Was ist Uferfiltration? Die Erklärung.
Die Definition der Uferfiltration
Die Uferfiltration – eines der Verfahren der natürlichen Voraufbereitung von Trinkwasser. Doch was ist Uferfiltration genau? In diesem Beitrag erhälts du dafür eine Erklärung.
Die Definition der Uferfiltration ist in der DIN 4049-3 zu finden und lauter wie folgt:
Uferfiltrat ist Wasser, das aus oberirdischen Gewässern unmittelbar in den Grundwasserraum eingedrungen ist, ausgenommen durch Versinkung.
DIN (1994)
Was ist Uferfiltration? Eine genauere Erklärung
Uferfiltrat ist eine Bezeichnung für Wasser, das in der unmittelbaren Ufernähe von einem Fluss oder einem See gewonnen wird. Uferfiltratwasserwerke an einem Fluss befinden sich zum Beispiel an der Elbe in Dresden. An einem See wird Uferfiltrat beispielsweise am Müggelsee in Berlin gewonnen.
Dazu werden in der Nähe des Gewässers Brunnen eingerichtet.
Durch den Pumpvorgang der Brunnen stellt sich ein Potentialgefälle vom Fluss zu den Brunnen ein. Aus diesem Gefälle resultierend, strömt das Flusswasser durch den Grundwasserleiter zu den Brunnen.
In Abhängigkeit der Nähe zum Fluss oder See und den weiteren hydrogeologischen Randbedingungen besteht das Uferfiltrat meist aus Grundwasser, das auf natürliche Weise mit Flusswasser gemischt wurde.
Im Vergleich zur direkten Entnahme von Oberflächenwasser finden bei der Uferfiltration eine Vielzahl natürlicher Reinigungsprozesse statt. Diese Prozesse können laut Gimbel et al. (2004) wie folgt zusammengefasst werden:
- Zurückhalten von ungelösten Partikeln und Kolloiden durch die Filterwirkung,
- Entfernung von abbaubaren organischen Stoffen durch biologische Oxidation,
- weitgehender Rückhalt pathogener Keime,
- teilweise Entfernung von gelösten Spurenmetallen durch Sorption bzw. Fällung,
- Herstellung des Gleichgewichtes der Temperatur und Konzentrationsausgleich anderer gelöster Bestandteile im Wasser.
In Abhängigkeit von den geologischen Verhältnissen, der Beschaffenheit des infiltrierenden Wassers und den sich einstellenden, hydrochemischen Untergrundverhältnissen können sich nach Grischek (2003) folgende negative Einflüsse durch die Uferfiltration auf die Wassersbeschaffenheit einstellen:
- Erhöhung der Wasserhärte,
- Zunahme der Konzentration von gelöstem Eisen (Fe) und/oder Mangan (Mn),
- Zunahme der Ammoniumkonzentration,
- Bildung von Schwefelverbindungen, z.B. Schwefelwasserstoff.
Diese sich negativ auswirkenden Vorgänge hängen sehr eng mit den genannten natürlichen Reinigungsschritten zusammen und laufen teilweise parallel zu diesen ab. Daraus resultierend können entlang des Fließweges des Wassers zwischen dem Fluss und dem Entnahmebrunnen verschiedene hydrochemische Bereiche definiert werden. Generell ist es möglich, die dabei stattfindenden chemischen Veränderungen durch vier Reaktionstypen zu beschreiben: Elektronentransfer, Verwitterungsprozesse, Ionenaustausch und Gasaustausch (Jacobs et al., 1988).
Der Übergangsbereich zwischen Oberflächenwasser und Grundwasser hat auf die Effektivität einiger der oben genannten Reinigungsprozesse starken Einfluss. Dieser Bereich, auch als „hyporheisches Interstitial“ oder „hyporheische Zone“ bezeichnet, wird von einer Vielzahl von Mikroorganismen bewohnt und bildet einen eigenen „biogeochemischen“ Lebensraum (Tufenkji et al., 2002).
Die hyporheische Zone zeichnet sich außerdem durch einen starken Gradienten verschiedener wasserchemischer Parameter wie pH-Wert, Temperatur, gelöster organischen Kohlenstoff (DOC), Sauerstoffsättigung (DO) und Redoxpotenzial (Eh) aus. In Folge dessen haben die Reaktionen innerhalb dieses Übergangsbereiches großen Einfluss auf die Qualität des Uferfiltrats (Gibert et al., 2009).
Die chemischen Veränderungen hängen mit der mikrobiellen Aktivität und den daraus resultierenden Redoxreaktionen in dieser Zone zusammen. Die Mikroorganismen gewinnen die für das Wachstum und die Vermehrung benötigte Energie aus der Oxidation des im Wasser gelösten organischen Kohlenstoffs (DOC). Für die Oxidation nutzen sie die Substanz im Boden bzw. Wasser als Oxidationsmittel (Elektronenakzeptor), welcher sie mit der meisten Energie/Mol org. Kohlenstoff versorgt (Bourg & Bertin, 1994; Zobrist, 2000). Daraus ergibt sich eine definierte Abfolge der stattfindenden Redoxreaktionen.
Zunächst entwickelt sich innerhalb der ersten Zentimeter oder Dezimeter durch die Sauerstoffzehrung ein anoxisches Milieu. Unter anderem durch die hier stattfindende Denitrifikation wird das Redoxpotenzial weiter gesenkt. Es entsteht ein anaerobes, stark reduzierendes Milieu. Bei diesen Verhältnissen sind mineralische Eisen.- und Manganverbindungen instabil und werden reduziert.
Falls das Redoxpotenzial noch weiter fällt, kommt es auch zur Reduktion von Sulfat und schließlich zur Methanbildung (Förstner & Grathwohl, 2007; Stumm & Morgan, 1996). Die beschriebenen Reaktionen sind nochmals vereinfacht in Anlage 1 dargestellt. Die Sulfat-Reduktion und die Methanbildung finden nur in einem sehr stark reduzierten Milieu, bei sehr geringem Redoxpotenzial statt (Santschi et al., 1990).
Im weiteren Fließweg kann es durch sickerndes Wasser aus der ungesättigten Zone und Wasserstandsschwankungen zur Wiederbelüftung des obersten Bereiches des Grundwassers kommen. Das kann zur Ausfällung der gelösten Stoffe führen.
Die Position und Ausdehnung der reduzierten Zone kann in Abhängigkeit verschiedener Randbedingungen variieren (Bourg et al., 1989; Tufenkji et al., 2002). Die Oxidationsmittel sowie die Produkte der Redoxprozesse können als Redoxindikatoren im Wasser dienen.
Das heißt, aus ihrer An- bzw. Abwesenheit lassen sich die abgelaufenen oder ablaufenden Redoxprozesse im Grundwasserleiter (GWL) ermitteln und gleichzeitig der Redoxzustand abschätzen (Zobrist, 2000).
Literatur
Bourg, A.C.M., Darmendrail, D., Ricour, J. (1989) Geochemical filtration of riverbank and migration of heavy metals between the Deûle River and the Ansereuilles alluvion-chalk Aquifer (Nord, France). Geoderma 44(2-3), 229–244.
Bourg, A. C. M., Bertin, C. (1994) Seasonal and spatial trends in manganese solubility in an Alluvial Aquifer. Environ. Sci. Technol. 28(5), 868–876.
DIN (1994) Deutsches Institut für Normung e.V. (Hrsg.), DIN 4049-3:1994-10 Hydrologie – Teil 3: Begriffe zur quantitativen Hydrologie, Beuth-Verlag, Berlin, 1994.
Förstner, U., Grathwohl, P. (2007) Ingenieurgeochemie. Technische Geochemie – Konzepte und Praxis. 2. Aufl., Berlin, Heidelberg: Springer-Verlag.
Gibert, J., Mathieu, J., Fournier, F. (2009) Groundwater/surface water ecotones. Biological and hydrological interactions and management options. International hydrology series. New York: Cambridge University Press.
Gimbel, R., Jekel, M., Ließfeld, R. (2004) Wasseraufbereitung – Grundlagen und Verfahren. DVGW Lehr- und Handbuch Wasserversorgung. 6. Aufl., München, Wien, Oldenbourg: Oldenbourg Industrieverlag.
Grischek, T. (2003) Zur Bewirtschaftung von Uferfiltratfassungen an der Elbe. Dissertation, TU Dresden, Institut für Grundwasserwirtschaft, Dresden: Mitteilungen des Instituts für Grundwasserwirtschaft (4).
Jacobs, L.A., von Gunten, H.R., Keil, R., Kuslys, M. (1988) Geochemical changes along a river-groundwater infiltration flow path: Glattfelden, Switzerland. Geochim. Cosmochim. Acta 52(11), 2693–2706.
Santschi, P., Höhener, P., Benoit, G, Buchholtz-ten Brink, M. (1990) Chemical processes at the sediment-water interface. Marine Chemistry 30, 269–315.
Stumm, W., Morgan, J.J. (1996) Aquatic chemistry. Chemical equilibria and rates in natural waters. 3rd ed., New York: Wiley.
Tufenkji, N., Ryan, J.N., Elimelech, M. (2002) The promise of bank filtration. Environ. Sci.Technol. 36(21), 422A-428A.
Zobrist, J. (2000) Die Qualität von Grundwasser – Resultat biogeochemischer Prozesse. EAWAG news 49d, 15–17.
