Was ist Uferfiltration

Sauberes Trinkwasser ist eine wichtige Grundlage menschlichen Lebens. Grundwasser ist eine häufig genutzte Quelle für die Trinkwassergewinnung. Jedoch steht Grundwasser nicht in allen Regionen immer in ausreichender Quantität und Qualität zur Verfügung. Weiterhin stehen heutzutage auch Nachhaltigkeitsaspekte im Vordergrund. Uferfiltration ist eine Methode zur Rohwassergewinnung aus Oberflächengewässern (Flüssen/Seen) für die Trinkwasseraufbereitung (Abbildung 1).

Abbildung 1. Konzept der Uferfiltration (© Dustin Knabe, TU Berlin)

Dabei werden Förderbrunnen in der Nähe von Oberflächengewässern platziert. Das von den Brunnen geförderte Wasser besteht dann zum Großteil aus sogenannten Uferfiltrat, also Wasser, welches vom Fluss bzw. See durch den Untergrund dem Brunnen zuströmt. Bei der Untergrundpassage wird das Wasser auf Grund natürlicher Prozesse gereinigt. Durch Uferfiltration werden die langsam verlaufenden Grundwasserkreisläufe geschont. Jedoch ist die Uferfiltration von der Qualität der Oberflächengewässer abhängig.

Pathogene/Krankheitserreger in Grund- und Oberflächenwasser

Oberflächengewässer sind häufig durch den Menschen mit Schadstoffen belastet (Abbildung 2). Eine Gruppe von Schadstoffen sind krankheitserregende Mikroorganismen (Pathogene), insbesondere bestimmte Viren und Bakterien (bspw. Adenoviren oder Enterokokken). Hauptsächlich gelangen diese mit den Ausscheidungen von Mensch und Tier in das Abwasser oder direkt in die Umwelt (Aufbringung von Gülle in der Landwirtschaft).

Abbildung 2. Herkunft von Pathogenen in Oberflächengewässern (© Dustin Knabe, TU Berlin)

Selbst moderne Kläranlagen sind nicht in der Lage Pathogene vollständig aus dem Abwasser zu entfernen. Deshalb werden kontinuierlich Pathogene in die Vorfluter und die Oberflächengewässer abgegeben. Lokal kann auch die geringe Einleitung ungeklärter Abwässer eine Rolle spielen. Verschiedene Studien haben auch gezeigt, dass humanbürtige Viren selbst in Grundwasserleitern keine Seltenheit sind (Seidel et al., 2016; Xagoraraki et al., 2014; Pronk, 2010).

Was passiert mit Viren und Bakterien im Untergrund?

In Umwelt und Grundwasser tragen verschiedene Prozesse zur Reduzierung der Konzentration von Viren und Bakterien bei (Abbildung 3). Zum einen können diese ihre Infektiosität verlieren oder komplett zerstört werden, was bspw. durch UV-Licht und erhöhte Temperaturen gefördert wird (Schijven et al., 1999) aber auch durch die Anwesenheit anderer Mikroorganismen, welche die Viren und Bakterien angreifen (Pang et al., 2009, Feichtmayer et al., 2017). Ein weiterer wichtiger Prozess für den Rückhalt von Pathogenen ist ihre Sorption an die Sedimente im Grundwasser. Studien haben gezeigt, dass Sorptionsprozesse abhängig sein können von verschiedenen Faktoren: Wasserchemismus (u.a. pH-Wert, Ionenstärke), Sättigungsgrad, biologischen Faktoren, Kornverteilung des Aquifers, und Mineralogie des Aquifers (Anwesenheit von Metalloxiden) (Xagoraraki et al., 2014).

Für den Transport von Pathogenen sind weiterhin relevant die Sorption an bewegliche Partikel (Kolloide) und der Transport auf präferentiellen Fließwegen (Heterogenität des Aquifers) (Syngouna & Chrysikopoulos, 2015). Einen signifikanten Einfluss auf den Transport der Pathogene haben hydrologische Ereignisse (insbesondere Hochwasser und Starkregen), da diese in der Uferfiltration den Grundwasserchemismus verändern (bspw. niedrigere Ionenstärke) und höhere Fließgeschwindigkeiten verursachen können, was denn Transport von Pathogenen erhöhen kann (Chen and Saiers, 2009; Xagoraraki et al., 2014).

Abbildung 3. Prozesse des Virentransports auf der Porenskala (© Dustin Knabe, TU Berlin)

Wie simuliert man den Transport im Untergrund?

Quantitativ kann der Transport von Pathogenen mittels der Kolloid-Filtrations-Theorie (CFT) beschrieben werden. CFT funktioniert jedoch nur einwandfrei für Sedimente mit konstanten chemischen Eigenschaften und solange keine Abstoßung zwischen Kolloiden (bspw. Viren) und dem Korngerüst existiert (Hunt & Johnson, 2017; Tufenkji & Elimelech, 2004). Unter den meisten natürlichen Bedingungen sind signifikante abstoßende Kräfte vorhanden, aufgrund der negativen Oberflächenladung von Pathogenen und der Mineralkörner, jedoch kann die chemische Heterogenität auf der Nanoskala Sorption wieder begünstigen (Hunt & Johnson, 2017). Prozess-basierte mechanistische Modelle zur Beschreibung der Mobilisierung und Inaktivierung von Pathogenen unter variabel gesättigten Bedingungen existieren zwar im Ansatz, wurden jedoch häufig nicht auf der mehrdimensionalen Feldskala angewandt und validiert (Cheng & Saiers, 2009). Es gibt verschiedene Ansätze, um die komplexen Einflüsse auf den Transport von Pathogenen zu berücksichtigen (verschiedene Sorptionsplätze (Kvitsand et al., 2015), reversible und irreversible Sorption (Sasidharan et al., 2017), Blocken von Sorptionsplätzen (Wang et al., 2013), mechanische Filtration an kleinen Poren (Bradford et al., 2003), veränderlicher Sättigungsgrad (Cheng & Saiers, 2009)) jedoch basieren diese meist nur auf Laborexperimenten und wurden nur selten auf der Feldskala angewandt (e.g. Kvitsand et al., 2015).

Referenzen

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