Forschungs- und Simulationsanlagen

Inhaltsverzeichnis

 

Die Fließ- und Stillgewässer-Simulationsanlage (FSA)

Die Fließ- und Stillgewässer-Simulationsanlage auf dem Versuchsfeld des Umweltbundesamtes in Berlin-Marienfelde ist eine technisch anspruchsvolle und große Versuchseinrichtung, die über 16 Fließrinnen mit einer Gesamtfließstrecke von 1,6 km, 16 Teiche sowie über ein circa fünf Kilometer langes Rohrleitungsnetz mit über 60 Pumpen und 360 Schieberventilen einschließlich der dazugehörigen Messtechnik verfügt. In dieser Anlage lassen sich fließende, stehende und durchströmte Gewässer – von Bächen und Flüssen über Teiche und Seen bis hin zu Flussseen – mit den darin befindlichen aquatischen Lebensgemeinschaften nachbilden. Die FSA zählt zu den großen Modell-Ökosystemen (Mesokosmen), die Bindeglieder zwischen den vereinfachten und leicht zu kontrollierenden Laborversuchen und Freilandexperimenten (Feldstudien) darstellen.

 

Die Simulationsanlage für Uferfiltration und Langsamsandfilter (SIMULAF)

Die Anlage zur SIMulation von Ufer- und LAngsamsandFiltration (SIMULAF) dient zur Untersuchung der naturnahen Trinkwasseraufbereitung. Hier können die Rückhalte- und Abbauvorgänge von Schadstoffen und Schadorganismen einer aeroben (sauerstoffhaltigen) Untergrundpassage in den oberen mit Wasser gesättigten Schichten untersucht werden.

Basis der SIMULAF ist der ca. 3500 m³ fassende Speicherteich, der eine Länge von fast 90 m und eine Tiefe bis zu ca. 2,3 m hat. Sein Füllwasser entstammt dem UBA-eigenen Wasserwerk, und mit zunehmender Aufenthaltszeit im Speicherteich nimmt es immer mehr Eigenschaften eines Wassers aus einem Oberflächengewässer an. An seinem ca. 50 m breiten nördlichen Ende befindet sich eine Uferfiltrationsstrecke aus einem künstlichen, sandig bis kiesigen Grundwasserleiter. In Abständen von etwa 15 m und 35 m nehmen zwei Sickergalerien (Drainagen) in 3,5 m Tiefe das Uferfiltrat auf (je ca.10 m³/h). Von dort führen Abflussleitungen in einen 4 m tiefen Keller eines Meßhauses, in dem Proben entnommen und Messsungen durchgeführt werden können. Vom Speicherteich führen offene Betonkanäle zu 4 Langsamsandfiltern mit Filterflächen von je 80 m². Das Filtrat (je 0,5 bis 6 m³/h) wird ebenfalls in den Kellerraum geleitet, wo die Abläufe beprobt werden können.

Sind keine Schadstoffe enthalten, wird das Wasser in den Speicherteich zurück gefördert. Anderenfalls wird es aufbereitet oder direkt ins Abwasser geleitet. Der Wasserverlust wird durch Betriebswasser aus dem Wasserwerk vor Ort ausgeglichen. In einem der beiden Langsamsandfilterbecken befindet sich die sogenannte „Enclosure-Anlage“. Sie besteht aus 3 wassergesättigten Sandsäulen von 1,5 m Länge. Randbedingungen wie Fließgeschwindigkeit, Wasserhärte und DOC-Konzentrationen können vor dem Versuch festgelegt werden. In einem Messschrank können hydrochemische Parameter wie pH, Leitfähigkeit, Redoxpotential und Sauerstoffgehalt des Säulenablaufs online erfasst werden. Eine Beprobung des Säulenfiltrats ist in 30, 50 und 90 cm möglich. Die Anlage bietet somit die Möglichkeit, den Schadstoffverbleib in Abhängigkeit einer kurzen Fließstrecke zu verfolgen.

Über Rangierverteiler kann Wasser zwischen der SIMULAF und der Fließ- und Stillgewässer-Simulationsanlage (FSA) ausgetauscht werden – in beiden Richtungen. Die gesamte Anlage ist nach unten durch eine Tondichtung und eine darunterliegende Sicherheitsdrainage gegen das Grundwasser abgeschottet.
Die Anlage bietet somit eine „Brücke” zwischen Laborexperiment und Freilandbeobachtungen. Sie hat sich in mehreren Forschungsprojekten als wertvoll zur Validierung der Ergebnisse aus dem Labor erwiesen.

Seit 1999 wird die Anlage im Rahmen von Drittmittelprojekten und in Kooperation mit externen Forschungsstellen für unterschiedlichste Experimente genutzt. Arbeitsschwerpunkte waren dabei Untersuchungen zur Wirksamkeit von Eliminationsverfahren für

Enclosure-Anlage

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  1. Aufsicht Enclosure-Säulen
  2. Die Enclosure-Anlage in der Simulationsanlage für Ufer- und Langsamsandfiltration (SIMULAF)
 

Lysimeteranlage

Die Lysimeter bilden die Bodenpassage ab, d.h. den mit Wasser ungesättigten Bereich. Die Anlage umfasst 18 Lysimeter mit einer Länge von 1,5 bis 2 m, die mit verschiedenen gewachsenen Bodentypen (ungestört, d.h. mit natürlich entstandenem Porensystem) gefüllt sind. Wasser- und (Schad-)Stoffflüsse können quantifiziert und somit die Belastung des darunter liegenden Grundwassers abgeschätzt werden.

In einem aktuellen Forschungsprojekt werden die Freisetzung des Biozids ‚Mecoprop‘ aus Dachbahnen und Fassadenanstrichen und sein Rückhalt im Boden untersucht.

Die Anlage steht auch Gastwissenschaftlern zur Verfügung. Die Arbeitsgruppe Bodenphysik der Technischen Universität Berlin nutzt zur Zeit einige Lysimeter für ihre wissenschaftlichen Fragestellungen.

Rasenfläche mit rund umzäunten Flächen.
Die Lysimeteranlage des Umweltbundesamtes am Standort Berlin-Marienfelde
Quelle: Quelle: Sondra Klitzke / UBA
 

Wasserwerk

Das Wasserwerk bereitet das Wasser für die Experimente auf dem Versuchsfeld zu Trinkwasserqualität auf. Die max. Fördermenge beträgt 60 m³/h.


Aus 50 m Tiefe könne drei Tiefbrunnen jeweils 60 m³/h Grundwasser fördern. Im Wasserwerk erfolgt die mikrobiologische Enteisenung und Entmanganung in geschlossenen Kiesfiltern. Die hierzu erforderliche Belüftung erfolgt durch eine geregelte Druckbelüftung vor den jeweiligen Filtern.

 

Umkehrosmose-Anlage

Die Umkehr-Osmose (UO)-Anlage kann pro Stunde bis zu 1,5 m³ Wasser aufbereiten. Es besteht die Möglichkeit, durch Mischen von UO-Wasser mit Betriebswasser, Mischwässer unterschiedlicher Leitfähigkeiten zu erhalten. Auch können Mineral- oder Huminstoffe gezielt zugesetzt werden, um für Experimente auf dem Versuchsfeld eine definierte Wasserqualität zu erzeugen.

 

Bodensäulen

Die Bodensäulen simulieren eine Untergrundpassage im mit Wasser gesättigten Bereich auf einer Strecke von bis zu 30 m, wie sie z.B. nach einer Uferfiltration stattfindet. Hierzu sind 6 Bodensäulen mit einer Höhe von jeweils 5 m in Reihe geschaltet.

Mit den Bodensäulen können z.B. unterschiedlichste im Wasser vorkommende Substanzen auf deren Abbaubarkeit unter aeroben und anaeroben Bedingungen untersucht werden. Die maximale Aufenthaltszeit der Substanzen richtet sich nach der eingestellten Durchflußgeschwindigkeit; z.B. kann eine Passage 1 – 3 Monate dauern.

 

Desinfektionsteststand

Um das Risiko der Übertragung von Krankheitserregern durch das Trinkwasser zu minimieren, müssen Desinfektionsmittel für die Trinkwasserdesinfektion ausreichend wirksam sein. Am Desinfektionsmittelteststand können die Wirksamkeit von Wirkstoffen und Desinfektionsverfahren untersucht werden. Damit liefert der Teststand grundlegende Daten für Entscheidungen zur Zulassungs neuer Wirkstoffe und Verfahren für die Desinfektion von Trinkwasser.

Um die Kontaktzeit zwischen Wasser und Desinfektionsmittel präzise definieren zu können, arbeitet der Teststand im Durchfluss. Durch eine 140 m lange PVC-U-Rohrleitung fließt kontinuierlich Testwasser mit einem Volumenstrom von 400 Litern pro Stunde. An verschiedenen Stellen der Rohrleitung sind Auslässe, d.h. Probenahmehähne, angebracht, aus denen kontinuierlich ein geringer Volumenstrom abfließt.

Zu Beginn der Rohrstrecke werden Testorganismen sowie das zu untersuchende  Desinfektionsmittel dosiert. An den verschiedenen Probenahmehähnen können Proben genommen werden, die sich in der Kontaktzeit zwischen den Testorganismen (Viren und Bakterien)  und dem Desinfektionsmittel unterscheiden. Je schneller die Testorganismen abgetötet werden, desto höher ist die Wirksamkeit des Wirkstoffs.

Im Zu- und Ablauf werden die physikalisch-chemischen Parameter Druck, Durchfluss, Temperatur, pH-Wert, Redoxpotential, Leitfähigkeit kontinuierlich gemessen und gespeichert. Eine kontinuierliche Messung der Chlor/Chlordioxid-Konzentration kann wechselseitig im Zu- oder Ablauf erfolgen.

Das Testwasser wird in einem Vorratstank mit einem Fassungsvolumen von 20 m³ gemischt und gespeichert. Es stehen unterschiedliche Wässer zur Verfügung: Grundwasser (Rohwasser aus Tiefbrunnen), Betriebswasser (Grundwasser nach der Aufbereitung im UBA-Wasserwerk), Wasser aus der Umkehrosmose und Berliner Trinkwasser. Das Testwasser kann auch aus beliebigen Mischungen der genannten Wässer bestehen, und durch Zugabe von chemischen Zusätzen können eine Vielzahl von künstlichen Normwässern hergestellt werden. Der pH-Wert wird durch Zugabe von Natriumhydroxid oder Salzsäure eingestellt.

Der Aufbau simuliert die Abläufe einer Desinfektion in Verteilungsnetzen und Wasserwerken der öffentlichen Trinkwasserversorgung realitätsnah (sog. phase 2 step 2-Testsystem). Untersuchungen an dieser Anlage sind damit aussagekräftiger als die eher verbreiteten stationären Versuchsansätze (Batch-Versuche). Zudem können auch sehr kurze (unter einer Minute) Einwirkzeiten von Stoffen und Verfahren im kontinuierlichen Einsatz untersucht werden.

Teststand für Desinfektionsmittel. Im Vordergrund rechts elektronische Schalt- und Steuereinheiten, im Hintergrund links wärmeisolierte Wasserrohre der Teststrecke.
Der UBA-Desinfektionsmittelteststand am Standort Marienfelde
Quelle: Andreas Grunert / UBA