Aufbereitung und Reinigung von Grundwasser

• 1. Einführung in das Thema Grundwasser
• 2. Definition eines Grundwasserleiters und Arten von Grundwasserleitern
• 3. Grundwasserverschmutzung
• 4. Überwachung der Grundwasserqualität
• 5. Verfahren zur Grundwasseraufbereitung
• 6. Zusammenfassung

1. Einführung in das Thema Grundwasser

Grundwasser ist das Wasser, das sich unter der Erdoberfläche befindet, in porösen Böden oder in den Hohlräumen von Gesteinsformationen. Eine Ansammlung von Grundwasser wird alsGrundwasserleiterbezeichnet,wennsie eine für den menschlichen Gebrauch ausreichende Wassermenge liefern kann. AlsGrundwasserspiegel bezeichnet man die Tiefe, in der sich diese Hohlräume befinden, in denen das Gestein Wasser enthält.

Regenwasser sickert durch den Boden, bis es auf das darunterliegende Gestein trifft. Dieser Wasserstrom fließt aufgrund der Schwerkraft langsam nach unten und gelangt schließlich in Bäche, Seen und Ozeane.

Man geht gewöhnlich davon aus, dass Grundwasser stets vorhanden ist, Hohlräume ausfüllt und durch Gänge fließt; dies ist jedoch nicht immer der Fall, da es sich auch in den Poren des Gesteins- oder Sedimentuntergrunds befinden kann, die es wie ein Schwamm zurückhalten. Die einzige nennenswerte Ausnahme bilden lösliche Gesteine wie Kalkstein, da diese dem sogenanntenKarstbildungsprozess unterliegen, bei dem das Wasser Schluchten, Höhlen und andere Durchflusswege aushöhlt.

Normalerweise wird Grundwasser mithilfe von Pumpanlagen an die Oberfläche gefördert, es kann jedoch auch auf natürliche Weise durch Quellen und Versickerungen austreten und so Gewässer wie Oasen, Sümpfe oder Seen bilden. Darüber hinaus wird Grundwasser auch durch den Bau von Brunnen gewonnen, um es in der Landwirtschaft, in der Industrie und für den menschlichen Gebrauch zu nutzen.

Das Grundwasser macht etwa 30 % des gesamten auf der Erde verfügbaren Süßwassers aus; sein Volumen ist größer als die in Seen oder Flüssen gespeicherte Wassermenge, jedoch geringer als die in Gletschern gespeicherte.

Grundwasser versorgt ein Drittel der Weltbevölkerung, ist jedoch aufgrund seiner hohen Schadstoffbelastung – verursacht durch menschliche Aktivitäten (Landwirtschaft, Industrie, Erdöl und Erdgas, Abfälle usw.) – sowie aufgrund des Mineralgehalts im Untergrund (Fluorid, Arsen, Eisen usw.) schwer zu bewirtschaften.

Die Wiederverwendung dieses Wassers – sei es als Trinkwasser oder für industrielle bzw. landwirtschaftliche Zwecke – erfordert spezifische Aufbereitungsmaßnahmen, die auf das jeweilige Grundwasserleiter abgestimmt sind. Daher sind umfassende Analysen und eine kontinuierliche Überwachung unerlässlich, da es je nach Niederschlagsmenge, Standort und Bodenbeschaffenheit zu Schwankungen kommt.

2. Definition eines Grundwasserleiters und Arten von Grundwasserleitern

Ein Grundwasserleiter ist eine Ansammlung von Wasser in den Poren oder Rissen einer durchlässigen Gesteinsmasse, die dessen Zirkulation ermöglicht. Der Grundwasserleiter besteht aus einer oder mehreren unterirdischen Gesteinsschichten oder anderen geologischen Schichten, die über eine ausreichende Porosität und Durchlässigkeit verfügen, um den Wasserfluss zu ermöglichen.

Ein Grundwasserleiter besteht im Wesentlichen aus zwei Zonen:

• Die Sättigungszone, die sich oberhalb der undurchlässigen Schicht befindet, in der das Wasser die Poren des Gesteins vollständig ausfüllt. Die obere Grenze dieser Zone, die sie von der Porenwasserzone oder Belüftungszone trennt, ist der Grundwasserspiegel und variiert je nach den Umständen. Die Sättigungszone sinkt in Trockenperioden, wenn sich der Grundwasserleiter nicht oder nur langsamer als er entleert auffüllt, und steigt hingegen in feuchten Perioden an.                                 
• Belüftungszone oder Vadosezone, d. h. der Bereich zwischen dem Grundwasserspiegel und der Oberfläche, in dem nicht alle Poren mit Wasser gefüllt sind.

Je nach ihrer Struktur kann man zwischen ungesättigten und gesättigten Grundwasserleitern unterscheiden.

• Geschlossene oder eingeschlossene Grundwasserleiter: Hierbei handelt es sich um Formationen, in denen das Grundwasser zwischen zwei undurchlässigen Schichten eingeschlossen ist und einem Druck ausgesetzt ist, der über dem atmosphärischen Druck liegt. Es nimmt Regenwasser nur über einen Bereich auf, in dem durchlässige Materialien vorhanden sind.
• Halbgeschlossene Grundwasserleiter: Ein Grundwasserleiter wird als halbgeschlossen bezeichnet, wenn die ihn bedeckende Bodenschicht eine deutlich geringere Durchlässigkeit aufweist als der Grundwasserleiter selbst, jedoch nicht undurchlässig ist, sodass sich diese Art von Grundwasserleitern über diese Schicht entleeren und wieder auffüllen kann.

Grundwasserleiter lassen sich auch nach ihrer Zusammensetzung oder Beschaffenheit klassifizieren:

• Poröse Grundwasserleiter. In diesen ist das Grundwasser in miteinander verbundenen Poren eingeschlossen, was den internen Wasserfluss erschwert. Ein Beispiel hierfür sind die Sand- und Kiesformationen in Schwemmlandgebieten, in denen Ton eine maximale Porosität und Speicherkapazität aufweist, jedoch keinerlei Durchlässigkeit.

Spalten-Grundwasserleiter. Hierbei handelt es sich um Grundwasserleiter, in denen sich das Wasser in Spalten oder Klüften befindet, die zudem miteinander verbunden sind und so verteilt sind, dass sich die internen Wasserströme heterogen verhalten. Als Beispiel seien hier die Karst-Grundwasserleiter genannt.

Küstengrundwasserleiter

Küsten-Grundwasserleiter können ebenfalls frei, begrenzt oder halbbegrenzt sein. Der Unterschied besteht darin, dass dort Flüssigkeiten mit zwei unterschiedlichen Dichten vorkommen: Süßwasser und Salzwasser, wobei das Süßwasser eine geringere Dichte aufweist.

Aufgrund dieses Dichteunterschieds liegt das Süßwasser im Küstenbereich über dem Salzwasser. Das Salzwasser dringt in Form eines Salzkegels in das Binnenland vor, der sich mit zunehmender Eindringtiefe immer weiter vertieft.

Das Einzugsgebiet der Küstengrundwasserleiter wird zudem durch Niederschläge oder durch unterirdische Zuflüsse aus anderen Einzugsgebieten gespeist. Der Wasserabfluss erfolgt hingegen durch Evapotranspiration, Verdunstung und durch den unterirdischen Abfluss ins Meer.

Grundwasseranreicherung

Das Grundwasser wird normalerweise durch aktive Wiederauffüllungsprozesse von der Oberfläche her erneuert, weshalb die Zeit, die für die vollständige Erneuerung eines Grundwasserspeichers benötigt wird, sehr lang sein kann. In einigen Fällen wird dieser Erneuerungsprozess durch die Undurchlässigkeit der darüber liegenden geologischen Schichten oder durch klimatische Umstände wie Dürreperioden unterbrochen.

Die Grundwasserneubildung kann direkt oder indirekt erfolgen, je nachdem, ob das Regenwasser direkt in den Grundwasserspiegel gelangt oder ob die Niederschläge zunächst verschiedene Bodenschichten durchdringen müssen, bevor sie in das Grundwasser gelangen.

Niederschlagswasser (Regen, Schnee usw.) kann, sobald es den Boden erreicht, verschiedene Wege nehmen:

• Als Oberflächenabfluss bezeichnet man den Teil des Wassers, der über die Bodenoberfläche abfließt und Bäche und Flüsse bildet.
• Ein weiterer Teil des Wassers verdunstet aus den obersten Bodenschichten oder gelangt durch die Transpiration von Organismen, insbesondere von Pflanzen, in die Atmosphäre.
• Schließlich sickert ein weiterer Teil in den Boden ein und wird zu Grundwasser.

Der Anteil der Versickerung am gesamten Niederschlag hängt von verschiedenen Faktoren ab:

• Die Lithologie, die sich auf die Beschaffenheit des an der Oberfläche zutage tretenden geologischen Materials bezieht, wirkt sich durch ihre Durchlässigkeit aus, die von der Porosität, der Rissbildung und der Mineralogie des Untergrunds abhängt.
• Ein weiterer Faktor, der die Versickerung beeinflusst, ist einmehr oder weniger starkes Gefälle.
• Dichte Vegetationhat vielfältige Auswirkungen. Einerseits verringert sie die Wassermenge, die den Boden erreicht, andererseits sind die Wurzeln durchlässiger, und das aus der Vegetation tropfende Wasser verlängert die Wirkung der Niederschläge.

Die Geschwindigkeit, mit der sich das Wasser bewegt, hängt vom Volumen der Hohlräume (Porosität) und vom Grad ihrer Verbindung untereinander ab. Sind die Poren groß genug, zirkuliert ein Teil des Wassers unter dem Einfluss der Schwerkraft frei durch sie hindurch, während ein anderer Teil durch Kapillarkräfte oder durch die Wechselwirkung zwischen dem Wasser und den Mineralmolekülen zurückgehalten wird,

Austrocknung und Raubbau

Brunnen können austrocknen, wenn der Grundwasserspiegel unter ihre ursprüngliche Tiefe absinkt, was gelegentlich in Dürrejahren vorkommt. Der Grundwasserneubildungsprozess kann durch andere Ursachen beeinträchtigt werden, wie zum Beispiel:

• Die Wiederaufforstung begünstigt zwar die Versickerung gegenüber dem Oberflächenabfluss, fördert jedoch noch stärker die Verdunstung.
• Eine Zunahme der Fläche undurchlässiger Bodenbeläge, wie sie in städtischen und industriellen Gebieten zu beobachten ist.

Ein Absinken des mittleren Grundwasserspiegels tritt immer dann auf, wenn kontinuierlich Wasser aus dem Grundwasserleiter entnommen wird. Dieser Rückgang bedeutet jedoch nicht, dass der Grundwasserleiter übernutzt ist. Eine Übernutzung liegt vor, wenn die gesamte Wasserentnahme die Grundwasserneubildung übersteigt.

3. Grundwasserverschmutzung

Grundwasser ist in der Regel süß und trinkbar, da die unterirdische Zirkulation das Wasser von Schadstoffen und Schadorganismen reinigen kann. Dennoch kann das Wasser aus verschiedenen Gründen bereits verunreinigt in den Grundwasserleiter gelangen:

• Landwirtschaftliche Tätigkeit, die zum Eindringen von Nitrat und anderen leicht löslichen chemischen Düngemitteln führt.
• Abwassereinleitungen aus Fabriken.
• Die unsachgemäße Entsorgung von Siedlungsabfällen.
• Chemikalien aus dem Haushalt.
• Wasserspeicher, Klärgruben und Mülldeponien.
• Natürliche Faktoren. Zum Beispiel, wenn die Grundwasserleiter einen zu hohen Gehalt an gelösten Salzen aufweisen oder wenn bestimmte Gesteinsformationen einer natürlichen Erosion unterliegen.

Die am häufigsten im Grundwasser vorkommenden Schadstoffe sind:

• Industrielle organische Verbindungen wie Lösungsmittel, Pestizide, Farben, Lacke usw.
• Brennstoffe wie Kohlenwasserstoffe.
• Nitrate aus verschiedenen Quellen: Düngemittel, schlecht funktionierende Klärgruben, nicht abgedichtete Ablagerungsbecken für feste Abfälle oder das Versickern von unbehandeltem Abwasser.

Verunreinigungen können aus folgenden Gründen über lange Zeiträume im Grundwasser verbleiben:

• Die geringe Erneuerungsrate.
• Die lange Dauer seines Aufenthalts.
• Aufgrund ihrer schwer zugänglichen Lage lässt sie sich nicht ohne Weiteres behandeln.

In sehr begrenzten, lokal begrenzten Verschmutzungsgebieten kann diePump-and-Treat-Methode angewendet werden, bei der Wasser aus dem Grundwasserleiter entnommen, entsprechend aufbereitet und anschließend wieder in den Grundwasserleiter zurückgeleitet wird.

Das Grundwasser in Küstengebieten kann durch Vermischung mit Meerwasser verunreinigt werden. Dies geschieht, wenn die Entnahmerate sehr hoch ist, da dies das Eindringen von Meerwasser in die Süßwasser-Grundwasserleiter begünstigt. Dieses Problem lässt sich durch eine Änderung der Lage der Brunnen oder durch die Errichtung weiterer Brunnen beheben, die das Salzwasser vom Süßwasser-Grundwasserleiter fernhalten. Solange jedoch die Entnahme die Süßwasserneubildung übersteigt, bleibt eine Verunreinigung durch Salzwasser weiterhin möglich.                                                                  

Hauptursachen für die Verschmutzung des Grundwassers

Verschmutzungsquelle	Art des Schadstoffs
Landwirtschaftliche Tätigkeit	Nitrate, Ammoniak, Pestizide, fäkale Mikroorganismen
Vor-Ort-Sanierung	Nitrate, fäkale Mikroorganismen, Spuren synthetischer Kohlenwasserstoffe
Tankstellen und Werkstätten	Benzol, andere aromatische Kohlenwasserstoffe, Phenole, bestimmte halogenierte Kohlenwasserstoffe
Endlager für feste Abfälle	Ammonium, Salzgehalt, bestimmte halogenierte Kohlenwasserstoffe, Schwermetalle
Metallindustrie	Trichlorethylen, Tetrachlorethylen, andere halogenierte Kohlenwasserstoffe, Schwermetalle, Phenole, Cyanid
Werkstätten für Lackierung und Emaillierung	Alkylbenzole, Tetrachlorethylen, andere halogenierte Kohlenwasserstoffe, Metalle, bestimmte aromatische Kohlenwasserstoffe
Holzindustrie	Pentachlorphenol, bestimmte aromatische Kohlenwasserstoffe
Reinigungen	Trichlorethylen, Tetrachlorethylen
Herstellung von Pflanzenschutzmitteln	bestimmte halogenierte Kohlenwasserstoffe, Phenole, Arsen, Schwermetalle
Deponien für häuslichen Schlamm	Nitrate, Blei, Zink, verschiedene halogenierte Kohlenwasserstoffe
Abwässer aus der Lederherstellung	Chrom, Salzgehalt, bestimmte halogenierte Kohlenwasserstoffe, Phenole
Förderung und Gewinnung von Erdöl/Erdgas	Salzgehalt (Natriumchlorid), aromatische Kohlenwasserstoffe
Kohle- und Metallbergwerke	Säuregehalt, verschiedene Schwermetalle, Eisen, Sulfate

4. Überwachung der Grundwasserqualität

Die Überwachung der Wasserqualität in Grundwasserleitern erfordert vorbeugende Maßnahmen, um die physikalisch-chemischen Eigenschaften des Grundwassers zu schützen und es im Falle einer Verschmutzung wieder in seinen ursprünglichen Zustand zu versetzen.

Die Aufbereitung von Grundwasser birgt einige spezifische Herausforderungen, darunter:

• Hohe Fördermengen, in der Regel mehrere Dutzend Kubikmeter pro Stunde.
• Relativ geringe Schadstoffkonzentrationen.
• Es ist eine Vielzahl von Schadstoffen vorhanden.
• Sehr strenge Grenzwerte für die Qualität des aufbereiteten Wassers.
• Notwendigkeit, rund um die Uhr zu arbeiten.

Obwohl das Grundwasser beim Durchsickern durch die Bodenschichten teilweise gereinigt wird, kann seine Aufbereitung erschwert werden, wenn es mit kolloidalen oder gelösten Stoffen – sowohl organischen als auch anorganischen (wie Kohlenwasserstoffen, schädlichen Salzen wie Nitraten, Metallen wie Eisen oder giftigen Elementen wie Arsen) – verunreinigt ist. Aus diesem Grund sind detaillierte Analysen erforderlich, um die vorhandenen Schadstoffe zu identifizieren und auf der Grundlage der erzielten Ergebnisse eine spezifische Aufbereitungsmaßnahme zu entwickeln.

Ein sehr nützliches Hilfsmittel hierfür sind Risikokarten. Im Jahr 2016 entwickelte eine Gruppe von Forschern die Groundwater Assessment Platform (GAP)entwickelt, auf der Experten aus aller Welt ihre Analysedaten nutzen und visualisieren können, um Risikokarten für bestimmte Gebiete zu erstellen. Die GAP-Plattform dient zudem als Diskussionsforum für den Wissensaustausch und trägt so zur Entwicklung besserer Methoden zur Entfernung von Schadstoffen aus Trinkwasser bei.

5. Verfahren zur Grundwasseraufbereitung

Es gibt keine einheitliche Aufbereitungsmethode für alle Grundwässer. Je nach Herkunft und Verwendungszweck wird ein spezifischer Aufbereitungsplan festgelegt, der folgende Schritte umfassen kann:

5.1 Primärbehandlung

Das Ziel der Vorbehandlung ist die Entfernung von Schwebstoffen wie Mikropartikeln und Kolloiden.

Je nach den nachgewiesenen Schadstoffen kann es erforderlich sein, ein Oxidationsmittel wie Natriumhypochlorit (NaOCl) hinzuzufügen, das die Entfernung von Metallen wie Eisen erleichtert, sowie den pH-Wert anzupassen, falls das Wasser sehr sauer oder alkalisch ist.

Das Oxidationsmittel trägt zudem dazu bei, Viren und Bakterien zu beseitigen, und gewährleistet so die mikrobiologische Sicherheit des Wassers, was besonders wichtig ist, wenn Trinkwasser oder Wasser von hoher Qualität gewonnen werden soll.

Die Koagulation und Flockung von Kolloiden sind grundlegende Prozesse, um die Abscheidung dieser Partikel durch Sedimentation oder Flotation mittels gelöster Luft sicherzustellen.

Die Flotation mit gelöstem Luft (DAF) ist eine hervorragende Option, da sie folgende Vorteile bietet:

• Es handelt sich um die effizienteste Technologie zur Abscheidung von Feststoffen, Fetten, Ölen, Kohlenwasserstoffen und den im Koagulations- und Flockungsprozess gebildeten Flocken.
• Der in einem DAF-System anfallende Schlamm weist einen höheren Trockensubstanzgehalt auf als der durch herkömmliche Sedimentation anfallende Schlamm.
• Die zugeführte Luft erleichtert die Entfernung flüchtiger Verbindungen aus dem Wasser.

5.2 Nachbehandlung

In vielen Fällen reicht die Erstbehandlung aus, um Wasser zu gewinnen, das für die Wiederverwendung in Anwendungen geeignet ist, die keine höchste Qualität erfordern, wie zum Beispiel:

• Wasser für die Bewässerung.
• Wasser für industrielle Reinigungszwecke.
• Brandschutzsysteme.
• Straßenreinigung.
• Abwasser.

Wenn man Wasser von hoher Qualität für industrielle Prozesse oder sogar für den menschlichen Gebrauch gewinnen möchte, muss die Vorbehandlung durch eine Nachbehandlung und gegebenenfalls sogar eine Tertiärbehandlung ergänzt werden. Die eingesetzten Technologien hängen vom Verschmutzungsgrad des Grundwasserleiters ab. Zu den gängigsten Verfahren zur Grundwasseraufbereitung gehören:

• Filter mit Sand-, Aktivkohle- oder Mischbett.
• Filtersysteme mit Ultrafiltrationsmembranen (UF) oder Umkehrosmose (RO).

Bei Wasser, das für den menschlichen Gebrauch bestimmt ist, ist in der Regel eine Nachbehandlung erforderlich, bei der überschüssiges CO₂ entfernt und Salze zugesetzt werden, um den niedrigen Salzgehalt des Wassers auszugleichen und es so für den menschlichen Gebrauch geeignet zu machen.

In anspruchsvolleren Fällen, wie beispielsweise bei der Aufbereitung von entmineralisiertem oder ultrareinem Wasser, kommen Ionenaustauschsysteme (IX) zum Einsatz, die selektive Harzbettfilter und das Elektrodeionisationsverfahren (EDI) umfassen.

6. Zusammenfassung

Etwa ein Drittel des Süßwassers auf der Erde befindet sich unter der Erdoberfläche und wird als Grundwasser bezeichnet. Die Vorkommen dieses Wassers, sogenannte Grundwasserleiter, können mobil oder statisch sein. Dank der natürlichen Filterung durch Sand-, Kies- und Gesteinsschichten reinigt sich dieses Wasser während seines Kreislaufs von selbst.

Grundwasser kann aufgrund des natürlichen Drucks in Form von Feuchtgebieten, Sümpfen und artesischen Brunnen an die Oberfläche treten oder durch Pumpen gefördert werden.

Durch menschliche Aktivitäten gelangen jedoch erhebliche Schadstoffe in die Grundwasserleiter, vor allem durch die Landwirtschaft (Düngemittel und Pestizide), die Industrie sowie Haushaltsabfälle, die in den Boden sickern.

Um Grundwasser aufzubereiten und zu nutzen, ist eine umfassende Analyse erforderlich, um die vorhandenen Schadstoffe zu identifizieren und die geeignete Aufbereitung entsprechend der vorgesehenen Verwendung des Wassers zu planen.

Die Flotation mit gelöstem Luft (DAF) ist eine weit verbreitete Technologie zur Entfernung von Metallen, Kolloiden, schwimmenden Stoffen (wie Kohlenwasserstoffen und Kolloiden), Teilen der organischen Substanz und flüchtigen Verbindungen. SIGMADAF verfügt über Erfahrung, Ressourcen und eine breite Palette an Anlagen für die spezifische Aufbereitung jeder Art von Grundwasser.

Literaturverzeichnis und Quellenangaben

Merkmale von Grundwasseraufbereitungsanlagen | 2024 (cesuma.mx)

Grundwasseraufbereitung: Verfahren und Schritte – Vollständige Ausgabe

Was ist Grundwasser? | International Groundwater Resources Assessment Centre (un-igrac.org)

Grundwasserqualität: Überwachung und drei verschiedene Nutzungsarten (rs-ingenieria.es)