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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
Dr. K. Schmidt │VEGAS-Kolloquium 06.10.2011
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
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Dr. K. Schmidt │VEGAS-Kolloquium 06.10.2011
TEMPERATUR UND MIKROBIOLOGIE
0 10 20 30 40 50
Temperatur [°C]
Mik
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RGT-Regel: bei einer Temperaturerhöhung um 10°C verdoppelt sich die Reaktionsgeschwindigkeit
Dr. K. Schmidt │VEGAS-Kolloquium 06.10.2011
TEMPERATUR UND MIKROBIOLOGIE
AEROBER cDCE-ABBAU MIT GRUNDWASSER-ORGANISMEN
13°C
25°C20°C
4°C
Abbildung aus Dissertation Schmidt, 2009Versuchsdauer [Tage]
cDC
E [
mg
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0 5 10 15 20 25 30
Temperatur [°C]
Mik
rob
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Akt
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TEMPERATUR UND MIKROBIOLOGIE
Optimum
Minimum Maximum
Dr. K. Schmidt │VEGAS-Kolloquium 06.10.2011
TEMPERATUR UND MIKROBIOLOGIE
Versuchsdauer [Tage]
cDC
E [
mg
/L]
1000
1
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5
6
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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
Dr. K. Schmidt │VEGAS-Kolloquium 06.10.2011
0 5 10 15 20
Temperatur [°C]
Mik
rob
ielle
Akt
ivit
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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
TEMPERATUR UND MIKROBIOLOGIE
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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
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5 20
0 10 20 30 40 50°C
Dr. K. Schmidt │VEGAS-Kolloquium 06.10.2011
Batchversuche mit Bodensuspensionen
Median-Werte aus 10 Versuchsansätzen aus verschiedenen Tiefen
keine Effekte auf Zellzahlen
Ges
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LABOR-ERGEBNISSE: ZELLZAHLEN
Dr. K. Schmidt │VEGAS-Kolloquium 06.10.2011
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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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°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
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steigende Temperatur steigende Biodiversität bei Bakterien
steigende Temperatur sinkende Biodiversität bei Fauna
FELD-ERGEBNISSE: BIODIVERSITÄT
Bio
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FELD-ERGEBNISSE: ZELLZAHLEN
keine Effekte auf
• Zellzahlen
• Aktivität
• Coliforme
• E. coli
BeeinflusstZeitweise beeinflusstUnbeeinflusst
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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)
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HYDROCHEMIE
Temperatur kann Lösungsgleichgewichte von Feststoffen, Flüssigkeiten und Gasen beeinflussen
Freisetzung von Organik durch Temperaturerhöhung
geringere Löslichkeit von O2
durch Temperaturerhöhung
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Temperatur [°C]
Sau
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]
CS
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/L]
GW + Sand
GW + Torfca. 12,4 mg/L
ca. 10,7 mg/L
ca. 8,8 mg/L
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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
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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
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Inkubationsdauer [d]
Sau
erst
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verb
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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
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unvollständiger Abbau
Benzotriazole werden nicht abgebaut und reichern sich an
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An
teil
Ben
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l-C
am D
OC
[%
]
vor Abbaunach Abbau
ABBAU VON WÄRMETRÄGERFLUIDEN
zwischen 12% und 23% des DOC werden nicht abgebaut
Beispiel Benzotriazole (Komplexbildner, Korrosionsschutzmittel)
33%
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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
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[LID
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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