Wasser- und Stoffströme

   
 
Flyer TP 02

TP 02:
Wasser- und Stoffhaushalt Berlin

Ziele

Ziele

Ziel war die Entwicklung einer Systemlösung, welche die weitergehende Reinigung von Abwasser direkt mit der Wiederverwendung der Ressourcen Wasser und Pflanzennährstoffe verbindet. Versuchsstandort waren die ehemaligen Rieselfelder Hobrechtsfelde (Berlin). Über technische Feuchtgebiete wird heute dort gereinigtes Abwasser aufgeleitet. Die Leistungsfähigkeit der technischen Feuchtgebiete zur Nachreinigung (Denitrifikation, Desinfektion etc.) und zur Produktion von Sumpfpflanzen wurde bestimmt. Im anschließenden Lietzengrabensystem (Einzugsgebiet des Gewässers 2. Ordnung Panke) wurde die Abflussbildung und ihre Veränderung aufgrund des ausgebrachten Klarwassers und des regionalen Klimawandels aufgeklärt. Es sollte gezeigt werden, inwieweit durch Wassermanagement extreme Witterungsereignisse hydraulisch gepuffert und Schadstoffausträge vermindert werden können.

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Vorgehensweise

Vorgehensweise

Auf den technischen Feuchtgebieten wurden Pflanzennährstoffe und hygienische Indikatoren analysiert. Die Oberflächenwasser und Grundwassermengen wurden gemessen. Auf stofflicher Seite wurden Oberflächen-, Schichten- und Grundwasser sowie Sedimente untersucht auf Nährstoffe, Schwermetalle und eine Auswahl an Spurenstoffen (Kooperation mit TP 03 in Abstimmung mit den Behörden). Die Kopplung von Grundwasser- und hydrologischen Modellen erlaubte die Simulation des Wasserhaushalts und die Ableitung von Strompfaden für den Stofftransport. Als Ergebnis wurden "Empfehlungen zum Risiko-basierten Management der Verwendung von gereinigtem Abwasser in der Landschaft" erarbeitet.

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Mitarbeiter

Teilprojektleitung

Regina Gnirß
Dr. Uwe Dünnbier
Berliner Wasserbetriebe (BWB)

 

Mitarbeiter(innen)

Sebastian Rudnick (IGB)
Fabian Hecht (FU Berlin)
Sabine Rühmland (TU Berlin)

 

Partner

Prof. Dr. Gunnar Nützmann (IGB)
Dr. Thomas Taute (FU Berlin)
Prof. Dr. Matthias Barjenbruch (TU Berlin)
Dr. Klaus Möller (UBB)

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Zentrale Ergebnisse

Wechselwirkungen zwischen gereinigtem Abwasser und Grundwasser

Die Aufleitung hat sich als wichtig für die Stabilisierung des Wasserhaushalts der ehemaligen Rieselfelder Hobrechtsfelde erwiesen, das Grundwasser war pflanzenverfügbar und die drainierende Wirkung der alten Ableitgräben wurde gedämpft. Wasser wurde erfolgreich länger in der Landschaft gehalten. Die technischen Teichanlagen infiltrierten 25% (Teich 12, gedichtet) bis 30% (Teich 11, ungedichtet) des aufgeleiteten Wassers in den oberen Grundwasserleiter. Es ist ein sensibles System, welches unmittelbar auf Änderungen der aufgeleiteten Menge reagierte, was besonders deutlich in Abbildung 1 zu erkennen ist, als die Zuleitung zu Teich 11 für 30 Tage unterbrochen war.

Schwermetalle blieben erfolgreich fixiert, nur noch geringe Mengen waren im Grundwasser nachweisbar, diese stammen noch aus der Rieselfeldbewirtschaftung. Die Nährstoffe (Nitrat, Phosphat) des aufgeleiteten gereinigten Abwassers wurden abgebaut, das Redoxmilieu entlang der Grundwasserfließpfade war reduzierend. Persistente anthropogene Spurenstoffe wurden hauptsächlich verdünnt, Transformationsprodukte (Metabolite) wurden ebenfalls nachgewiesen. In den technischen Teichanlagen wurden photosensitive Spurenstoffe reduziert.

Abbildung 1: Hydraulik von Teich 11, deutlich zu erkennen ist die Unterbrechung der Aufleitung im Teich und den Messstellen im Abstrom (F. Hecht)

 

Technische Feuchtgebiete zur Nachreinigung von Abwasser

Technische Feuchtgebiete sind zur nachgeschalteten Abwasserreinigung ohne Energieeinsatz geeignet (Abb. 2). Die sieben bewachsenen Bodenfilter und Abwasserteiche im technischen Maßstab verringerten die geringen Stickstoffzulauf-konzentrationen von 11 mg/l ganzjährig durch Denitrifikation: Je nach Verfahren im Mittel um 35 bis 70 %, ohne Dosierung einer externen Kohlenstoffquelle. In der Abwasserdesinfektion wurden E. coli um 1,7 bis 2,3 Zehnerpotenzen reduziert und erreichten in fast allen Anlagen Badegewässerqualität. Kurzzeitige Volumenstöße zwischen 160 mm/8 h und 200 mm/6,5 h wurden hydraulisch, stofflich und hygienisch gut abgepuffert. 13 Arzneimittel und Arzneimittelrückstände (darunter Diclofenac, O-Desmethylvenlafaxin und Metoprolol) wurden in wenigstens einer der drei getesteten Anlagen um mehr als 70 % entfernt. Photoabbauexperiment in situ zeigte, dass der lichtinduzierte Abbau ein wichtiger Eliminationsmechanismus u.a. für Diclofenac und 3-Hydroxycarbamazepin ist. Die hyraulische Belastbarkeit wird als Auslegungsgröße empfohlen. Anlage „Sandfilter mit Längsgräben“ verband die Vorteile der relativ hohen Wasserdurchlässigkeit mit der stabileren Denitrifikation der Bodenfilter.

Abbildung: Technische Feuchtgebiet zur Nachreinigung von Abwasser

 

Wasserhauhaltsmodellierung

Mit Hilfe des gekoppelten Wasserhaushaltsmodells ArcEGMO-PSCN-ASM konnten gemessene Abflussganglinien in den Oberflächengewässern und Grundwasserganglinien mit sehr guter Genauigkeit reproduziert werden. Durch verschiedene Modellerweiterungen wurden die Berechnungen weiter präzisiert. Als Alleinstellungsmerkmal kann die Berücksichtigung der aufwachsenden Vegetation mit Hilfe des Moduls PSCN und die Möglichkeit der Implementierung wasserbaulicher Maßnahmen angesehen werden, die es in dieser Form sonst nicht gibt. Das aktualisierte Modell konnte insgesamt als plausibel bewertet werden. Die Ergebnisse der Simulation der ober- und unterirdischen Abflussbildung im Lietzengraben-Einzugsgebiet demonstrieren einerseits, ob und wie die zum Teil schon realisierten wasserbaulichen Maßnahmen funktionieren, und andererseits, welche Zielwasserstände mit der Abwasserbeaufschlagung anzustreben sind, um in ausgewiesenen Bereichen eine hydrologische Trockenheit zu vermeiden. Die erzielten Ergebnisse bilden die hydrologische Grundlage für die Ableitung von Maßnahmen für eine nachhaltige Verbesserung des Wasserhaushalts im Lietzengraben-Einzugsgebiet und besitzen darüber hinaus Modellcharakter für geographisch-klimatisch-hydrologisch ähnliche Gebiete im Nordostdeutschen Tiefland.