Stimulation von H2/CH4-oxidierenden Bakterien in Porengrundwasserleitern zur Reinigung von nitratbelastetem Trink- und Brauchwasser

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Die durch den Klimawandel bewirkten Veränderungen des Wasserkreislaufs fordern eine nachhaltige Bewirtschaftung unserer Wasserressourcen. Grundwasser stellt in fast allen europäischen Ländern die wichtigste Trinkwasserressource dar. Dabei sind in der Regel nur oberflächennahe Grundwasserleiter mit hoher Grundwasserneubildung nachhaltig zu bewirtschaften. Diese weisen aber häufig hohe Belastungen an Nitrat auf. Das benötigte Selbstreinigungspotential gegenüber Schadstoffen wie Nitrat ist häufig durch das Fehlen mikrobiell verfügbarer Elektronendonoren limitiert, so dass trotz einer Verminderung von Stickstoffeinträgen über die Landwirtschaft erhöhte Nitratkonzentrationen noch über Jahrzehnte in Grundwasserleitern zu beobachten sind.

Die Stimulation von denitrifizierenden Mikroorgansimen mittels Zugabe von Wasserstoff (H₂) und Methan (CH₄) hat das Potential einer signifikanten Nitratreduktion im Grundwasser und könnte in einer Vielzahl von belasteten Förderbrunnen die Nitratkonzentrationen signifikant reduzieren.

Das beantragte Projekt entwickelt, optimiert und überwacht die effiziente Einbringung der Gase H₂ und CH₄ und erfasst ihr Abbaupotential gegenüber gelöstem Nitrat im Grundwasser. Zuerst wird das Abbaupotential in einem Rinnenversuch und später, in Zusammenarbeit mit einem regionalen Wasserversorger, in einer Versuchsanlage an einem Feldstandort überprüft. Das Vorhaben entwickelt damit auf Basis einer naturräumlichen Analyse der Nitratumsetzung im Grundwasser eine aktive, minimalinvasive Stimulation bestehender Ökosystemdienstleistungen und bietet die Möglichkeit einer gesellschaftlichen und wirtschaftlich relevanten Nutzung der Technologie direkt im Anschluss an das Projekt.

Die Erschließung und Nutzung von qualitativ hochwertigen Tiefenwässern als Trink- und Brauchwasserressource bei einer nitratbedingt eingeschränkten Nutzungsmöglichkeit von oberflächennahen Grundwassersystemen ist in Bayern (LfU-Merkblatt Nr. 1.4/6) nicht vorgesehen. Daher besteht ein großer Bedarf an neuen innovativen und günstigen Technologien, nitratbelastete oberflächennahe Grundwasserleiter für den Wasserversorger wieder nutzbar zu machen, um den stetig steigenden Bedarf an Trink- und Brauchwasser aus nachhaltiger Förderung auch zukünftig decken zu können und Nutzungskonflikte zu entschärfen.

Ziel des Forschungsprojektes ist es, durch gleichzeitige Zugabe der Elektronendonoren Wasserstoff und Methan die im Grundwasser vorhandenen denitrifizierenden chemolithoautotrophen Mikroorganismen für eine flächige Umsetzung von Nitrat zu N₂ zu stimulieren. Wir erwarten im Vergleich zu gängigen Methoden bei Anwendung des neuen Verfahrens u.a. geringere Betriebskosten bei höheren Volumenströmen und eine höhere Reinigungsleistung bei vollständiger Umsetzung des Nitrats zu N₂ bei einer gleichzeitig gesamtheitlichen Verbesserung des qualitativen Zustandes des Ökosystems Grundwasser. Die Projektziele wollen wir mit Hilfe eines skalierten Ansatzes erreichen, der von Laborarbeiten und einem Technikumsversuch über die numerische Simulation bis hin zur technischen Planreife für eine leistungsfähige Pilotanlage führt.

¹ (EEAwater2012)

² (e.g. Wild et al. 2018, WRR)