Projekt 18193/01

Optimierung der In-situ-Reaktortechnologie zur dezentralen Trinkwassergewinnung und Grundwasseraufbereitung durch modellhafte Untersuchungen beteiligter Biofilme

Projektträger

Universität StuttgartInstitut für Siedlungswasserbau,Wassergüte- und AbfallwirtschaftAbt. Wassergütewirtschaft
Bandtäle 2
70569 Stuttgart
Telefon: 0711/685-3711

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Gegenstand des Forschungsvorhabens ist die Entwicklung und Optimierung dezentraler biotechnologischer In-situ-Reaktoren für die Grundwasseraufbereitung (Enteisenung und Entmanganung) durch Lokalisierung, Isolierung und Untersuchung von Biofilmen, die bei der dezentralen In-situ-Grundwasseraufbereitung eine wesentliche Rolle spielen. Die an den Aufbereitungsprozessen beteiligten Mikroorganismen sollen identifiziert und charakterisiert werden, um Erkenntnisse für die Praxis zu gewinnen, welche das Verfahren hinsichtlich Planung, Bemessung und Betrieb beherrschbarer machen und für einen Einsatz unter unterschiedlichen Randbedingungen auf eine breite Anwendungsbasis stellen. Neben grundlegenden Erkenntnissen zum Betrieb der In-situ-Reaktoren sollen Hinweise gewonnen werden, auf welche Weise die Aktivitäten der biologischen Vorgänge erhöht werden können, um die Effizienz des Verfahrens zu steigern.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenÞ Planung und Errichtung von 7 Versuchsanlagen an 5 Standorten
Þ Einfahrbetrieb der In-situ-Reaktoren, wasserchemische Analysen und Entnahme von Bodenproben
Þ Untersuchung der an der Aufbereitung beteiligten Mikroorganismen (Laser-Scaning-Mikroskopie, 16S-rDNA-Sequenzierungsansatz, Einsatz von speziell weiter zu entwickelnden Gensonden)
Þ Optimierung der Effektivität der In-situ-Reaktoren unter Variation der Betriebsparameter auf der Grundlage der wasserchemischen und mikrobiologischen Analysen
Þ Verkürzung der Einfahrzeit der In-situ-Reaktoren durch Versuche zur Animpfung der unterirdischen Reaktionszone
Þ Diskussion der Versuchsergebnisse und Formulierung von Hinweisen zu Planung und Betrieb der In-situ-Reaktoren


Ergebnisse und Diskussion

Insgesamt wurden während der Projektlaufzeit 7 In-situ-Anlagen an 5 Standorten erstellt, betrieben und durch laufende Probenahme (insgesamt 800 Einzelproben) und Analytik (insgesamt über 63.000 Einzelanalysen) kontrolliert.
Mit molekularbiologischen und mikrobiologischen Methoden war es möglich, Eisen- und Manganoxidierende Mikroorganismen aus der Oxidationszone zu isolieren. Mit ihnen sollte eine Methode erprobt werden, um die Einarbeitungszeit zu verkürzen. Zunächst wurde die mikrobielle Population der Oxidationszone sowie verschiedener Entlüftungsbehälter charakterisiert. Dabei wurden zahlreiche Stämme gefunden, die in der Lage sind, Eisen und/oder Mangan zu oxidieren. Es konnte gezeigt werden, dass es möglich ist, Populationen aus einer eingearbeiteten Reaktionszone zu benutzen, um damit Brunnen an einer anderen Stelle anzuimpfen und damit die Einarbeitungszeit abzukürzen. Dabei kommt es allerdings sehr darauf an, wie die Animpfung technisch durchgeführt wird - die Zugabe von Suspensionen aus eingearbeiteten Reaktionszonen hat sich dabei nicht bewährt. Als einfache Möglichkeit erwies sich hingegen, das Feinsediment aus einem Brunnen mit eingearbeiteter Reaktionszone in den neuen Brunnen einzubringen; offensichtlich ist es der Biofilm auf den Sandkörnern, der die Etablierung der Organismen an der neuen Stelle erleichtert. Es bleibt zu klären, ob dies nur in Situationen funktioniert, in denen die neuen Brunnen an ähnlichen Stellen wie die alten gebohrt werden oder ob Populationen aus eingearbeiteten Reaktionszonen auch an anderen Stellen anwendbar sind. Das Potenzial dafür ist jedenfalls vor-handen, und mit den biologischen Methoden, die im Projekt angewandt wurden, konnte der Erfolg auch auf mikrobiologischer Ebene klar nachgewiesen werden. Neben der Verkürzung der Einarbeitungszeit der Entmanganung durch Animpfung der Reaktionszone, wodurch die Effizienz der In-situ-Technologie wesentlich erhöht werden kann, wurden weitere Grundlagen für die Planung und den Betrieb von dezentralen biologischen In-situ-Reaktoren erarbeitet, indem die Aufbereitungsergebnisse sowohl unter Be-rücksichtigung der äußeren Randbedingungen wie der Wasserbeschaffenheit, der Beschaffenheit des Untergrunds und des Ausbaus der Brunnen als auch unter Berücksichtigung der Fahrweise (Betriebspro-gramme) der In-situ-Anlagen diskutiert wurden.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

1. Steele, H., Meyer, C., Hansen, H., Rott, U., Flemming, H.-C.: Microbial Removal of Iron and Manganese from Groundwater. Jahrestagung der Wasserchemischen Gesellschaft, 17.-19. Mai 2002 in Bad Saarow.
2. Rott, U., Meyer, C.: Optimierung der In-situ-Reaktortechnologie zur dezentralen Trinkwassergewin-nung und Grundwasseraufbereitung unter modellhafter Untersuchung beteiligter Biofilme - Teil 1. Umweltwissenschaften und Schadstoffforschung, Band 14, Nr. 2, 2002, S. 126-127.
3. Meyer, C.: Perspektiven der unterirdischen Grundwasseraufbereitung zur kostengünstigen und rück-standsfreien Trinkwassergewinnung. Stuttgarter Berichte zur Siedlungswasserwirtschaft, Band 167 (2002), S. 105-128.
4. Poster Presentation Sustainable Low-Cost Drinking Water Treatment - Removal of Arsenic, Iron, Manganese and Ammonia by Decentralised Biological In-Situ-Reactors, 3rd World Water Forum, March 16th - 23rd, 2003 in Kyoto, Shiga and Osaka, Japan.


Fazit

Es lässt sich feststellen, dass die Ziele des Projekts erreicht werden konnten und dass aus der wissenschaftlichen Arbeit Ergebnisse entstanden sind, die sich in technische Lösungen umsetzen lassen. Die Wissensbasis dieses von der DBU geförderten Projekts führte beispielsweise zur erfolgreichen Beantra-gung eines umfangreichen EU-Projekts mit dem Titel Development of a low cost technology for in-situ treatment of groundwater for potable and irrigation purposes, in dem ein internationales Wissenschaftlerteam, u. a. mit Beteiligung der Firma Winkelnkemper GmbH (Fermanox®), zusammenarbeitet. Hier werden die dezentralen In-situ-Reaktoren zur Entarsenung von Grundwasser, das zu Bewässerungszwecken in der Landwirtschaft dienen soll, eingesetzt. Der interdisziplinäre Austausch zwischen den Partnern funktionierte einwandfrei. Regelmäßige Besprechungstermine an den jeweiligen Standorten der Partner und vertiefte fachliche Diskussionen trugen dazu bei, einen sehr guten Einblick in den jeweils anderen Fach-bereich zu erlangen. Weitere gemeinsame Projekte werden geplant.