Ein Forscherteam hat sich entwickelt eine neue, kostengünstige Methode zur kontinuierlichen Überwachung der Grundwasserverschmutzung in Echtzeit. Die Entwicklung könnte wichtige Impulse für „grüne“ Sanierungsbemühungen geben, die die Grundwasserverschmutzung verringern, ohne die Umwelt nachteilig zu beeinflussen.

Die Studie mit dem Titel „In-situ-Überwachung von Grundwasserkontaminationen mit dem Kalman-FilterIst das Ergebnis einer Zusammenarbeit zwischen dem Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) des US-Energieministeriums, das von der University of California betrieben wird, und dem Savannah River National Laboratory.

Die Notwendigkeit der Sanierung

GrundwasserkontaminationDas ist fast immer eine Folge von künstlichen Chemikalien und Schadstoffen, die in die Umwelt gelangen. Dies kann zu einer Vielzahl von Problemen für die natürliche Umwelt und für Menschen in der Nähe des betroffenen Gebiets führen.

Über 50 Prozent des Trinkwassers in den USA stammen aus Grundwasser. Es ist auch eine der wichtigsten Quellen für Bewässerung.

Kontaminiertes Grundwasser - sei es durch Fracking, Pestizideinsatz oder fehlerhafte Abwassersysteme - kann die Sicherheit Ihres Trinkwassers, die Qualität der von Ihnen verzehrten Lebensmittel und die Gesundheit der umliegenden Muschelpopulationen beeinträchtigen.

Das Wachstum der Umweltbewegung im letzten halben Jahrhundert hat das öffentliche Bewusstsein für die Auswirkungen der Grundwasserverschmutzung geschärft. Dieses verstärkte Bewusstsein hat zu einem großen Druck geführt, kontaminiertes Grundwasser zu reinigen oder zu sanieren.

"Die Grundwassersanierung hat eine etwa 60-jährige Geschichte", sagte der leitende Forscher Haruko Wainwright, ein Wissenschaftler am Berkeley Lab, der Experte für Grundwasserverschmutzung und Umweltdatenanalyse ist.

Mängel in den aktuellen Sanierungsmethoden

Leider ist die Sanierung sowohl teuer als auch schwierig, ohne ungewollt negative Auswirkungen auf die Umwelt zu haben. Infolgedessen haben sich die Sanierungsexperten zunehmend von intensiven Sanierungs- und Bodenentfernungsmaßnahmen abgewandt, um eher „grüne“ oder passive Sanierungsstrategien zu verfolgen.

"In den letzten zehn Jahren wurde zunehmend erkannt, dass eine intensive Sanierung nicht effektiv ist und der Umwelt schaden kann, da sie viel Wasser und Energie verbraucht, Abfall und CO2 produziert und möglicherweise ökologische Störungen und Luftverschmutzung verursacht “, sagte Wainwright .

„Passive Sanierung oder natürliche Abschwächung wird jetzt als nachhaltiger angesehen und hat einen Nettowirkungsnutzen für die Umwelt. Die Überwachung des Grundwassers ist entscheidend für die Gewährleistung der öffentlichen Sicherheit, während diese nachhaltigen Ansätze umgesetzt werden. “

Wie Wainwright erklärt, erfordern die effektivsten Sanierungsstrategien eine genaue Langzeitüberwachung der Grundwasserverschmutzung. Aber auch hier ist eine Langzeitüberwachung sowohl komplex als auch teuer.

"Bei der herkömmlichen Überwachung werden jedes Jahr oder vierteljährlich Wasserproben entnommen und im Labor analysiert", sagte Wainwright. "Wenn es Anomalien oder ein extremes Ereignis gibt, könnten Sie die Änderungen verpassen, die die Schadstoffkonzentrationen oder das potenzielle Gesundheitsrisiko erhöhen könnten."

Dies stellt eine Herausforderung dar: Wie können Sie Schadstoffkonzentrationen zu geringen Kosten kontinuierlich überwachen?

Wainwrights Team fand eine Lösung.

Die neue Methode

„Unsere Methodik ermöglicht eine kontinuierliche Überwachung vor Ort mithilfe von Proxy-Messungen, sodass wir die Federbewegung in Echtzeit verfolgen können“, heißt es in einer Erklärung. „Die Analyse der autonomen In-situ-Daten kann mithilfe maschineller Lernmethoden schnell aus der Ferne analysiert werden.“

Bei der neuen Methode werden Sensoren verwendet, um Wasserqualitätsvariablen zu verfolgen, die als zuverlässige Indikatoren für Schadstoffkonzentrationen ermittelt wurden. Diese Variablen für die Wasserqualität unterscheiden sich je nach Standort und spezifischen Grundwasserkontaminanten.

Für diese Studie analysierten die Forscher Grundwasser am Savannah River Site in South Carolina.

Die Website ist eine ehemalige Produktionsstätte für Atomwaffen; Als Ergebnis verfolgten die Forscher die Grundwasserspiegel der Schadstoffe Tritium und Uran-238.

Die Konzentrationen dieser Kontaminanten können nicht direkt gemessen werden, so dass sie sich auf indirekte Messungen stützen, die als zuverlässige Indikatoren für Tritium und Uran-238 bestimmt wurden. Insbesondere maßen sie die Acidität oder den pH-Wert und die spezifische Leitfähigkeit, die ein Maß für die elektrische Leitfähigkeit ist.

Diese Messungen wurden dann in einen Kalman-Filter eingegeben, ein Algorithmus, der verwendet werden kann, um Änderungen in einem Systemzustand über die Zeit in Fällen zu messen, in denen der Systemzustand nicht direkt gemessen werden kann.

"Ein Kalman-Filter ist kein physikalischer Filter, sondern ein mathematischer Algorithmus, der gemischte Zeitreihendaten zur Erstellung von Schätzungen integrieren kann", so Wainwright. "Es wird häufig in verschiedenen Bereichen wie der Verkehrsvorhersage und der Fernerkundung eingesetzt."

Hier konnten die Forscher eine genaue Schätzung der Schadstoffkonzentrationen erstellen.

Dann testeten sie ihre Technik anhand historischer Daten von der Savannah River Site. Sie fanden heraus, dass ihr Algorithmus verlässliche Informationen über das Verhalten der Federwolke in den letzten 20-Jahren lieferte.

Dies deutet darauf hin, dass die Methode als langfristige Überwachungsstrategie zur Bewertung der Fahnenstabilität eines Kontaminanten effektiv sein könnte.

Es bedeutet auch, dass weniger regelmäßige manuelle Grundwasserproben und Laboranalysen erforderlich sind, die kostenintensiv sowie zeit- und arbeitsintensiv sind.

"Es kann als Frühwarnsystem dienen - wir können plötzliche Änderungen des Schadstoffgehalts erkennen", sagte Wainwright in einer Erklärung. „Diese Änderungen könnten darauf hindeuten, dass mehr oder weniger Maßnahmen in Bezug auf die Sanierungsstrategie erforderlich sind, was im Idealfall zu einer verbesserten und kostengünstigeren Sanierung führt.“

Darüber hinaus ist das Verfahren auch anpassungsfähig.

Es kann zur Überwachung von oberirdischen und unterirdischen Wasserverunreinigungen verwendet werden und könnte möglicherweise modifiziert werden, um eine Vielzahl von Schadstoffen zu verfolgen, einschließlich Metalle, Radionuklide und organische Verbindungen wie Arsen, Chrom und Brennstoffe.

Sie müssen nur zuverlässige In-situ-Messungen durchführen. Von dort können die Schadstoffkonzentrationen mit dem gleichen Rahmen abgeschätzt werden.

Es ist leicht vorstellbar, dass diese Methode an Standorten im ganzen Land weit verbreitet ist, aber zuerst muss sie von den Regulierungsbehörden überprüft und genehmigt werden.

Sobald dies der Fall ist, könnte dies die Sanierungsbemühungen erheblich unterstützen.

"Verbesserte Überwachungstechniken sind unerlässlich, um die öffentliche Gesundheit und die Ökologie zu schützen", sagte Wainwright in einer Erklärung. "Unsere Technik ist eine Möglichkeit, eine solche nachhaltige Sanierung zu überwachen - effektiv und kostengünstig."