Geothermie und Grundwasser-Mikrobiologie · Dr. K. Schmidt │VEGAS-Kolloquium 06.10.2011...

Geothermie und Grundwasser-Mikrobiologie

VEGAS-Kolloquium, 6. Oktober 2011

Kathrin Schmidt, Andreas Tiehm

Dr. K. Schmidt │VEGAS-Kolloquium 06.10.2011

EINFÜHRUNG: ÖKOSYSTEM GRUNDWASSER

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Bestandteil des Wasserkreislaufs

größtes Süßwasser-Reservoir

Ökosystem-dienstleistungen: z.B. Wasser-Reinigung und -Speicherung wichtig für Trink-wasserversorgungund Landwirtschaft

relativ konstante Umweltbedingungen


MÖGLICHE UMWELTAUSWIRKUNGEN

Hydrogeologiez.B. hydraulische Verbindung verschiedener Grund-wasserstockwerke

Temperatur

Mikrobiologie

Hydrochemiez.B. Eintrag von Fremdsubstanzen

Veränderungen durch Temperatureinflüsse

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z.B. Schadstoff-BelastungenRedoxbedingungen

z.B. Schadstoff-Belastungenverschiedene Biozönosen

1

4

3 2


TEMPERATUR UND MIKROBIOLOGIE

0 10 20 30 40 50

Temperatur [°C]

Mik

rob

ielle

Akt

ivit

ät

RGT-Regel: bei einer Temperaturerhöhung um 10°C verdoppelt sich die Reaktionsgeschwindigkeit



AEROBER cDCE-ABBAU MIT GRUNDWASSER-ORGANISMEN

13°C

25°C20°C

4°C

Abbildung aus Dissertation Schmidt, 2009Versuchsdauer [Tage]

cDC

E [

mg

/L]

1000

1

2

3

4

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7

0 20 40 60 80


0 5 10 15 20 25 30

Temperatur [°C]

Mik

rob

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Akt

ivit

ät


Optimum

Minimum Maximum



Versuchsdauer [Tage]

cDC

E [

mg

/L]

1000

1

2

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4

5

6

7

0 20 40 60 80

AEROBER cDCE-ABBAU MIT GRUNDWASSER-ORGANISMEN

13°C

25°C20°C

4°C

35°C

Abbildung aus Dissertation Schmidt, 2009


0 5 10 15 20

Temperatur [°C]

Mik

rob

ielle

Akt

ivit

ät

Art 1Art 2

Optimum von Art 1bei typischer Grundwassertemperatur von 11°C

Optimum von Art 2bei 7°C

Art 1 hat bei 7°C eine deutlich geringere Aktivität als bei 11°C

Temperaturveränderung von 11°C auf 7°C



ca. 17 ca. 46Temperaturbereich mesophile Bakterien

Temperaturbereich psychrophile Bakterien

Erlaubte Temperaturänderung bei Geothermie-Anwendungen

Temperaturgrenzwerte bei Geothermie-Anwendungen

Grundwasser-Temperaturbereich (10%-90% Perzentile)

Grundwasser-Temperaturbereich (gesamte Spannbreite)

TEMPERATUR-BEREICHE UND -GRENZEN

ca. 0 ca. 28

± 6

5 20

9 14

5 20

0 10 20 30 40 50°C


Batchversuche mit Bodensuspensionen

Median-Werte aus 10 Versuchsansätzen aus verschiedenen Tiefen

keine Effekte auf Zellzahlen

Ges

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LABOR-ERGEBNISSE: ZELLZAHLEN


Ref

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** von Referenzwert signifikant verschiedene Werte

°C

LABOR-ERGEBNISSE: ZELLZAHLEN

Säulenversuche mit Sediment und Grundwasser

Wasserproben vom Säulenausgang

kaum Effekte auf Zellzahlen

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ellz

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°C

** von Referenzwert signifikant verschiedene Werte

steigende Temperatur

steigende bakterielle Aktivität

Kohlenstoff-produktion bei 4°C und bei 45°C verringert

LABOR-ERGEBNISSE: MIKROBIELLE AKTIVITÄT


steigende Temperatur steigende Biodiversität bei Bakterien

steigende Temperatur sinkende Biodiversität bei Fauna

FELD-ERGEBNISSE: BIODIVERSITÄT

Bio

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33


FELD-ERGEBNISSE: ZELLZAHLEN

keine Effekte auf

• Zellzahlen

• Aktivität

• Coliforme

• E. coli

BeeinflusstZeitweise beeinflusstUnbeeinflusst


PATHOGENE

Eintrag von Keimen ins Grundwasser bei Anlagen-Bau und -Betrieb möglich (Bonte et al., 2011)

Feldergebnisse mit Temperaturerhöhung von 11°C auf 18°C: keine Zunahme von Koloniezahl, Coliformen und E. coli (Brielmann et al., 2009)

Feldergebnisse mit Temperaturerhöhung von 11°C auf 28°C: Zunahme von Koloniezahl, Enterokokkenund E. coli (Bonte et al., 2011)

bei erhöhtem Nährstoff-Angebot + erhöhter Temperatur ist eine Vermehrung pathogener Organismen nicht ausgeschlossen (Brielmann et al., 2011)


HYDROCHEMIE

Temperatur kann Lösungsgleichgewichte von Feststoffen, Flüssigkeiten und Gasen beeinflussen

Freisetzung von Organik durch Temperaturerhöhung

geringere Löslichkeit von O2

durch Temperaturerhöhung

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

0 5 10 15 20 25 30 35

Temperatur [°C]

Sau

erst

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]

CS

B [

mg

/L]

GW + Sand

GW + Torfca. 12,4 mg/L

ca. 10,7 mg/L

ca. 8,8 mg/L


HYDROGEOLOGIE

Bohrtätigkeiten können Verbindungen zwischen verschiedenen Grundwasserstockwerken schaffen (DVGW, 2010; Saner et al., 2010; Butscher et al., 2011; Raisig, 2011; SGD, 2011 )

Mischung unterschiedlicher Wässer Veränderung der hydrochemischen Bedingungen Veränderung der Lebensbedingungen

Mischung unterschiedlicher mikrobieller Lebensgemeinschaften

Wegsamkeiten von der Oberfläche bis in Grundwasser erleichterter Zutritt von Schadstoffen


SCHADSTOFFBELASTUNGEN

Spülzusätze bei der Bohrung können zu organischen Belastungen führen (DVGW, 1998)

Bohrlochhinterfüllungen können toxische, grundwassergefährdende Substanzen enthalten (Butscher et al., 2011)

Wärmeträgerfluide der Erdwärmesonden (Klotzbücher et al., 2007)

gut abbaubare Hauptsubstanz organische Belastung Sauerstoff-Zehrung

ggf. toxische, schlecht abbaubare Additive


0

20

40

60

80

100

120

0 5 10 15 20 25 30

Inkubationsdauer [d]

Sau

erst

off

verb

rau

ch [

mg

/L]

EG

PG

Pepton

alle 10 getesteten Fluide sind mit Belebt-schlamm abbaubar Sauerstoffzehrung

ABBAU VON WÄRMETRÄGERFLUIDEN

EG = Ethylen-Glycol

PG = Propylen-Glycol

≈ Hauptbestandteile vieler Fluide


unvollständiger Abbau

Benzotriazole werden nicht abgebaut und reichern sich an

0%

1%

2%

3%

4%

5%

6%

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An

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OC

[%

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vor Abbaunach Abbau

ABBAU VON WÄRMETRÄGERFLUIDEN

zwischen 12% und 23% des DOC werden nicht abgebaut

Beispiel Benzotriazole (Komplexbildner, Korrosionsschutzmittel)

33%


TOXIZITÄT VON WÄRMETRÄGERFLUIDEN

Fluide Leuchtbakterienhemmtest mit Vibriofischeri

Bestimmung der Verdünnung, bei der keine Toxizität – d.h. Hemmung der Leuchtwirkung – mehr auftritt

Fluide sind toxischer als EG/ PG

EG PG

Fluide

Glycole

0

200

400

600

800

1000

To

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[LID

]


ZUSAMMENFASSUNG UND AUSBLICK

Geothermie-Anwendungen können Auswirkungen auf die ökologische Funktionalität (z.B. Trinkwasser-Ressource) des Grundwassers haben

derzeit wenig über potentielle negative Auswirkungen bekannt

Auswirkungen auf Grundwasser-Ökosysteme müssen berücksichtigt werden A

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DANKE UND KONTAKT

dem DVGW e.V. und dem badenovaInnovationsfonds für die finanzielle Förderung

[email protected]; [email protected]

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