Untersuchungen Zur Nachhaltigen Wirkung Der Uferfiltration Im Wasserkreislauf Berlins
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Untersuchungen zur nachhaltigen Wirkung der Uferfiltration im Wasserkreislauf Berlins von Dipl.-Ing. Dörte H. Ziegler, MSc Von der Fakultät III- Prozesswissenschaften der Technischen Universität Berlin zur Erlangung des akademischen Grades Doktorin der Ingenieurwissenschaften -Dr.-Ing.- genehmigte Dissertation Promotionsausschuss: Vorsitzender: Prof. Dr.-Ing. U. Wiesmann Berichter: Prof. Dr.-Ing. M. Jekel Berichter: Prof. Dr. A. Pekdeger Tag der wissenschaftlichen Aussprache: 24.4.2001 Berlin 2001 D 83 Danksagung Diese Arbeit wäre ohne die Hilfe und gute Zusammenarbeit mit vielen verschiedenen Leuten nicht zustande gekommen, denen an dieser Stelle herzlichst gedankt sein soll: Zunächst möchte ich mich bei Prof. Dr. Jekel für die Überlassung des Themas bedanken und für den Freiraum, den er mir bei der Gestaltung meiner Arbeit gelassen hat. Den Mitarbeitern der Berliner Wasser Betriebe, insbesondere Herrn Dr. Ehbrecht, Herrn Dr. Dünnbier und Herrn Dr. Rohrbach danke ich für die Finanzierung dieser Arbeit sowie für die inhaltliche Begleitung. Für Informationen und Diskussionen, für die Bereitstellung von Daten und für die hilfreiche Mitarbeit sei allen anderen Mitarbeitern der BWB herzlichst gedankt, vor allem: Herrn Stengel, Herrn Zippel, Herrn Schmolke, Herrn Zajic, Frau Meyer, Frau Puhlmann, Frau Lange, Herrn Böhme, Herrn Hlozek, Herrn Krupop, Herrn Otto, Herrn Buchholz, Frau Block, Frau Rademacher, Frau Böhlke, Frau Heymann, Herrn Dr. Heinzmann, und vielen vielen mehr! Ganz besonders möchte ich mich auch bei Frau Birgit Fritz und Herrn Prof. Dr. Pekdeger sowie den studentischen Hilfskräften von der FU Berlin bedanken, und zwar für die Probenahme bei Wind und Wetter an Tegeler See und Müggelsee durch Frau Fritz und ihre Studenten, die vielen inhaltlichen Diskussionen zur Berliner Hydrogeologie und insbesondere zur Uferfiltration mit Frau Fritz, und bei Prof. Pekdeger für die hilfreichen Gespräche sowie vor allem für die Übernahme des Koreferats. Weiterhin möchte ich Dr. Jörg E. Drewes für die anfängliche Begleitung meiner Zeit als Doktorandin sowie für die Ermöglichung eines Forschungsaufenthaltes an der Arizona State University herzlichst danken. Many thanks also to Prof. Peter Fox from ASU, Department of Civil & Environmental Engineering! Vielen herzlichen Dank auch an Dr. Finke von der Bundesanstalt für Gewässergüte, Außenstelle Berlin, für die Erläuterungen zum Berlin-Baustein des Langfrist- bewirtschaftungsmodells der Spree sowie an Herrn Neumann und Herrn Klein von der Senatsverwaltung für Stadtentwicklung Berlin für die vielen Informationen zu den Berliner Gewässern. Gedankt sei auch den Mitarbeitern der Senatsverwaltung für Stadtentwicklung Berlin, des Landesumweltamtes Brandenburg und des Wasser- und Schiffahrtsamtes Berlin für die Bereitstellung von Datenmaterial zu Abflüssen und Güte der Berliner und Brandenburger Gewässer. Frau Anke Sachse und Herrn Thomas Rossoll vom Institut für Gewässerökologie und Binnenfischerei danke ich für die Durchführung der Gelchromatografie. Für viele Informationen zu Berlin sowie für den Zugang zu verschiedenen Tagungen geht mein Dank an die Mitarbeiter des Projekts „Nachhaltige Wasserwirtschaft“, vor allem an Ralph Heinrich vom Umweltbüro Möller & Darmer sowie an Dr. Bodo Weigert vom IFV Wasserforschung e.V.. Im Rahmen dieser Arbeit haben verschiedene StudentInnen ihre Projekt- und Diplomarbeiten angefertigt bzw. tatkräftig mitgeholfen. Herzlichen Dank an (in chronologischer Reihenfolge): Corinna Hornemann, Martin Gorny, Oliver Hauser, Lutz Kerber, Darla Nickel, Mathias Hohmann, Ines Wappler, Paul Morris, Annette Köhler und Claudia Reichenbach. Dank I Bernhard Wunder geschah auch ein „Wunder“. Tausend Dank auch an Ulrike Förster, deren Hilfe im Labor zum Schluß unersetzlich wurde, sowie für viele Geheimtips Dank an Frau Friedrich und Jutta Jakobs. Herrn Wölfel von der Firma Wölfel Analytik GmbH danke ich herzlichst für viele Hilfestellungen zur Instandsetzung des TOC-Gerätes. Für inhaltliche Diskussionen, Aufmunterungen und viele nicht-fachliche Gespräche über Gott und die Welt danke ich meinen Kollegen (in alphabetischer Reihenfolge): Andreas Grangler, Anke Putschew, Arne Genz, Britta Zywicki, Claudia Hartig, Guido Glauner, Ilka Teermann, Irena Savric, Karsten Karschunke, Mathias Ernst, Natascha Klinkow, Reiner Enders, Rodny Peñafiel, Sabine Wischnack, Silke Karcher, Thomas Storm und Thorsten Reemtsma. An Sabine und Claudia ein besonderes Dankeschön für die inhaltliche Zusammenarbeit zur Uferfiltration, und an Reiner für viele hilfreiche Diskussionen zur Berliner Wasserwirtschaft! Zum Schluß ein dickes Dankeschön an meine Freunde und Familie, vor allem aber an meine Eltern und meinen Bruder, und ganz besonders an Elmar, die mir alle mit viel Geduld und Liebe zur Seite standen. II I Zusammenfassung Ca. 75 % des Berliner Trinkwassers besteht aus lokal gefördertem Uferfiltrat bzw. künstlich angerei- chertem Grundwasser (Schulze 1997). Gleichzeitig leiten Berlins teilweise stromaufwärts von Uferfiltratstrecken eingeleitet. Szenarien prognostizieren zudem einen lokalen Anstieg der Abwasseranteile (Schumacher & Skripalle 1999, Heinzmann 1997). Da Kläranlageneinleitungen zu Stoffeinträgen führen, die trotz Bodenpassage und Wasseraufbereitung bis ins Trinkwasser gelangen können, wurden sowohl die Reinigungsleistung der Berliner Uferfiltration für organische Stoffe (DOC) sowie der Einfluss erhöhter Abwasseranteile untersucht. Das Hauptaugenmerk der Untersu- chungen lag auf der Selbstreinigungskraft sowie dem Regenerationsvermögen der Ressource Wasser, deren Erhalt im Sinne einer Nachhaltigen Wasserwirtschaft gefordert wird (Lehn et al. 1999). Über zwei Jahre wurden die gelösten organischen Stoffe an Uferfiltrationsstrecken an Tegeler See und Müggelsee in Berlin untersucht. Im Mittel werden ca. 20-45 % des DOC bei der Bodenpassage entfernt. Mit Bodensäulen gelingt eine Elimination von 30 % des DOC nach drei Metern. Vor allem höhermolekulare Anteile des DOC werden bei der Uferfiltration eliminiert, insbesondere eine den Polysacchariden zugeordnete Fraktion (®LC-OCD). Das Ads orptionsverhalten der gelösten organi- schen Stoffe (®Adsorptionsanalyse) ist sowohl vor als auch nach der Bodenpassage als schlecht ein- zuordnen. Die Reinigungsleistung der Uferfiltration für den DOC ist in Berlin -Tegel seit Jahrzehnten stabil und hängt vor allem von der Oberflächenwasserqualität ab. Kläranlageneinleitungen erhöhen den refraktären Teil organischer Verbindungen (RDOC) in den Berliner Gewässern. Sie tragen aber nicht zu einer wesentlichen Veränderung des Charakters des DOC bei in Bezug auf Molekulargewichtsverteilung, Adsorptionsverhalten oder Verteilung der funk- tionellen Gruppen (®13C-NMR). In Tegel trägt eine Phosphateliminierungsanlage (Fe-Flockung) zur Reduktion von ca. 25-30 % der zum Teil kläranlagenbürtigen organischen Stoffe bei. Entfernt wird vor allem der hochmolekulare huminstoffähnliche Anteil. Am Beispiel Berlin Tegels, wo für Berlin die höchsten Abwasseranteile im Trinkwasser von ca. 14- 28 % vorliegen, wurden die Grenzen der indirekten Abwasserwiederverwendung untersucht. Zunächst wurden für RDOC, Chlorid und Sulfat die irreversiblen Stoffeinträge durch Wasserverbraucher sowie Kläranlagen bilanziert, indem die Stofffrachten des Berliner Trinkwassers denen der Kläranlagen- abläufe gegenübergestellt wurden. Die resultierenden Stoffeinträge (75-90 mg/l Chlorid, 35-45 mg/l Sulfat, 4-5 mg/l RDOC) werden in einem Modell (TegelSIM) zur Prognose der Trinkwasserkonzentra- tionen bei erhöhten Abwasseranteilen verwendet. TegelSIM zeigt, dass bei Rückführung von 60 % Trinkwasser zu der Kläranlag e, deren Abwässer wieder zur Trinkwassergewinnung beitragen, bis zu Abwasseranteilen von 90 % im Trinkwasser keine problematischen Sulfat-, Chlorid- oder RDOC- Konzentrationen erreicht werden (Worst-Case: 248 mg/l SO4, 207 mg/l Cl, 7,7 mg/l RDOC). Für persistente Stoffe läßt sich die relative Trinkwasserkonzentration bezogen auf den Stoffeintrag je nach Abwasseranteil im Trinkwasser berechnen. Derzeit betrügen die Konzentrationen im Tegeler Trinkwasser infolge Verdünnung ca. 1/3 des Stoffeintrags eines persistenten bzw. refraktären Stoffes. Die Uferfiltration und künstliche Grundwasseranreicherung in Berlin tragen aufgrund ihrer langfristig fortbestehenden Reinigungsleistung und ihres geringen Energie- und Wartungsbedarfs zu einer nachhaltigen Wasserwirtschaft bei. Das Berliner System, in dem es teilweise zur indirekten Abwasser- wiederverwendung kommt, stößt allerdings mit Bezug auf die Selbstreinigungskraft insbesondere bei persistenten organischen Einzelstoffen an seine Grenzen. III II Abstract About 75 % of Berlin´s drinking water is bank filtrate or artificially recharged groundwater. At the same time, Berlin´s treated wastewater is being discharged partially upstream of bank filtration sites. The surface water flow into Berlin is with about 53 m³/s relatively low. Due to lower groundwater abstraction for lignite coal mining upstream of Berlin, the first two decades of the 21st century will see a further reduction of this surface water flow to about 30 m³/s (Finke 2000). As a consequence, the portions of treated wastewater might increase in Berlin´s surface waters used for bank filtration and groundwater recharge. To ensure a high quality of the city´s drinking water, more information on the purification potential of Berlin´s bank filtration systems is required as well as increased knowledge about the consequences of increased wastewater portions in drinking water sources. This thesis investigates