Ionenstärke

Mit zunehmender Ionenstärke, das bedeutet mit zunehmender Wasserhärte, steigt die Aggregierung von Viren an, wodurch ihr Rückhalt im Sediment stark zunimmt. Mehrwertige Ionen (z. B. Ca, Mg) haben dabei eine stärker aggregierende Wirkung als einwertige Ionen (z. B. Na, K). Literaturdaten zeigen eine hohe Eliminationsleistung für Wasser mit einer Ca-Konzentration, die größer als 5 mM (entspricht 200 mg/L) ist, auf (Goyal und Gerba, 1979; Redman et al., 1999). Da auch andere Stoffe zur Ionenstärke beitragen wird alternativ auch auf die Gesamtkonzentration an gelösten Stoffen Stoffen (TDS, d.h. “Total Dissolved Solids”) verwiesen (Gupta et al., 2009). Übersteigt diese 400 mg/L ist mit einem hohen Virenrückhalt zu rechnen. Eine erhöhte Ionenstärke (I) kann daher den Rückhalt von Viren verbessern. In Laborstudien – durchgeführt mit einem Bakteriophagen (SJC3) – wurde bei der Verwendung von 10 mM NaCl (I = 10 mmol/L) als Hintergrundlösung ein vollständiger Bakteriophagendurchbruch beobachtet. Bei Erhöhung der Ionenstärke durch Verwenden einer 10 mM CaCl2 Lösung (I = 30 mmol/L) stieg die Bakteriophagenretention auf 99,999 % an (Redman et al., 1999). Diese Ergebnisse verdeutlichen die eliminierende Wirkung der Ionenstärke. Allerdings ist auf der Grundlage der bisherigen Datenlage keine Ableitung der Eliminationsleistung in log/m möglich. Als „default value“ schlagen wir daher vor, den Schätzwert für die Eliminationsleistung einer Sedimentpassage auf 0,1 log/m festzulegen, sofern die Ionenstärke über den Prüfwerten liegt. Dieser „Zuschlag“ ist jedoch mit einer hohen Unsicherheit behaftet, da die wissenschaftliche Absicherung unter einer größeren Bandbreite von Bedingungen bislang fehlt.

Eine Differenzierung bezüglich der Ionenstärke erfolgt hier in Abhängigkeit der DOC-Konzentration. Bei erhöhten DOC-Konzentrationen im Wasser wird ein Teil der vorhandenen mehrwertigen Kationen (d.h. Ca, Mg, Fe, Al) durch DOC gebunden und kann daher nicht mehr zur Aggregierung der Viren beitragen. Deshalb wird für DOC-Konzentrationen > 1 mg/L eine höhere Ca/Mg-Konzentration zugrunde gelegt als bei DOC-Konzentrationen < 1 mg/L. Auch der gewählte Prüfwert für DOC ist ein eher grober und noch recht unsicherer Schätzwert.
Allerdings birgt der eliminierende Aspekt der Ionenstärke auch einige Gefahren in sich: die vom Sediment zurück gehaltenen Viren können bei Starkregenereignissen erneut mobilisiert werden, sofern es dadurch zu einer erheblichen Verdünnung des Porenwassers kommt. Dies kann vor allem durch den Eintrag von erheblichen Mengen an Regenwasser aus der Misch- bzw. Trennkanalisation verursacht werden. Da bereits kleine Änderungen in der Wasserhärte sowie in der Schwebstoffkonzentration bei manchen Viren einen großen Einfluss auf ihre Mobilität im Untergrund haben können (Redman et al., 1999) ist eine Überprüfung des Systems nach Starkregenereignissen ratsam.

Möglichkeit zur Überprüfung des Systems auf eine potentielle Virenmobilisation nach Starkregenereignissen

Ermittlung der Ca-Konzentration bzw. des Trockenrückstandes der filtrierten Probe (Filtrattrockenrückstand) im Oberflächengewässer. Sind diese Werte stark reduziert, müssen diese auch im Brunnen nach der entsprechenden zeitlichen Verzögerung bedingt durch den Fließweg überprüft werden. Wenn der genannte Prüfwert überschritten wird besteht keine Gefahr einer Virenremobilisierung. Wird der Prüfwert unterschritten folgen Sie bitte im Entscheidungsbaum den Werten kleiner dem Prüfwert.

Hinweise zur Messmethodik

Die Ionenstärke kann auf unterschiedlichen Wegen ermittelt werden. Einen Faustwert bietet die Leitfähigkeit, die mittels einer einfachen Sonde bestimmt werden kann. Die hier erwähnten Ca- und Mg-Konzentrationen können entweder nasschemisch komplexometrisch nach DIN 38409 – H 6 (Methode zur Ermittlung der Gesamthärte) oder durch instrumentelle Analytik (AAS- (DIN 38406 E3) oder ICP-OES-Analytik (DIN 38406 E22)) ermittelt werden. Der zeitliche und finanzielle Aufwand beider Methoden ist gering. Chemisches Fachpersonal ist dafür unabdingbar.

Redoxverhältnisse

Zum Einfluss der Redoxverhältnisse auf die Virenelimination gibt es wenig einschlägige Literatur. Das Ergebnis von zwei Studien deutet darauf hin, dass die Elimination unter anoxischen gegenüber oxischen Verhältnissen geringer ist (Holzbecher et al. (2006), van der Wielen et al. (2008)), da die reduzierenden Verhältnisse zur Auflösung von Eisenoxiden führen, die sonst als Sorptionsplätze für den Virenrückhalt zur Verfügung stehen würden (van der Wielen et al., 2008). Bisher liegen auch keine einschlägigen Feldstudien vor, welche die Ableitung einer Eliminationsrate unter anoxischen Bedingungen ermöglichen würde. Der Großteil der vorliegenden Geländedaten wurde bei hohen Fließgeschwindigkeiten (d. h. > 3 m/d) erhoben, womit auch ein erhöhter Sauerstoffeintrag einhergeht, was meist zur Ausbildung oxischer Verhältnisse führt. Bei Fließgeschwindigkeiten < 1,5 m/d liegen meist sauerstoffarme bis sauerstofffreie Bedingungen vor (Bales et al. (1995); Schijven et al. (1999); van der Wielen et al. (2008)). Als Grenzwert zur Unterscheidung zwischen oxischen und anoxischen Verhältnissen wurde in diesem Entscheidungsunterstützungssystem eine Sauerstoffkonzentration von 1,1 mg/L O2 zugrunde gelegt (Schijven et al., 1999). Dieser Wert gibt jedoch nur eine grobe Orientierung.

Ein Parameter, der sich bei der Ausbildung des Redoxpotentials als von Bedeutung erwiesen hat, ist der Gehalt an organischem Kohlenstoff im Sediment (C _org ). Eine Studie, welche die Verteilung von Redoxzonen an der Uferfiltationsstrecke am Berliner Wannsee untersucht hat, zeigte, dass sich bei hohen C _org -Gehalten (> 10 %) anoxische Verhältnisse ausbilden, während bei geringen C _org -Gehalten (< 10 %) oxische Zonen überwiegten, wobei die Grenze fließend ist (Massmann et al. 2008).

Ergebnisse von Laborsäulenversuchen (Frohnert et al., eingereicht bei Water Research) zeigten, dass die Eliminationsleistung der Phagen phiX174 und MS2 in den meisten Fällen in oxischen Verhältnissen um Faktor 3 bis 6 höher lagen als in anoxischen Verhältnissen (Tabelle 3). Da es sich dabei allerdings um Laborversuche handelt sind die Ergebnisse nicht direkt ins Gelände übertragbar. Wir legen daher an dieser Stelle nur einen Faktor 2 zugrunde, d. h. eine Eliminationsrate von 0,2 log/m (basierend auf der Fließgeschwindigkeit ≤ 0,5 m/d) wird bei Vorliegen von oxischen Verhältnissen um weitere 0,2 log/m erhöht.

Dabei werden die aufgrund der Ionenstärke ermittelten log Eliminationsleistung nicht mit verdoppelt, da Redoxbedingungen die Wirkungsweise der Ionenstärke (d. h. Aggregierung der Viren) vermutlich nicht begünstigen. Ähnliches gilt für die Fe/Al-Belegung, die bereits durch das Redoxmilleu bedingt sind. Ferner schlagen wir bei einer Fließgeschwindigkeit von 0,5 – 1,5 m/d aufgrund der geringeren Kontaktzeit eine Erhöhung der Eliminationsleistung um 0,1 log/m vor.

Tabelle 3: Eliminationsraten von MS2 und phiX174 aus Laborsäulenversuchen (Länge: 55 cm; Frohnert et al., eingereicht bei Water Research). „worst case“ bezeichnet die schlechtesten gemessenen Bedingungen während des Versuches.

Hinweis zur Überprüfung des Systems: Bei der Erfassung der Redoxverhältnisse auf der Uferfiltrationsstrecke ist Vorsicht geboten, da durch unsachgemäße Beprobung Sauerstoff in die Probe eindringen und somit zu einem erhöhten Messwert von Redoxpotential oder Sauerstoffkonzentration führen kann.
Die meisten Uferfiltrationsstrecken haben am Anfang einen kürzeren oxischen Abschnitt, gefolgt von einem anoxischen Bereich. Für die Berechnung am Ende der Abfrage ist es wichtig, dass Sie die Länge der oxischen Fließstrecke kennen. Ggfs müssen Sie die Berechnung zweimal durchführen: einmal mit der Streckenlänge des oxischen Abschnitts und einmal mit der Länge des anoxischen Abschnitts.

Hinweise zur Messmethodik: Die Redox- bzw. Sauerstoffmessungen lassen sich einfach mit einer Sonde durchführen. Nähere Informationen dazu findet man in den entsprechenden DIN-Vorschriften (Redox DIN 38404-6, Sauerstoff DIN EN 25814:1992-11). Der zeitliche und finanzielle Aufwand beider Methoden ist sehr gering. Chemisches Fachpersonal ist dafür nicht zwingend erforderlich. Allerdings ist auf Sauerstoffausschluss bei der Beprobung und auf eine gute Pflege der Messsonden zu achten (siehe dazu Hinweis zur Überprüfung des Systems).

Ionenstärke

Mit zunehmender Ionenstärke, das bedeutet mit zunehmender Wasserhärte, steigt die Aggregierung von Viren an, wodurch ihr Rückhalt im Sediment stark zunimmt. Mehrwertige Ionen (z. B. Ca, Mg) haben dabei eine stärker aggregierende Wirkung als einwertige Ionen (z. B. Na, K). Literaturdaten zeigen eine hohe Eliminationsleistung für Wasser mit einer Ca-Konzentration, die größer als 5 mM (entspricht 200 mg/L) ist, auf (Goyal und Gerba, 1979; Redman et al., 1999). Da auch andere Stoffe zur Ionenstärke beitragen wird alternativ auch auf die Gesamtkonzentration an gelösten Stoffen Stoffen (TDS, d.h. “Total Dissolved Solids”) verwiesen (Gupta et al., 2009). Übersteigt diese 400 mg/L ist mit einem hohen Virenrückhalt zu rechnen. Eine erhöhte Ionenstärke (I) kann daher den Rückhalt von Viren verbessern. In Laborstudien – durchgeführt mit einem Bakteriophagen (SJC3) – wurde bei der Verwendung von 10 mM NaCl (I = 10 mmol/L) als Hintergrundlösung ein vollständiger Bakteriophagendurchbruch beobachtet. Bei Erhöhung der Ionenstärke durch Verwenden einer 10 mM CaCl2 Lösung (I = 30 mmol/L) stieg die Bakteriophagenretention auf 99,999 % an (Redman et al., 1999). Diese Ergebnisse verdeutlichen die eliminierende Wirkung der Ionenstärke. Allerdings ist auf der Grundlage der bisherigen Datenlage keine Ableitung der Eliminationsleistung in log/m möglich. Als „default value“ schlagen wir daher vor, den Schätzwert für die Eliminationsleistung einer Sedimentpassage auf 0,1 log/m festzulegen, sofern die Ionenstärke über den Prüfwerten liegt. Dieser „Zuschlag“ ist jedoch mit einer hohen Unsicherheit behaftet, da die wissenschaftliche Absicherung unter einer größeren Bandbreite von Bedingungen bislang fehlt.

Eine Differenzierung bezüglich der Ionenstärke erfolgt hier in Abhängigkeit der DOC-Konzentration. Bei erhöhten DOC-Konzentrationen im Wasser wird ein Teil der vorhandenen mehrwertigen Kationen (d.h. Ca, Mg, Fe, Al) durch DOC gebunden und kann daher nicht mehr zur Aggregierung der Viren beitragen. Deshalb wird für DOC-Konzentrationen > 1 mg/L eine höhere Ca/Mg-Konzentration zugrunde gelegt als bei DOC-Konzentrationen < 1 mg/L. Auch der gewählte Prüfwert für DOC ist ein eher grober und noch recht unsicherer Schätzwert.
Allerdings birgt der eliminierende Aspekt der Ionenstärke auch einige Gefahren in sich: die vom Sediment zurück gehaltenen Viren können bei Starkregenereignissen erneut mobilisiert werden, sofern es dadurch zu einer erheblichen Verdünnung des Porenwassers kommt. Dies kann vor allem durch den Eintrag von erheblichen Mengen an Regenwasser aus der Misch- bzw. Trennkanalisation verursacht werden. Da bereits kleine Änderungen in der Wasserhärte sowie in der Schwebstoffkonzentration bei manchen Viren einen großen Einfluss auf ihre Mobilität im Untergrund haben können (Redman et al., 1999) ist eine Überprüfung des Systems nach Starkregenereignissen ratsam.

Möglichkeit zur Überprüfung des Systems auf eine potentielle Virenmobilisation nach Starkregenereignissen

Ermittlung der Ca-Konzentration bzw. des Trockenrückstandes der filtrierten Probe (Filtrattrockenrückstand) im Oberflächengewässer. Sind diese Werte stark reduziert, müssen diese auch im Brunnen nach der entsprechenden zeitlichen Verzögerung bedingt durch den Fließweg überprüft werden. Wenn der genannte Prüfwert überschritten wird besteht keine Gefahr einer Virenremobilisierung. Wird der Prüfwert unterschritten folgen Sie bitte im Entscheidungsbaum den Werten kleiner dem Prüfwert.

Hinweise zur Messmethodik

Die Ionenstärke kann auf unterschiedlichen Wegen ermittelt werden. Einen Faustwert bietet die Leitfähigkeit, die mittels einer einfachen Sonde bestimmt werden kann. Die hier erwähnten Ca- und Mg-Konzentrationen können entweder nasschemisch komplexometrisch nach DIN 38409 – H 6 (Methode zur Ermittlung der Gesamthärte) oder durch instrumentelle Analytik (AAS- (DIN 38406 E3) oder ICP-OES-Analytik (DIN 38406 E22)) ermittelt werden. Der zeitliche und finanzielle Aufwand beider Methoden ist gering. Chemisches Fachpersonal ist dafür unabdingbar.