Untersuchungen zum Einfluss einer zusätzlichen Kompostschicht auf die Attenuationskapazität von anthropogenen organischen Spurenstoffen bei der künstlichen Grundwasseranreicherung

Mario Schaffer1, Kerrin Franziska Kröger1, Karsten Nödler2, Carlos Ayora3, Jesús Carrera3, Marta Hernández4, Tobias Licha1
1 Angewandte Geologie, Georg-August-Universität Göttingen, Göttingen
2 Analytik und Wasserbeschaffenheit, TZW: DVGW-Technologiezentrum Wasser, Karlsruhe
3 GHS Institute of Environmental Assessment and Water Research (IDAEA-CSIC), Barcelona
4 CETaqua, Water Technology Center, Barcelona

P 11.3 in Identifikation hydrogeologischer Prozesse mit Spurenstoffen

 

Die künstliche Anreicherung von Grundwasser (Soil-Aquifer-Treatment, SAT) stellt ein zunehmend genutztes Nachbehandlungsverfahren dar, um die Qualität von bereits vorbehandeltem Abwasser und somit des in die Umwelt eingeleiteten Wassers weiter zu verbessern. In diesen Systemen stellen Sorptions- und Abbauprozesse die wichtigsten Attenuationsmechanismen dar [Katayama et al. 2010; Maeng et al. 2011; Schaffer et al. 2012]. Ziel der hier vorgestellten Untersuchung war es den Einfluss einer organikreichen Feststoffmatrix, aus welcher kontinuierlich DOC ausgetragen wird, auf die Attenuation ausgewählter organischer Spurenstoffe unter realistischen SAT-Bedingungen zu bestimmen.

Hierzu wurden auf dem Gelände der Kläranlage El Prat de Llobregat (Barcelona) Säulenversuche mit dem Ablaufwasser der biologischen Reinigungsstufe durchgeführt. Der Versuchsaufbau erlaubt die Untersuchung des Attenuationsverhaltens der organischen Spurenstoffe in Abhängigkeit des Redoxverhältnisses, des Anteils organischem Kohlenstoffs im Sediment sowie der Freisetzung an abbaubaren gelösten organischem Kohlenstoffs (BDOC). Die Referenzsäulensysteme bestehen jeweils aus einer großen, mit organikarmen Sand befüllten Aquifersäule. Den Aquifersäulen der Vergleichssysteme wurden jeweils zwei kleine, mit Kompost gefüllte Säulen vorgeschaltet, um eine zusätzliche (reaktive) organikreiche Infiltrationsschicht oberhalb des Zielaquifers zu simulieren. Da der Stofftransport zudem in großem Maße von den Moleküleigenschaften der Zielsubstanzen abhängt, wurde ein breites Spektrum an organischen Spurenstoffen untersucht (28 Verbindungen: 8 neutrale Moleküle, 7 Kationen, 12 Anionen, 1 Zwitterion). Die Sorptions- und Abbauparameter der organischen Spurenstoffe wurden invers aus den ermittelten Durchbruchskurven mit Hilfe von MODFLOW-MT3D bestimmt.

Durch die zusätzliche Kompostschicht wurde das Redoxpotential im Vergleich zum Referenzsystem deutlich verringert (eisenreduzierendes statt denitrifizierendes Milieu). Des Weiteren führte die zusätzliche Schicht zu deutlich höheren DOC-Konzentrationen in den Aquifersäulen und somit auch zu höheren BDOC-Werten. Für die unter diesen Bedingungen konservativen Stoffe Phenazon, Primidon, Acesulfam sowie für 4-Acetaminoantipyrin und Tolyltriazol wurden keine Unterschiede zwischen den beiden Systemen beobachtet. Im Gegensatz dazu konnten generell positive Effekte der zusätzlichen Kompostschicht auf die Attenuation der meisten organischen Säuren (z. B. Sulfamethoxazol) sowie der beiden untersuchen Betablocker festgestellt werden. Für die verbleibenden organischen Basen (Kationen) konnten keine Durchbruchskurven bestimmt werden.

Folglich stellt die Aufbringung einer zusätzlichen Kompostschicht in SAT-Systemen einen interessanten Ansatz dar, um viele umwelt- bzw. trinkwasserrelevante Stoffe zu entfernen oder zumindest deren Verweilzeiten im Untergrund zu verlängern, sofern die resultierende Erhöhung des DOC-Gehaltes im Zielaquifer toleriert werden kann.



Katayama, A., Bhula, R., Burns, G.R., Carazo, E., Felsot, A., Hamilton, D., Harris, C., Kim, Y.-H., Kleter, G., Koerdel, W., Linders, J., Peijnenburg, J.G.M.W., Sabljic, A., Stephenson, R.G., Racke, D.K., Rubin, B., Tanaka, K., Unsworth,  J., Wauchope, R.D. (2010): Bioavailability of xenobiotics in the soil environment. - Reviews of Environmental Contamination and Toxicology, 203: 1–86.

Maeng, S.K., Sharma, S.K., Abel, C.D., Magic-Knezev, A., Amy, G.L (2011): Role of biodegradation in the removal of pharmaceutically active compounds with different bulk organic matter characteristics through managed aquifer recharge: batch and column studies. - Water Research, 45(16): 4722–4736.

Schaffer, M., Boxberger, N., Börnick, H.,  Licha, T., Worch, E. (2012): Sorption influenced transport of ionizable pharmaceuticals onto a natural sandy aquifer sediment at different pH. - Chemosphere, 87(5): 513–520.