KÜNSTLICHE GRUNDWASSERANREICHERUNG WICHTIGE ANPASSUNGSSTRATEGIE IM KLIMAWANDEL ODER SELBST EIN PROBLEMFALL - Berlin - Brandenburger ...
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KÜNSTLICHE GRUNDWASSERANREICHERUNG
WICHTIGE ANPASSUNGSSTRATEGIE IM
KLIMAWANDEL ODER SELBST EIN PROBLEMFALL
14. Berlin – Brandenburger Brunnentage BBB ´21
Potsdam/20.-21.9.2021
An-Institut der
Dr. C. Kübeck Mitglied im DVGW-
Institutsverbund
Definition Grundwasseranreicherung
Methode zur künstlichen Erhöhung der Grundwassermenge über
Versickerungsanlagen zu Zwecken der (Trink-)Wassergewinnung und des
Umweltschutzes. Hierdurch wird die „natürliche Reinigungsleistung“ der
Untergrundpassage genutzt und die mögliche Entnahmemenge gesteigert.
Betrachtung Grundwassermenge:
• Speicherung von Wasser für eine zeitlich spätere
und/oder örtlich verlagerte Nutzung
Rheinwasser
• Konsolidierung der Grundwasserstände - entnahme
(bei Entnahmen, klimatische Änderungen) –
Schutz grundwasserbeeinflusste Ökosysteme
WHR – Wasserverband Hessisches Ried
• 38 Mio m³/a aufbereitetes Rheinwasser
(Kapazität der Aufbereitungsanlage 43 Mio. m³/a)
• 5.400 ha Beregnungsfläche
• 65 Mio. m³/a Grundwasserentnahme
(ca. 50% Grundwasseranreicherung)
© IWW Zentrum Wasser 2
www.whr-infiltration.de
Definition Grundwasseranreicherung
Methode zur künstlichen Erhöhung der Grundwassermenge über
Versickerungsanlagen zu Zwecken der (Trink-)Wassergewinnung und des
Umweltschutzes. Hierdurch wird die „natürliche Reinigungsleistung“ der
Untergrundpassage genutzt und die mögliche Entnahmemenge gesteigert.
Betrachtung Wasserqualität:
I. Verminderung der Salzwasserintrusion in Küstenregionen
II. Verbesserung der Wasserqualität des Infiltrats (Aber: Verschlechterungsverbot des
Grundwasserkörpers entsprechend WRRL)
Rückhalt von organischen Spurenstoffen (Bsp.: MARSOL)
III. Verbesserung der Wasserqualität der Grundwasserkörper
a. Freisetzungspotential von Stör- und Schadstoffen des Untergrundes
• Infiltration eines systemfremden Wassers kann zur Lösung von Stoffen führen
Bsp.: Uranfreisetzung
b. Hydraulische Anbindung der Infiltrationsanlage an das natürliche Grundwassersystem
• Zustrom und/oder Mischung von Wässern
Bsp.: Manganfreisetzung
© IWW Zentrum Wasser 3
Versickerungsanlagen
Prozesse im Untergrund sind
Oberflächeninfiltration Untergrundinfiltration abhängig von:
flach (Deckschichten) tief (Grundwasserleiter)
• Infiltrations- und
Operationstechniken
Vegetation / Boden / Aquifer
Kontinuierliche Infiltration /
Wetting and Drying Cycles /
Beregnung
• Beregnung • Gräben und • Brunnen
• Flutung natürlicher Schächte
Becken mit • Künstliche
Vegetation Becken
• Wassergräben • Horizontale
Sickerrohre
Besonderheit
Uferfiltratanlagen
• Induzierte Infiltration
• Veränderung der Interaktion
Grundwasser–
Oberflächenwasser
© IWW Zentrum Wasser 4
Versickerungsanlagen
Prozesse im Untergrund sind
Poröses abhängig von:
Flutung, Beregnung Medium
• Infiltrations- und
Kluft / Operationstechniken
Becken, Gräben, Karst
Vegetation / Boden / Aquifer
Schächte
Kontinuierliche Infiltration /
Wetting and Drying Cycles /
Boden Beregnung
• Boden / Aquifer
Brunnen, Schächte
Charakteristik
Permeabilität und Mächtigkeit
Aquifer Pot. Rückhalte- - Geochemische
vermögen Zusammensetzung des
+
+ Untergrundes (Tonminerale,
- Qualität des Infiltrats organischer Kohlenstoff-
Aufbereitungsziele für die Infiltration gehalt, Calcit etc.)
ungesättigt
gesättigt
Zusammensetzung des
© IWW Zentrum Wasser 5 infiltrierten Wassers
Hydrogeochemische Prozesse im Untergrund
Prozesse im Untergrund:
Black Box
Freisetzungspotential
© IWW Zentrum Wasser 6
Hydrogeochemische Prozesse im Untergrund
Prozesse im Untergrund:
• (Boden) / Aquifer
Lösung / Fällung
Charakteristik
Rückhaltevermögen (Calcite)
Porosität,
Permeabilität und (De-)Sorption (Metalle)
Mächtigkeit
Black Box Ionenaustausch (Kalium,
Freisetzungspotential Geochemische Natrium)
Zusammensetzung
(Tonminerale, org. Oxidation / Reduktion
Kohlenstoffgehalt, (organische Verbindungen /
Calcit, Metall- Stickstoff / Metalle)
verbindungen etc.) Abbau organischer
Verbindungen (meist
mikrobiell getriggert)
Freisetzungspotential
Mischung (mit Porenwasser)
© IWW Zentrum Wasser 7
Hydrogeochemische Prozesse im Untergrund
Prozesse im Untergrund:
• (Boden) / Aquifer
Lösung / Fällung
Charakteristik
Rückhaltevermögen (Calcite)
Permeabilität und
Mächtigkeit (De-)Sorption (Metalle)
Geochemische Ionenaustausch (Kalium,
Freisetzungspotential Zusammensetzung Natrium)
(Tonminerale, org.
Kohlenstoffgehalt, Oxidation / Reduktion
Calcit, Metall- (organische Verbindungen /
verbindungen etc.) Stickstoff / Metalle)
Abbau organischer
Zusammensetzung Verbindungen (meist
des infiltrierten mikrobiell getriggert)
Wassers Mischung (mit Porenwasser)
© IWW Zentrum Wasser 8
I. Organische Spurenstoffe – EU Projekt MARSOL (M.Silver)
Säule
Sediment: 75% Sand/Kies, 22,8% Silt, 1,3% Ton
Geochemie: 2,57 Gew.% organischer Kohlenstoff
Hydraulik: 7 cm/d
Dauer: 615 d
Probenahmeports in unterschiedlichen Tiefen
• Situation mit 100% Klarwasser
• 1 Säule mit kontinuierlichem Einlauf (Säule A)
• 2 Säulen mit Wetting und Drying Cycle (5 Tage
Infiltration und 2 Tage Trockung)
• Einlaufwasser mit bis zu 60 µg/l Carbamazepin und
Diclofenac
(Naproxen, Fenoprofen, Gemfibrozil, Ibuprofen,
Sulfamethoxazol,…)
1m
Silver, M., Selke, S., Balsaa, P., Wefer-Roehl, A., Kübeck, C., & Schüth, C. (2018). Fate of five
pharmaceuticals under different infiltration conditions for managed aquifer recharge. Science of
the total environment, 642, 914-924.
© IWW Zentrum Wasser 9
I. Organische Spurenstoffe – EU Projekt MARSOL (M.Silver)
Kontinuierlicher Zufluss Wetting and Drying Cycle
• Die Konzentrationen
nehmen über die Tiefe ab
Aber
• über die Versuchsdauer
gleichen sich die
Konzentrationen in den
unterschiedlichen Tiefen
an
Rückhaltekapazität im
Untergrund ist begrenzt
Bei kontinuierlichen
Durchfluss (mit Einstellung
anoxischer Bedingungen)
erfolgt ein Durchbruch
schneller
© IWW Zentrum Wasser 10I. Organische Spurenstoffe – EU Projekt MARSOL (M.Silver)
Kontinuierlicher Zufluss Wetting and Drying Cycle
• Die Konzentrationen
nehmen über die Tiefe ab
Aber
• über die Versuchsdauer
gleichen sich die
Konzentrationen in den
unterschiedlichen Tiefen
an
Rückhaltekapazität im
Untergrund ist begrenzt
Bei kontinuierlichen
Durchfluss (mit Einstellung
anoxischer Bedingungen)
erfolgt ein Durchbruch
schneller
© IWW Zentrum Wasser 11I. Organische Spurenstoffe
Abbau von anthropogenen Spurenstoffen - Uferfiltrat
Substanz aerob suboxisch anoxisch anaerob
Carbamazepin o o + ++++
Diclofenac ++++ ++++ ++++ ++++
Sulfamethazol o o +++ ++++
Iopromid ++++ ++++ ++++ ++++
Iopamidol + ++ +++ ++++
Amidotric acid o o + ++++
EDTA ++ ++ o o
o < 25% + < 50% ++ < 70% +++ < 80% ++++ > 80%
Schmidt & Lange 2005
Aerob - oxidierend => gelöster Sauerstoff und oxidierte Spezies
Suboxisch - Sauerstoffkonzentrationen sind sehr niedrig
Anoxisch - kein gelöster Sauerstoff
Anaerob - reduzierend => kein gelöster Sauerstoff und reduzierte Spezies
© IWW Zentrum Wasser 12I. Organische Spurenstoffe – EU Projekt MARSOL (M.Silver)
Verbleib der Substanzen im Untergrund
• Bilanzierung des gemessenen Inputs und Outputs
über die Versuchsdauer
• Entnahme von Sediment und Extraktion der am
Sediment gebundenen Substanzen am Ende des
Versuchs
nicht zurückgehalten
sorbiert
abgebaut
Kontinuierlicher Zufluss Wetting und Drying Cycle
© IWW Zentrum Wasser 13I. Organische Spurenstoffe – EU Projekt MARSOL (M.Silver)
Verbleib der Substanzen im Untergrund
• Bilanzierung des gemessenen Inputs und Outputs
über die Versuchsdauer
• Entnahme von Sediment und Extraktion der am
Sediment gebundenen Substanzen am Ende des
Versuchs
nicht zurückgehalten
sorbiert
abgebaut
Kontinuierlicher Zufluss Wetting und Drying Cycle
© IWW Zentrum Wasser 14Hydrogeochemische Prozesse im Untergrund
Prozesse im Untergrund:
• (Boden) / Aquifer
Lösung / Fällung
Charakteristik
Rückhaltevermögen (Calcite)
Porosität,
Permeabilität und (De-)Sorption (Metalle)
Mächtigkeit
Ionenaustausch (Kalium,
Freisetzungspotential Geochemische Natrium)
Zusammensetzung
(Tonminerale, org. Oxidation / Reduktion
Kohlenstoffgehalt, (organische Verbindungen /
Calcit, Metall- Stickstoff / Metalle)
verbindungen etc.) Abbau organischer
Verbindungen (meist
mikrobiell getriggert)
Freisetzungspotential
Mischung (mit Porenwasser)
© IWW Zentrum Wasser 15II. Freisetzungspotential des Untergrundes
Infiltrationsanlage: Freisetzungsprozesse
• Sickerleitungen I. Schwankungen des pH-Werts
• Infiltriertes Wasser ist ein aufbereitetes Wasser (7,4 – 8,5) und Säurekapazität
• Entnahme über eine Brunnengalerie (2,5 – 4,5 mmol/l)
• Infiltrat ist zeitweise stark
Calcit-untersättigt
verstärkt CaCO3 ( s ) H Ca 2 HCO3
Infiltration
(UO2)CO3(s) +H+ UO22++HCO3‐
II. Sauerstoffgesättigtes Infiltrat
• Oxidativer Abbau des
Grundwasser org. Kohlenstoffs
Rohwasser mit CH2O + O2 CO2 + H2O
Urankonzentrationen >> 10µg/l • Freisetzung des
sorbierten Urans
Elutionsversuche (sequentielle Extraktion) zur
Untersuchung des Uranfreisetzungspotentials: CO2 + H2O HCO3‐ + H+
Uran liegt gebunden an organischen und
• pH-Senkung und
karbonatischen Phasen im Feststoff vor
(Kooperation mit A. Banning, RUB, 2017) Erhöhung der
Banning, A., Pawletko, N., Röder, J., Kübeck, C., & Wisotzky, F. (2017). Ex situ
Calcitlösung
groundwater treatment triggering the mobilization
© IWW Zentrum Wasser of geogenic uranium from aquifer 16
sediments. Science of The Total Environment, 587, 371-380.II. Freisetzungspotential des Untergrundes
Infiltrationsanlage: Freisetzungsprozesse
• Sickerleitungen • Mischung von
• Infiltriertes Wasser ist ein aufbereitetes Wasser Infiltrationswasser und
• Entnahme über eine Brunnengalerie Grundwasser im Randbereich
• Belüftung des
Grundwasserleiters durch GW-
Absenkung
• Bedarfsorientierte Entnahme aus den Förderbrunnen
• Nicht kontinuierliche Infiltration
© IWW Zentrum Wasser 17II. Freisetzungspotential des Untergrundes
Infiltrationsanlage:
• Sickerleitungen
• Infiltriertes Wasser ist ein aufbereitetes Wasser Maßnahmen:
• Entnahme über eine Brunnengalerie 1. Anpassung der
Wasseraufbereitung (Infiltrat)
• Einstellung des pH-Wertes
und der Säurekapazität im
Infiltrat (leicht Calcit-
übersättigt)
• (Verringerung der
Sauerstoffsättigung)
2. Stabilisierung der Fahrweise
(Infiltration und Entnahme)
und damit Minderung der
Mischung unterschiedlicher
Grundwässer
• Die Entnahme erfolgt nun
über alle Brunnen mit einer
konstanten Menge
© IWW Zentrum Wasser 18III. Hydraulische Anbindung
Infiltrationsanlage:
• Uferfiltratanlage • Keine bis schlechte Infiltration
• Infiltrationsbecken mit Oberflächenwasser des Oberflächengewässers
• Große Entfernung zu den
Infiltrartionsbecken und
Infiltrations-
becken zyklischer Betrieb
Fluss
• Infiltrationsbecken sind
unterschiedliche tief
Rohwasser mit
Manganspitzen bis 14 mg/l
© IWW Zentrum Wasser 19III. Hydraulische Anbindung
Infiltrationsanlage:
• Uferfiltratanlage • Keine bis schlechte Infiltration
• Infiltrationsbecken mit Oberflächenwasser des Oberflächengewässers
• Große Entfernung zu den
Bohrung Infiltrartionsbecken und
Infiltrations-
becken zyklischer Betrieb
Fluss
• Infiltrationsbecken sind
unterschiedliche tief
Freisetzungsprozesse
Aufstieg eines
eisen(II)haltigen red.
Tiefenwassers
Eisen(II) reagiert mit
Manganoxid
MnO2(s) + Fe2+ Mn2+ + FeO2(s)
Eisenoxid Manganoxid Pyrit (FeS2),
org. Kohlenstoff
© IWW Zentrum Wasser 20III. Hydraulische Anbindung
Infiltrationsanlage:
• Ufefriltratanlage Maßnahmen:
• Infiltrationsbecken mit Oberflächenwasser 1. Stabilisierung der Fahrweise
(Entnahme) und damit
Minderung des Zustroms
Infiltrations-
becken von reduzierten
Fluss Tiefenwässern
2. Optimierung der
Strömungsbedingungen
durch Nivellierung der
Infiltrationsbecken und
Wasserstände in den
Förderbecken
3. Monitoring der
Grundwasserstände
4. (Abzug eines Teilstroms der
Sickergalerie)
© IWW Zentrum Wasser 21Take-Home Message
■ Grundwasseranreicherung ist eine gute ergänzende Technologie den
Auswirkungen des Klimawandels entgegenzuwirken (insbes. Menge)
■ Abgestimmte Vorgehensweise bei der Wahl der Infiltrationsanlage und
Wasseraufbereitung auf die ortspezifischen Gegebenheiten unter
Berücksichtigung der Prozesse im Untergrund
(Grundwasserströmung / Hydrogeochemie)
Betrachtung als Gesamtsystem
Umweltkapazitäten Technische Lösungen
• Hydro(geo)logie • Infiltration Methoden
(Infiltrationsrate, Erfordernis (Oberflächeninfiltration
Grundwasserströmung) Untergrundinfiltration)
• Hydro(geo)chemie • Betriebsweise
(Grundwasserqualität; Anpassung (kontinuierliche wetting
Zusammensetzung des and drying cycles)
Aquifers; • Pre- / Posttreatment
Rückhaltekapazität; (Stoffentfernung, pH-Wert-
Freisetzungspotential) Einstellung, Desinfektion)
© IWW Zentrum Wasser 22Take-Home Message
■ Grundwasseranreicherung ist eine gute ergänzende Technologie den
Auswirkungen des Klimawandels entgegenzuwirken (insbes. Menge)
■ Abgestimmte Vorgehensweise bei der Wahl der Infiltrationsanlage und
Wasseraufbereitung auf die ortspezifischen Gegebenheiten unter
Berücksichtigung der Prozesse im Untergrund
(Grundwasserströmung / Hydrogeochemie)
Betrachtung als Gesamtsystem
2000/60/EC WRRL
2008/105/EC Umweltqualitätsnormen
Haupteinflüsse 2013/39/EC Zustand der Wasserkörper
Oberflächen- Seen / (prioritäre Stoffe)
Flüsse
wasser Talsperren …
Strömung
Grundwasser-
Geologie/ Interaktion
Geochemie
anreicherung
(Infiltration / Exfiltration)
(nach Aufbereitung)
Landnutzung
Grund- Salzwasser
Klima Geochemie Abwasserauf-
wasser Intrusion
bereitung
Virgin forest, Gambia
Siedlung
Trinkwasser-
gewinnung Industrie
© IWW Zentrum Wasser 23
98/83/ECVielen Dank für Ihr Interesse
Industrie
© IWW Zentrum Wasser 24www.iww-online.de
info@iww-online.de
IWW Rheinisch-Westfälisches Institut für Wasser
Beratungs- und Entwicklungsgesellschaft mbH
Justus-von-Liebig-Str. 10
46584 Biebesheim am Rhein
Telefon: +49 (0) 208 40303 601
Fax: +49 (0) 208 40303 80
Dr. Christine Kübeck
c.kuebeck@iww-online.de
Telefon: +49 (0) 0208 40303 611
An‐Institut der
Mitglied im DVGW‐
InstitutsverbundWater Quality Requirements
■ Australian Guideline for Water Recycling => Managed Aquifer
Recharge (module 3; NRMMC-EPHC-NHMRC, 2009)
• Proposes entry level assessment based on water quality requirements of
the protection value (emission approach)
■ EU “Water Framework Directive” (2000)
• Considers MAR technologies as a possible measure to achieve the “good
status” objectives for water bodies, however, does not specify
implementation strategies
• Does not adopt limit value approach, but provides strategies to establish
good qualitative (ecological and chemical) and quantitative status of all
water bodies
© IWW Zentrum Wasser 26Prozesse in der Untergrundpassage
© IWW Zentrum Wasser 27Changes of Redox Condition
Infiltration Basin
MAR Scheme: Infiltration basin with tww
Organic carbon (DOC and/or bound in soil or aquifer)
Oxygen depletion CH 2O O2 CO2 H 2O
Suboxic - anoxic condition
Change of pH CO 2 H 2O HCO3 H
pH buffering: Dissolution or precipitation of
carbonates CaCO3 H Ca 2 HCO3
Denitrification NO3 NO2 NO N 2 O N 2 NH 4
Sulphate reduction 2CH 2 O SO42 2CO2 S 2 H 2O
Anaerobic conditions
© IWW Zentrum Wasser 28Changes of Redox Condition
Infiltration Basin
MAR Scheme: Infiltration basin with tww
As a consequence of a changing redox and pH
conditions:
Mobilization of heavy metals under anoxic /
anaerobic conditions (Iron(III) / Manganese(IV)
phases)
FeOOH CH 2 O 7 H 4 Fe 2 HCO3 6 H 2O
pH-dependent mobilization of heavy metals
Mobilization of nitrogen bound in organic carbon
compounds (CH2O-NH2) => Generation of NH4+
Emission of pollutants from receiving environment !!!!
© IWW Zentrum Wasser 29EAWAG http://eawag-bbd.ethz.ch/index.html
Caffeine
Bisphenol A
© IWW Zentrum Wasser 30Recycled
MAR Water Surface Water Groundwater Drinking Water
Water
Source
Key Harzards Potential +++ high - o none
Pathogenes +++ ++ + o
Nutrients, hardness and pH +++ + ++ o
Salinity, +++ + +++/o o
Turbidity and particles +++ ++ + o
Metals and Radionuclides +++ + +++ o
Organic compounds
Industrial chemicals +++ ++ + o
Biologically active compounds +++ ++ + o
Detergents and pharmac. +++ ++ + o
© IWW Zentrum Wasser 31© IWW Zentrum Wasser 32
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