Präsentation

02WRS1277
Risikomanagement
von Spurenstoffen und Krankheitserregern
in ländlichen Karsteinzugsgebieten
O
S
O
N
O
N
H2N
Projektlaufzeit: 01.10.2011-31.03.2015
1
Projektteam
Quelle: Schwäbische Zeitung
Dr. Tobias Geyer
Dr. Olav Hillebrand
PD Dr. Tobias Licha
Dr. Karsten Nödler
Sandra Oehlmann
Prof. Andreas Tiehm
Claudia Stange
2
PD Dr. Traugott Scheytt
Ferry Schiperski
Johannes Zirlewagen
Die wichtigsten Ergebnisse vorweg
1. Gemeinsame Analyse von Partikeln (Trübe), organischen Spurenstoffen,
Hauptwasserchemie, Mikrobiologie und hydraulischen Kennzahlen.
Microbial Source Tracking eignet sich gut, um die Herkunft von
Kontaminationen noch genauer zu unterscheiden. Trübe und
Partikelgrößenverteilung kein zuverlässiger Indikator für Wasserqualität.
2. Bodenwasserhaushaltsmodell zur räumlich getrennten Erfassung der schnellen
und langsamen Grundwasserneubildung unter Berücksichtigung von
Bodeneigenschaften und Landnutzung als Werkzeug im Risikomanagement.
3. Art und Zusammensetzung der Substanzen an der Gallusquelle lassen auf
Einträge und Eintragszeiten schließen. Diese stimmen mit Verweilzeitenmodell
überein. Modell prognosefähig und geeignet für Szenarien.
4. Karstgrundwasserleiter haben ein Attenuationspotential.
5. Das Hochwasser 2013 hat im Vergleich zu anderen Starkniederschlagsereignissen keine zusätzliche Belastung der Gallusquelle gezeigt.
6. Ertüchtigung von RÜB und Kanalnetz war effektiv.
3
Schema eines Karstgebietes
Trockental
Doline
Boden
Epikarst
Vadose Zone
Phreatische Zone
Grundwasserspiegel
Geklüftete Matrix
Vorfluter
Röhrensystem
Karstquelle
[verändert nach Geyer (2008)]
4
Einzugsgebiet und Eintrag
Im direkten Einzugsgebiet: keine Kläranlage, kein Gewässer
5
Erfasste Spurenstoffe und ihr Einsatz
•
Zeitliche Indikatorfunktion
Zeitlich begrenzte
Anwendung
Tägliche Anwendung
Blutdrucksenker
Lipidsenker
Antiepileptika
Antirheumatika
Schmerzmittel
Antidepressiva
Antibiotika
Antiallergika
Korrosionsschutz- /
Enteisungsmittel
Röntgenkontrastmittel
Pflanzenschutzmittel
Coffein + Süßstoffe
 58 Spurenstoffe mit Nachweisgrenzen im unteren ng/L - Bereich
6
Abwasser als potentielle Kontaminationsquelle
• Umfangreiche
Probenahme am zentralen
Abwassersammler (n=64)
• Viele Spurenstoffe mit
100% Detektionshäufigkeit
• Leicht abbaubare und
persistente Stoffe:
nutzbar als Indikatoren
Spurenstoff
Max*
Median*
Cyclamat
537,0
253,6
3-Methylxanthin
184,7
88,6
1-Methylxanthin
172,1
81,3
Coffein
132,2
62,3
Paraxanthin
120,6
55,3
Theobromin
111,9
53,6
Acesulfam
111,4
41,6
4-Acetaminoantipyrin
101,9
21,5
Ibuprofen
82,3
26,1
1H-Benzotriazol
70,8
31,8
Paracetamol
68,4
24,8
Diclofenac
37,3
2,7
Theophyllin
18,7
7,3
Tolyltriazol
16,4
5,7
Atenololsäure
14,5
3,6
Metoprolol
6,8
2,3
Sotalol
6,0
1,8
Cotinin
5,8
2,8
Carbamazepin
4,4
0,6
*Konzentrationen in µg/L
7
Spurenstoff-Konzentrationen RÜB Bitz
Konzentration [ng/L]
8
Ertüchtigung des Abwassersystems
Ertüchtigung von Abwassersystem und RÜB als technische
Maßnahme im Rahmen des Risikomanagements
•
•
Langzeitmonitoring des Quellwassers auf organische Spurenstoffe
25.02.2010 – 16.02.2011  356 Tage; 283 Proben
Coffein: 67% Detektionsfrequenz, 123 ng/L maximale Konzentration
•
•
2011-heute  193 Proben
Coffein: 11% Detektionsfrequenz, 21 ng/L maximale Konzentration
 Geringerer Anteil „frischen“ Abwassers in der Gallusquelle!
Hillebrand O, Nödler K, Licha T, Sauter M, Geyer T (2012): Caffeine as an indicator for the
quantification of untreated wastewater in karst systems. Water Research 46(2): 395–402.
9
Zusammenhang zwischen Parametern
Untersuchung des Zusammenhangs zwischen biologischen, chemischen und
hydrogeologischen Parametern bei verschiedenen Abflussereignissen an der
Gallusquelle mit dem Ziel des nachhaltigen Rohwasserschutzes
A
WHO, Water safety plan
G
R
O
10
Schneeschmelze 2012 ohne RÜB Überschlag
11
Starkregen 29. Juli 2013 mit RÜB Überschlag
Cyclamat generell
sensitiverer Indikator
12
Ist die Trübe ein guter Indikator?
Hochwasser 2013 - makroskopisch.
Trübewerte > 100 NTU (üblich < 0,1 NTU)
13
Trübe und Leitfähigkeit: Hochwasser 2013
100
Trübe_DrLange [NTU]
620
80
600
60
580
40
560
20
540
0
Trübe [NTU]
Leitfähigkeit T=25°C [µs/cm]
120
Lf_Multi [µs/cm]
640
5.6.13 0:00
4.6.13 12:00
4.6.13 0:00
3.6.13 12:00
3.6.13 0:00
2.6.13 12:00
2.6.13 0:00
1.6.13 12:00
1.6.13 0:00
31.5.13 12:00
• Leitfähigkeit signalisiert schnelle Grundwasserneubildung:
• Trübe vor schneller Grundwasserneubildung  Autochthon
• An Peaks der schnellen Neubildungskomponente  auch Allochthon (Hinweise
durch org. Spurenstoffe)
14
Trübung und Indikatorbakterien
70
6,E+03
Trübung in NTU
50
4,E+03
40
30
2,E+03
20
10
0
0,E+00
29.02.2012 08.06.2012 16.09.2012 25.12.2012 04.04.2013 13.07.2013
Datum
Trübung WW
E. coli
15
Enterokokken
Keimzahlen in MPN/100 mL
60
Trübung und Antibiotikaresistenzgene
10
70
8
Trübung in NTU
50
6
40
30
4
20
2
Anzahl an Resistenzgenen
60
10
0
29.02. 2012
0
08.06. 2012 16.09. 2012 25.12. 2012 04.04. 2013 13.07. 2013
Datum
Trübung
Resistenzgene
16
Indikatorbakterien: Ereignisvergleich
Starkregen 2012
Hochwasser 2013
70
6000
70
RÜB Überschlag
60
30
2000
20
4000
40
30
2000
20
10
Keimzahlen in MPN/100 mL
40
50
Trübung in NTU
4000
Keimzahlen in MPN/100 mL
Trübung in NTU
RÜB Überschlag
60
50
10
0
30.06.
6000
0
02.07.
04.07.
06.07.
08.07.
0
10.07. 2012
28.05.
0
30.05.
01.06.
03.06.
Datum
Datum
Trübung
E. coli
17
Enterokokken
05.06.
07.06.2013
Antibiotikaresistenzgene: Ereignisvergleich
• Untersuchung auf 11 verschiedene Antibiotikaresistenzgene
Starkregen 2012
Hochwasser 2013
70
10
70
60
30
4
20
2
50
Trübung in NTU
6
40
Anzahl an Resistenzgenen
Trübung in NTU
50
8
6
40
30
4
20
2
10
Anzahl an Resistenzgenen
60
8
0
30.06.
10
10
02.07.
04.07.
06.07.
08.07.
0
10.07. 2012
0
28.05.
Datum
Trübung
0
30.05.
01.06.
03.06.
Datum
Resistenzgene
18
05.06.
07.06. 2013
Trübe und ausgewählte Antibiotikaresistenzgene
70
3,0,E+06
70
3,0,E+06
60
2,5,E+06
60
2,5,E+06
2,0,E+06
40
1,5,E+06
30
1,0,E+06
20
10
5,0,E+05
0
0,0,E+00
Trübung in NTU
50
40
1,5,E+06
30
1,0,E+06
10
5,0,E+05
0
0,0,E+00
28.05. 30.05. 01.06. 03.06. 05.06. 07.06.2013
Datum
sul2
2,0,E+06
20
30.06. 02.07. 04.07. 06.07. 08.07. 10.07. 2012
Trübung
50
Genkopien / 100 mL
Hochwasser 2013
Genkopien / 100 mL
Trübung in NTU
Starkregen 2012
Datum
ermB
Sulfonamid-Resistenzgen, Makrolid-Resistenzgen
19
Microbial Source Tracking als Quellindikator
Einzugsgebiet
E. coli
Eintrag über...
?
zeigt jegliche fäkale
Kontamination an
... Kanalisation
... Oberflächenabfluss
... Landwirtschaft (Gülle, Weide)
macht keine Aussage
über Herkunft
20
Was ist Microbial Source Tracking?
Herkunft identifiziert!
Zielgerichtetes Management
Evaluierung von Maßnahmen
Bacteroides-Bakterien
wirtsspezifisch
21
Microbial Source Tracking
Etablierte Verfahren zum Nachweis von ...
... Bacteroides-Bakterien
unspezifisch
Mensch
Wiederkäuer
... mitochondrialen DNA-Sequenzen
unspezifisch
Mensch
Rind
Huhn
Pferd
mtDNA-Marker sind im Vergleich spezifischer,
aber Bacteroides-Marker sind empfindlicher.
22
Microbial Source Tracking-Marker
Bacteroides
Hochwasser 2013 Starkregen 2012


unspezifisch
Mensch
Wiederkäuer
unspezifisch
mtDNA
Mensch
Rind
Huhn
Pferd
23
Microbial Source Tracking-Marker
mtDNA
Bacteroides
Gesamter Untersuchungszeitraum
Unspezifisch
Mensch
häufiger Nachweis
Starkregen, Schneeschmelze, Hochwasser
Wiederkäuer
vereinzelte Befunde
unspezifisch
häufiger Nachweis
Mensch
Rind
Starkregen
keine Befunde
Huhn
Nachweis im Frühjahr 2012 (März-Mitte Juni) und im März 2013
Pferd
schwache Befunde von Okt.-Nov. 2012 (nicht quantifizierbar)
24
Bestimmung des Abbaupotentials
•
Markierungsversuch, eingegebene Substanzen:
– Referenzsubstanzen (kein Abbau)
• Natriumfluorescein (700 g)
• Acesulfam K (30 g)
• Carbamazepin (10 g)
– Testsubstanzen
•
•
•
•
•
25
Coffein (30 g)
Ibuprofen (30 g)
Natriumcyclamat (30 g)
Paracetamol (30 g)
Atenolol (30 g)
25
Markierungsversuch - Ergebnisse
•
•
•
26
Keine Retardation (keine Sorption im Grundwasserleiter)
Signifikanter Abbau von Atenolol, Coffein, Ibuprofen und Paracetamol
(t1/2= 38-90 h)
Detektion von Atenololsäure (Biotransformationsprodukt)
26
Markierungsversuch - Ergebnisse
•
Kein Abbau von Cyclamat
– Zu 99% abbaubar in Kläranlagen (Lange et al., 2012)
– Entfernung durch Bioabbau in Festbett-Bioreaktor nach einwöchiger
Anlaufphase (Scheurer et al., 2010)
27
27
Zusammenfassung Markierungsversuche
•
•
•
Unerwartet hoher Abbau einiger Substanzen selbst bei schnellem
Transport in Karströhren
Reproduzierbare Halbwertszeiten (Coffein)
Biotransformation konnte als wichtiger Prozess eindeutig
identifiziert werden
Zum Nachlesen:
Hillebrand O, Nödler K, Licha T, Sauter M, Geyer T (2012): Identification of the attenuation potential of a karst
aquifer by an artificial dualtracer experiment with caffeine. Water Research 46 (16), 5381–5388.
Hillebrand O, Nödler K, Sauter M, Licha T (2015): Multitracer experiment to evaluate the attenuation of selected
organic micropollutants in a karst aquifer. Science of The Total Environment 506–507: 338–343.
28
28
Szenarien im Risikomanagement
Abflussregime
Eintrag
Verweilzeit
Austrag
(Gallusquelle)
Trockenwetterabfluss
Abwasserleckagen
gering
Stoffe mit hoher
Konzentration
im Abwasser:
Koffein,
Cyclamat,
Acesulfam
hoch
Stoffe
hoher
Persistenz:
Acesulfam,
Atrazin
29
Neubildungsereignis
Abwasserüberläufe
Landwirtschaft (PBSM)
gering
Stoffe mit hoher
Konzentration
im Abwasser:
Koffein,
Cyclamat,
Acesulfam
hoch
Stoffe hoher
Persistenz
(ACE, ATZ)
werden
verdünnt
Danksagung
- Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF)
- Dechema
- Zweckverband Wasserversorgung Zollernalb, und insbesondere der
Mannschaft des Wasserwerks Hermentingen: Peter Knaus und Thomas
Wessner
- Unterstützende Behörden:
• RP Tübingen (Ehrhart, Maier, Mayer, Klein, Vogel);
• CVUA (Brezger, Gottesmann, Thielert);
• LRA Sigmaringen (Ader, Fromm, Mattes, Sysel, Wieland)
• LRA Zollernalbkreis (Brandt, Maichle)
• Bürgermeister Bitz (Schiele), Ortsvorsteher Hermentingen (Knaus)
30

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