Erste Ergebnisse aus dem DVGW-Projekt Konsequenzen nachlassenden Nitratabbauvermögens von Grundwasserleitern

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1 Erste Ergebnisse aus dem DVGW-Projekt Konsequenzen nachlassenden Nitratabbauvermögens von Grundwasserleitern Werner Raue, enercity Dr. Carsten Hansen, Christoph Nolte, IWW Zentrum Wasser , Hannover

2 Nitrat mg/l Überblick zum DVGW-Vorhaben - Hintergrund - Nitratabbauvermögen von Grundwasserleitern: Pyrit (FeS 2 ) C org Nitrateintrag Zeit Trotz Grundwasserschutzmaßnahmen kann die Nitratkonzentration im Rohwasser steigen oxidierte Zone reduzierte Zone 2

3 Quantifizierung des Nitratabbaupotenzials von Grundwasserleitern Überblick zum DVGW-Vorhaben - Vorgehensweise - Methodenentwicklung: Quantifizierung des Nitratabbauvermögens von Grundwasserleitern Prognosemodelle: Prognose der zukünftigen Nitrat-belastung unter Berücksichtigung der Endlichkeit des Nitrat-Abbauvermögens Gefördert vom DVGW und 16 WVUs (21 Fallbeispiele) ausreichender Untersuchungsstand zur Bewertung Nitratgefährdung des Rohwassers Reaktive Stofftransportmodellierung Prognoserechnung Wirtschaftlichkeitsbetrachtung 4. St. Stoffflussmodellierung Validierung des Nicomat-Verfahrens Wirtschaftlichkeitsbetrachtung 3. Stufe Nicomat Screening 2. Stufe Datenbasiertes Screening 1. Stufe festgelegte Bewertungskriterien 3

4 Kerndaten Wassergewinnung WSG Fuhrberger Feld Rohwasserförderung FFELD: 39 Mio. m³ Rohwasserförderung 2011 Förderung aus m Tiefe Hohe Eisen-, Mangan- und Sulfatgehalte; Nitrat < 1 mg/l 4

5 Aktuelle Grunddaten Land-und Forstwirtschaft WSG FFELD Landwirtschaft (Acker) * Forst- Wirtschaft * Fläche (ha) Nitrat im Sickerwasser Sulfat im Sickerwasser 90 mg/l 10 mg/l 90 mg/l 30 mg/l Sickerwasserspende 240 mm/a 130 mm/a (Nadelwald) 180 mm/a (Laubholz) *: Nitrattiefenprofilmessungen 5

6 Überschlägige Stoffbilanzen für das gesamte FFeld Bilanzierung der Nitratund Sulfat-Einträge und Austräge gewichtet über Flächennutzungsanteile gewichtet über nutzungsspezifische Grundwasser- Neubildungsraten unter Berücksichtigung der mittleren Verweilzeit im GWL Nitrataustrag mittlerer Nitrateintrag mittlere Fließzeit oxidierte Zone reduzierte Zone erste Abschätzung der Nitratabbauleistung erste Abschätzung der Umsatzanteile der Abbaureaktionen 6

7 Überschlägige Stoffbilanzen für das gesamte FFeld Bilanzierung der Nitratund Sulfat-Einträge und Austräge gewichtet über Flächennutzungsanteile gewichtet über nutzungsspezifische Grundwasser- Neubildungsraten unter Berücksichtigung der mittleren Verweilzeit im GWL Ergebnisse erste Abschätzung der Nitratabbauleistung mittlerer Nitrateintrag: 81 mg/l (1985) mittlerer Nitrataustrag: 0,5 mg/l (2010) Nitratabbauleistung: 99 % mittlerer Sulfateintrag: 90 mg/l (1985) mittlerer Sulfataustrag: 130 mg/l (2010) Sulfat Denitr. FeS 2 40 mg/l 40 mg/l Sulfat 36 mg/l Nitrat ~45 % des abgebauten Nitrats erste Abschätzung der Umsatzanteile der Abbaureaktionen Die Denitrifikation im FFeld erfolgt in etwa zu gleichen Teilen durch Pyrit und Corg (?!) 7

8 [mg/l] [mg/l] [mg/l] Detailuntersuchungen Brunnengruppe Elze / Berkhof Auswahl von Brunnen aus der Galerie Elze/Berkhof Brunnen niedrige Sulfat-, Eisenund HCO 3 - -Konz. Brunnen hohe Sulfat-, Eisen- und HCO 3 - -Konz. Hydrogeochemische Stoffflussmodellierung zur Identifikation und Quantifizierung der Prozesse Gesucht: Abbauleistung und Abbauprozesse ,0 7,5 7,0 6,5 6, Sulfat Nitrat Chlorid ph-wert Eisen Calcium HCO3- Magnesium 50 0 Erste Ergebnisse aus dem DVGW-Projekt Konsequenzen nachlassenden 1980 Nitratabbauvermögens von Grundwasserleitern

9 Hydrogeochemische Modelle PhreeqC (USGS, Parkhurst & Appelo 1999) Berechnung chemischer Reaktionen in wässrigen Lösungen auf Grundlage der Gleichgewichtsthermodynamik Speziierung Mn 2+, MnCO 3o, MnHCO 3+ Lösungs- und Fällungsreaktionen CaCO 3 Ca 2+ + CO 3 2- CO 2 (g) CO 2(aq) Irreversible und kinetisch kontrollierte Reaktionen (Umsatz von C org ) Sorptions- und Austauschreaktionen (Tonminerale, Eisenhydroxide) Mischung (Dispersion, Förderbrunnen ) 1D-Transport 9

10 Hydrogeochemische Stoffflussmodelle Nitrat ph Eisen Ableitung Calcium aus / Abgleich mit Einträge aus Düngung Beschaffenheitsdaten des Mangan Bodenluft und Deposition (Nitrat, oberflächennahen Magnesium Grundwassers pco 2, po 2 Ammonium, Sulfat, ) Sulfat Nitrateintrag HCO - Grünlandumbrüche 3 CO 2- Wald Acker 3 Grünland Mineralisation C Pufferung von Al- Kalkdüngung auf org N-Einträge, Oxidation von Eisenmonosulfiden ungesättigte Hydroxosulfaten Ziel-pH-Werte Feldspatverwitterung Fällungsreaktionen organotrophe Denitrifikation (C org ) Chemo-lithotrophe Denitrifikation (Pyrit) Sulfatreduktion Mischung unterschiedlicher Grundwassertypen Zone Grundwasser- Fällung von raum Fe(OH) 3, Al(OH) 3, oxidierte Zone nitratbelastetes GW Kein Nitratabbauvermögen reduzierte Zone Kein Nitrat im GW, Nitratabbauvermögen noch vorhanden 10

11 [mg/l] [mg/l] [mg/l] Detailuntersuchungen Brunnengruppe Elze / Berkhof Brunnen 32 38, Abgleich gemessen - berechnet Relevante Prozesse: Intensivierung der Flächennutzung (Acker: mg/l) (Grünland: mg/l) Grünlandumbruch (9 mmol FeS, > 200 mg/l Nitrat; Mischungsanteil RohW: 4 %) organotrophe Denitrifikation: ~ 0,1 mmol C org /(l a) lithotrophe Denitrifikation (FeS 2 )!!! Sulfatreduktion ~ 0,01 mmol C org /(l a) ,0 7,5 7,0 6,5 6, Modell Sulfat Modell Chlorid Modell Nitrat Grünlandumbruch Intensivierung der Nutzung auf Acker- und Grünlandflächen ph-wert Calcium HCO3- Magnesium FeS 2 -Zehrung (?) Eisen 0 Erste Ergebnisse aus dem DVGW-Projekt Konsequenzen nachlassenden 1970 Nitratabbauvermögens 1980 von Grundwasserleitern

12 Relativer Anteil der Prozesse am Nitratabbau [%] Detailuntersuchungen Brunnengruppe Elze / Berkhof Brunnen 32 38, Abgleich gemessen - berechnet Relevante Prozesse: Intensivierung der Flächennutzung (Acker: mg/l) (Grünland: mg/l) Grünlandumbruch (9 mmol FeS, > 200 mg/l Nitrat; Mischungsanteil RohW: 4 %) organotrophe Denitrifikation: ~ 0,1 mmol C org /(l a) lithotrophe Denitrifikation (FeS 2 )!!! Sulfatreduktion ~ 0,01 mmol C org /(l a) 100 Abbauleistung des GWL 80 Abbau durch Pyrit Abbau durch Corg Förderjahr 12

13 Ergebnisvergleich Wassergewinnung: Stoffbilanzen für das FFeld: Denitrifikation erfolgt zu gleichen Teilen durch C org und FeS 2 Brunnen Elze-Berkhof: Denitrifikation erfolgt nahezu ausschließlich durch Pyrit Gibt es an Pyrit verarmte / pyritarme Bereiche? 13

14 Ergebnisse von Redox-Tiefenprofilen in voll verfilterten GWM 14

15 Fazit Im FFELD erfolgt der Nitratabbau durch Pyrit und C org In den detailliert untersuchten Brunnen der Fassung Elze/Berkhof läuft der Nitratabbau praktisch ausschließlich über Pyrit Deutliche Redoxsprünge in voll verfilterten GWM zeichnen die Trennung zwischen der oxidierten und der reduzierten Zone des GWL gut nach In einzelnen GWM ist der Redoxsprung bereits auf die Entnahmetiefe der Förderbrunnen abgesunken Erhalt der verbleibenden Denitrifizierungspotenziale wichtig für nachhaltige Trinkwasservesorgung Ca. 1/3 des Nitrateintrags wird aktuell im FFELD durch GW-Schutz beeinflusst/reduziert. Effektiver Grundwasserschutz verlängert die Lebensdauer des Nitratabbauvermögens eines Grundwasserleiters Umsetzung landw. Fachrecht (DVO 60 kg N- Saldo) könnte in Nds. den Nitrateintrag um etwa 1/3 senken. Nitratabbaupotential ist ein öffentliches, schützenswertes Gut 15

16 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Kontakt: Werner Raue, enercity Dr. Carsten Hansen, Christoph Nolte, IWW Zentrum Wasser