Zielsetzung und Anlass des Vorhabens<\/p>\n
Pathogene Mikroorganismen und Viren k\u00f6nnen \u00fcber Kl\u00e4ranlagenabl\u00e4ufe, Mischwasserentlastungen sowie
\nOberfl\u00e4chenabfluss von landwirtschaftlich genutzten Fl\u00e4chen in Oberfl\u00e4chengew\u00e4sser gelangen. \u00dcber
\nUferfiltration und Grundwasser k\u00f6nnen die Krankheitserreger potenziell das Trinkwasser erreichen. Ziel
\ndes Projektes war es ein modellbasiertes Werkzeug zu entwickeln, welches Wasserwerksbetreiber bei
\neiner prozessbasierten Risikoanalyse und Bewertung des Transports von hygienisch relevanten Mikroorganismen
\nund Viren in der Uferfiltration unterst\u00fctzt.<\/p>\n
Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenF\u00fcr die Umsetzung des Projekts wurde ein mehrskaliger experimenteller Ansatz konzipiert. Zun\u00e4chst wurden
\nverschiedene mikrobiologische und virologische Kenngr\u00f6\u00dfen ausgew\u00e4hlt und methodisch getestet,
\num die Reinigungswirkung durch den Transport im Untergrund zu quantifizieren. Kleinskalige S\u00e4ulenversuche
\n(10 cm) wurden durchgef\u00fchrt zur Untersuchung verschiedener Einflussgr\u00f6\u00dfen auf den Virenr\u00fcckhalt.
\nEin Zusammenwirken aller Einflussgr\u00f6\u00dfen wurde mittels eines mesoskaligen S\u00e4ulenversuchs (1,2 m)
\nuntersucht unter Verwendung von Sediment aus dem Aquifer vom Wasserwerk Flehe in D\u00fcsseldorf sowie
\nRohwasser aus dem Rhein. In der Uferfiltrationstrecke des Wasserwerks Flehe wurden \u00fcber 1,5 Jahre im
\n2-4 Wochenrhythmus an verschiedenen Stellen Grundwasserproben genommen und auf mikrobiologische
\nund virologische Kennwerte untersucht neben den \u00fcblichen grundwasserchemischen Analysen.
\nMit Hilfe des modernen Codes PFLOTRAN wurde ein numerisches Modell zur Simulation des Transports
\nvon Viren und Bakterien in der Uferfiltration entwickelt. Das Modell wurde angewandt und kalibriert sowohl
\nauf die neu erhobenen als auch \u00e4ltere Daten vom Wasserwerk Flehe, sowie dem mesoskaligen S\u00e4ulenversuch.
\nWeiterhin wurde eine Sensitivit\u00e4tsanalyse durchgef\u00fchrt zur Untersuchung des Einflusses der verschiedenen
\nModellparameter. F\u00fcr die Umsetzung der Modellergebnisse f\u00fcr Anwender wurde ein Konzept
\nmittels eines Surrogate-Modells entwickelt. Daf\u00fcr wurde auf Basis des Modells f\u00fcr das Wasserwerk Flehe
\nein verallgemeinertes 1D Modell einer Uferfiltration in PFLOTRAN aufgestellt. Mittels mathematischer und
\nnumerischer Algorithmen wurde f\u00fcr dieses 1D Modell ein analytisch l\u00f6sbares Surrogate Modell (N\u00e4herungsmodell)
\nerstellt, welches in eine Weboberfl\u00e4che eingebaut wurde.<\/p>\n
Ergebnisse und Diskussion<\/p>\n
Die kleinskaligen S\u00e4ulenexperimente haben neben den bekannten Einfluss von Virenlast und Flie\u00dfgeschwindigkeit
\ngezeigt, dass sowohl eine erh\u00f6hte mikrobielle Aktivit\u00e4t als auch ein niedriger Sauerstoffgehalt
\n(hypoxische\/anoxische Bedingungen) die Virenkonzentration verringert. Diese Erkenntnis ist vor allem
\nrelevant f\u00fcr Standorte mit dynamischer Biogeochemie, wo bspw. jahreszeitlich bedingt Redoxbedingungen
\n(Sauerstoffgehalt) sich \u00e4ndern. Der mesoskalige S\u00e4ulenversuch hat eine sehr starke Verringerung der
\nVirenkonzentration beim Transport durch das Material aus dem Aquifer des Wasserwerks Flehe gezeigt
\n(5 Gr\u00f6\u00dfenordnungen \u00fcber 1,2 m), jedoch war das zum Gro\u00dfteil limitiert auf den zentralen Abschnitt der
\nS\u00e4ule. Das ist wom\u00f6glich Folge einer Heterogenit\u00e4t im Sediment, was auf Grund von Beschaffenheit und
\nMenge nicht \u00fcber die gesamte S\u00e4ule homogenisiert werden konnte. Au\u00dferhalb des zentralen Abschnitts
\nzeigte sich eine geringe Reduzierung \u00e4hnlich der Beobachtungen im Feld.
\nDie Untersuchungen am Wasserwerk Flehe zeigten, dass die meisten F\u00e4kalindikatoren und Viren das
\nganze Jahr \u00fcber im Rhein nachgewiesen werden k\u00f6nnen, w\u00e4hrend diese jedoch im Uferfiltrat nur in den
\nufernahen Messstellen und zu bestimmten Zeiten (besonders Hochwasser) feststellbar waren. Der trockene
\nSommer und Herbst 2018 mit historischen Niedrigstst\u00e4nden im Rhein zeigte keinen erh\u00f6hten Transport
\nin den Messstellen, jedoch konnten Coliforme und Clostridium Perfringens punktuell am F\u00f6rderbrunnen
\ndes Wasserwerks nachgewiesen werden. Auffallend war, dass das Auftreten humanpathogene Adenoviren
\nkeinerlei Zusammenhang mit physikalisch-chemischen Faktoren oder anderen F\u00e4kalindikatoren
\nzeigte. Im Allgemeinen zeigte sich jedoch eine gute Reduzierung der Adenoviren und aller getesteten
\nIndikatoren entlang der Uferfiltrationsstrecke und eine \u00dcberwachung der hygienischen Wasserqualit\u00e4t
\ndurch E. coli und Coliphagen h\u00e4tte im Beobachtungszeitraum ausgereicht.
\nDie Modellierung ergab, dass der Hauptfaktor f\u00fcr das Aufkommen messbarer Konzentrationen von Bakterien
\nund Viren h\u00f6here Grundwasserflie\u00dfgeschwindigkeiten waren ausgel\u00f6st durch schnell ansteigende
\nFlusspegel (bspw. Hochwasser). F\u00fcr die Bakterien konnte eine Zunahme der Reinigungsleistung beobachtet
\nwerden zwischen Winter 17\/18 und Winter 18\/19 bei \u00e4hnlichen Grundwasserflie\u00dfgeschwindigkeiten,
\nwas im Modell erkl\u00e4rt werden konnte durch eine Abnahme der Durchl\u00e4ssigkeit der Kolmationsschicht, die
\nBakterien auf Grund deren Gr\u00f6\u00dfe mehr beeinflusst hat als Viren. Die Sensitivit\u00e4tsanalyse f\u00fcr das Modell
\nzeigte, dass die Inaktivierungskoeffizienten, Korngr\u00f6\u00dfe, Gr\u00f6\u00dfe der Bakterien\/Viren, aber auch die hydraulische
\nLeitf\u00e4higkeit von Aquifer und Kolmationsschicht die ausschlaggebendsten Parameter sind.
\nDas Surrogate Modell erlaubt es die Reinigungsleistung einer Uferfiltrationsstrecke abzusch\u00e4tzen auf Basis
\nweniger standortspezifischer Parameter (Grundwasserflie\u00dfgeschwindigkeit, mittlere Korngr\u00f6\u00dfe des
\nAquifers, etc.). F\u00fcr den Anwender unbekannte Prozessparameter (bspw. Inaktivierungskoeffizient) flie\u00dfen
\nals Unsicherheit in das Ergebnis ein. \u00dcber eine Webanwendung (www.pathogene-uferfiltration.de) mit dem
\nSurrogate Modellk\u00f6nnen quantitative Absch\u00e4tzungen f\u00fcr die Reinigungsleistung einer Uferfiltrationsstrecke
\nbzgl. Mikroorganismen durchgef\u00fchrt werden. Durch die Beschr\u00e4nkungen des Projektes fehlt jedoch
\neine Validierung des Surrogate Modells auf anderen Standorten, weshalb es nur als Prototyp gelten kann.<\/p>\n
\u00d6ffentlichkeitsarbeit und Pr\u00e4sentation<\/p>\n
Ergebnisse des Projektes wurden auf verschiedenen nationalen und internationalen Konferenzen vorgestellt
\n(FH-DGGV, EGU, ISME) sowie auf Treffen der Arbeitsgemeinschaft der Rhein-Wasserwerke (ARW)
\nund der Arbeitsgemeinschaft der Wasserversorger im Einzugsgebiet der Elbe (AWE). Weiterhin wurden
\nErgebnisse in internationalen Fachzeitschriften publiziert.<\/p>\n
Fazit<\/p>\n
Am Beispiel des Rheins und des Wasserwerks Flehe hat sich gezeigt, dass fast \u00fcber das ganze Jahr eine
\nnicht unerhebliche Belastung des Flusswassers mit Krankheitserregern vorliegt, aber dass das R\u00fcckhaltepotential
\nder Uferfiltration dennoch sehr hoch und unter Normalbedingungen ausreichend ist. Jedoch
\nwar besonders zu Zeiten von Hoch- und Niedrigwasser das Risiko einer Kontamination erh\u00f6ht. Derzeitig
\nverwendete Indikatoren w\u00e4ren zwar am Standort Flehe ausreichend gewesen um vor einer Kontamination
\nmit Adenoviren am F\u00f6rderbrunnen zu warnen, jedoch durch die beobachteten Differenzen im Transportverhalten
\nzu den Adenoviren ist dies an anderen Standorten nicht zwangsweise auch der Fall. F\u00fcr eine
\nZukunft mit vermehrten hydrologischen Extremereignissen und andere Standorte wird neben bakteriellen
\nIndikatoren die Ber\u00fccksichtigung noch zu bestimmender viren-spezifischer Indikatoren empfohlen. Die
\nMethodik \u00fcber das Surrogate Modell hat sich als sehr gute M\u00f6glichkeit herausgestellt, um die Ergebnisse
\nder Modellierung zu verallgemeinern und potenziell den Stakeholdern zug\u00e4nglich zu machen. In einem
\nFolgeprojekt soll diese Methodik weiter validiert und verbessert werden.<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"
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