Saisonale Temperaturschwankungen bei Uferfiltration und Auswirkungen auf Abbau und Transport organischer Mikroverunreinigungen

Uferfiltrationen können für Wasserwerke ein geeignetes Hilfsmittel zur Quantitäts- und Qualitätssteigerung des Rohwassers sein. Der - neben der Sorption - dem zugrundeliegende Abbau von Schadstoffen durch Mikroorganismen hängt auch von Wassertemperatur und Vorkommen von Nährstoffen im infiltrierenden Oberflächengewässern und der anschliessenden Grundwasserpassage ab, so bspw. auch für organische Mikroverunreinigungen.

Und das Auftreten von Mikroverunreinigungen in Gewässern stellt eine aktuelle Herausforderung für die Trinkwassergewinnung dar. Verschiedene Eintragspfade aus urbanen und landwirtschaftlichen Gebieten tragen dazu bei, dass solche organische Spurenstoffe selbst im Grundwasser nachweisbar sind. Deren Stoffwechselprozesse führen zu charakteristischen Redoxzonen in der Uferfiltrationspassage. Eine allgemeingültige Bestimmung der Abbauraten von Stoffen unter Einbeziehung von Wassertemperatur und saisonalen Effekten ist immer noch selten. Um diese für reale Standorte nachzuvollziehen bedarf es oftmals einer Vielzahl an Probenahmen und Messungen, welche durch numerische Modellierung komplettiert werden können.

An einem Standort im Berlin-Potsdamer Raum wurden mehrjährige, intensive Vor-Ort-Messungen der Uferfiltration (Munz et al., 2019) interpretiert und ergänzt durch ein dreidimensionales, instationäres FEFLOW Modell zu Strömung und Wärmetransport (Wang et al., 2020) als auch spezifische zweidimensionale Modellierungen mittels MODFLOW und PHT3D, um das zeitliche und räumliche Verhalten von Temperatur, Redoxparametern und ausgewählten Wirkstoffen abzubilden (Barkow et al., 2021). Das 3D Modell lieferte einen Einblick in die saisonalen Temperaturschwankungen und deren Eindringtiefe in den Aquifer, aber auch die transienten Strömungsmuster im heterogenen Aquifer, Laufzeiten bis zur Entnahme in Wasserwerksbrunnen und Einfluss einer baulichen Maßnahme im Oberflächengewässer. Dies war eine Basis für die erfolgreiche Strömungs- und Transportmodellierung im reaktiven 2D-Modell. Dort stellte sich für die Uferfiltration eine Redoxzonierung ein, wobei fließende und ineinander übergehende Bereiche existieren. Darauf aufbauend konnte der Abbau der Mikroverunreinigungen gut dargestellt werden. Außer Acesulfam und Sulfamethoxazol werden alle betrachteten Mikroverunreinigungen im Transekt größtenteils abgebaut, was mit den Beobachtungen übereinstimmt. Die Vorgaben aus den Randbedingungen war einer der Hauptfaktoren, durch die das Transportmodell maßgeblich bestimmt wird. Dazu spielen die Parameter des Stoffumsatzes eine weitere entscheidende Rolle für die resultierende Konzentrationsverteilung, wobei teils ein Unterschied zwischen variierenden und konstanten Temperaturen im Modell existiert. Die Arbeit zeigt, dass komplexe Zusammenhänge beim Rückhalt von Mikroverunreinigungen im Uferfiltrat wirken und die Modellierung des Wärmetransports und die Einbeziehung der Wassertemperatur im Stofftransportmodell erfolgen sollten, um saisonale Einflüsse widerzuspiegeln.