, der voranschreitenden Urbanisierung und zu-nehmender Belastung von Rohwasserressourcen. ser naturnahen Aufbereitungstechnologie getestet, demonstriert und mit verfügbaren technischen Lösungen nach dem Stand der Technik verglichen werden. Ein naturnahes Verfahren wie SMART kann eine Alternative oder ein ergänzendes Technologieelement in einem weitergehenden Aufberei-tungskonzept mit Ozon oder Aktivkohle sein. Die großtechnischen Versuche dieses neuentwickel-ten Aufbereitungsverfahrens dienen dabei als eine direkte Vorstufe der Umsetzung.