Die Chemikalie Trifluoressigsäure (bzw. deren Anion Trifluoracetat, TFA als Synonym für beide chemische Spezies) kann durch natürliche und technische Aufbereitungsverfahren der Trinkwassergewinnung nicht zurückgehalten werden und stellt somit eine potenzielle Gefährdung für das Trinkwasser und die menschliche Gesundheit dar. Aufgrund der Persistenz des Stoffes kommt es bei fortlaufender Emission zur Anreicherung von TFA in den Trinkwasserressourcen. Gemäß aktueller Definition werden TFA und TFA-Vorläuferverbindungen (also Verbindungen, aus denen beim Abbau TFA gebildet wird) der chemischen Stoffklasse der per- und polyfluorierten Alkylverbindungen (PFAS) zugeordnet. Diese stehen derzeit stark im Fokus der Öffentlichkeit und Behörden.

TFA wird aus einer Vielzahl anthropogener Quellen in die aquatische Umwelt eingetragen, wobei zwischen primären Quellen (d. h., es erfolgt eine Emission der Substanz selbst) und sekundären Quellen (d. h., die Belastung mit TFA ist die Folge des Abbaus von emittierten TFA-Vorläufersubstanzen) unterschieden wird. Eine wichtige primäre Punktquelle für TFA in die aquatische Umwelt sind industrielle Einleitungen aus Betrieben, die den Stoff herstellen und/oder verarbeiten. Sekundäre Quellen für TFA sind vielfältig, da jede Substanz, die mindestens eine kohlenstoffgebundene Trifluormethylgruppe in ihrer chemischen Struktur enthält, eine potenzielle Vorläufersubstanz von TFA darstellt. TFA-Vorläufersubstanzen werden u. a. als Wirkstoffe in Pflanzenschutz- und Arzneimitteln sowie als Treib- und Kältemittel verwendet. TFA kann somit als sogenannte SMS (Substance from Multiple Sources) klassifiziert werden. Es kann davon ausgegangen werden, dass die Trinkwasserressourcen Mitteleuropas bereits über den Niederschlagspfad (also aufgrund des Abbaus von Treib- und Kältemitteln) im Durchschnitt mit mehr als 0,3 µg/L TFA belastet sind.

Eine Literaturstudie zur aktuellen Belastung der deutschen Trinkwasserressourcen zeigte eine flächendeckende Belastung mit TFA. Eine Entfernung von TFA bei der Trinkwasseraufbereitung ist nur durch Umkehrosmose möglich, deren flächendeckende Einführung in der Trinkwasserversorgung aus vielen Gründen abzulehnen ist. Andere Maßnahmen der Risikobeherrschung wie beispielsweise Ozonung, Aktivkohlebehandlung oder Chlorung sind praktisch wirkungslos. Eine Übersicht ist in Abbildung 1 dargestellt.

Nur der Schutz der Trinkwasserressourcen stellt eine wirksame Basis zur Sicherung der Trinkwasserqualität dar. Aufgrund der starken Indizien für steigende TFA-Emissionen und somit für eine zunehmende Belastung der Umwelt mit TFA ist eine generelle Reduzierung der TFA-Emissionen – unabhängig vom Eintragspfad – aus Vorsorge- und Minimierungsgründen unerlässlich.

Literatur

M. Scheurer, K. Nödler, F. Freeling, J. Janda, O. Happel, M. Riegel, U. Müller, F. Storck, M. Fleig, F. T. Lange, A. Brunsch und H.-J. Brauch, „Small, mobile, persistent: Trifluoroacetate in the water cycle – Overlooked sources, pathways, and consequences for drinking water supply,“ Water Research, Bd. 126, pp. 460–471, 2017.

Beschriftung der Abbildung: Schematische Darstellung von TFA-Eintragsquellen und Erfolgsaussichten verschiedener Behandlungsmöglichkeiten von TFA-haltigem Rohwasser; verändert nach Scheurer et al. (2017).

Der GCI-Rohrpassivsammler ermöglicht unter Nutzung der Anreicherung von Wasserinhaltsstoffen an Kollektormaterialien (Passivsammler) eine zeitintegrative Überwachung variierender Spurenstoff-Konzentrationen. Der optimierte Messwasserstrom und die stoffspezifische, frachtbasierte in situ-Kalibrierung ermöglichen eine hohe Sensitivität mit quantitativer Auswertung der Kollektionsbefunde. Der Vorteil liegt in der lückenlosen und integralen Überwachung über lange Zeiträume bei gleichzeitig geringem Aufwand für Laboranalysen. Die Abbildung 1 zeigt eine Rohrpassivsammler-Messeinrichtung im Bypass eines Betriebsbrunnens (A) und den geöffneten Rohrpassivsammler mit Träger und Passivsammlern (B).

Abb. 1 A: GCI-Rohrpassivsammler-Messeinrichtung zur PFAS-Messung im Bypass eines Wasserwerksbrunnens B: Rohrpassivsammler mit Träger und Passivsammlern C: Gegenüberstellung mittlerer PFAS-Konzentrationen aus Direktanalytik und Rohrpassivsammler-Monitoring einer 28 Tages Probe vom Werksausgang des Wasserwerks (aus Hein et al. 2025)

Die Kalibrierergebnisse zeigen deutliche Anreicherungseffekte der PFAS aus dem Messwasserstrom auf den Passivsammlern, die trotz sehr niedriger Konzentrationsbereiche im Reinwasser bis in den Bereich der analytischen Bestimmungsgrenze (1 ng/L) eine sichere Bestimmung und Beurteilung der relevanten Einzelverbindungen ermöglichen. Die Gegenüberstellung mittlerer PFAS-Konzentrationen eines 28-Tage-Versuches, der nicht Teil der Kalibrierung war, zeigt sehr gute Übereinstimmungen zwischen Direktanalytik von Mischwasserproben und dem kontinuierlichen Rohrpassivsammler-Monitoring (s. Abb. 1C).

Seit September 2025 werden die PFAS-Gehalte in einem Wasserwerk im Reinwasser und zwei ausgewählten Brunnen (im Einzugsgebiet einer Altlast) mit Rohrpassivsammlern kontinuierlich erfasst. Mit jeweils einer Analyse pro Monat kann hier die Einhaltung zulässiger Grenzwerte im Reinwasser am Werksausgang des Wasserwerkes und die Wirksamkeit eingeleiteter Abwehrmaßnahmen im Grundwasseranstrom überwacht werden. Die Ergebnisse des Rohrpassivsammler-Monitorings ermöglicht die Ableitung frachtbasierter Informationen für das kontinuierliche Monitoring.

Das patentierte Messprinzip (Patent-Nr. DE 10 2016 003 8430, 2017) kann insbesondere an unter-Druck-stehenden Systemen eingesetzt werden. Vielseitig erprobt ist der Einsatz im Bypass von Brunnen- und geklärten Abwasserförderströmen (Hensel et al. 2024) zur Detektion von sprengstofftypischen Verbindungen (STV), Industriechemikalien und Pharmaka. Auch in industriellem Abwasser wurde der Rohrpassivsammler erfolgreich getestet (Hensel et al., eingereicht).

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Hein, J.-H., Hensel, T., Zietzschmann F. (2025) Rohrpassivsammler - Eine innovative Messeinrichtung zur zeitintegrativen Überwachung anthropogener Wasserinhaltsstoffe im teilgeschlossenen Wasserkreislauf. Grundwasser, Themenheft 2026, Status accepted

Hensel, T., Hein, J.-H., Reemtsma, T., Sperlich, A., Gnirß, R., Zietzschmann, F. (2024) In Situ Calibration of a Tube Passive Sampler in Wastewater Effluent with Adjustable Volumetric Flow for the Assessment of Micropollutants with Fluctuating Concentrations. ACS ES&T water 4(12):5310–5319. https://doi.org/10.1021/acsestwater.4c00348

Hensel, T., Hein, J.-H., Krystek, P., Togola A., Reemtsma, T., Zietzschmann, F. Complementarity of passive sampling and composite aqueous sampling to assess PFAS emissions in industrial wastewater, Okt. 2025 eingereicht

Per- und polyfluorierte Alkylsubstanzen (PFAS) sind aufgrund ihrer außergewöhnlichen chemischen Stabilität und häufig hohen Mobilität äußerst schwer aus der Umwelt zu entfernen. Ihre Sanierung stellt daher eine große Herausforderung dar. Die In-situ-Anwendung von (kolloidaler) Aktivkohle (CAC) verfolgt das Ziel, durch die Bildung einer Sorptionsbarriere die weitere Ausbreitung von PFAS im Grundwasserleiter zu stoppen. Dafür werden Aktivkohlematerialien benötigt, die selbst bei geringer Beladung des Grundwassersediments (0,1–1 Ma%) eine hohe Rückhaltekapazität und damit eine lange Funktionsdauer über mehrere Jahrzehnte gewährleisten.

In diesem Vortrag werden die Entwicklung und Erprobung von injizierbarer kolloidaler Aktivkohle für In-situ-Sorptionsbarrieren vorgestellt. Untersucht wurden dabei eine kommerzielle CAC (Intraplex®) sowie sphärische Aktivkohlepartikel (ACS), ein derzeit noch in der Forschungsphase befindliches Material. Die ACS werden durch eine Bottom-up-Synthese unter Verwendung von Saccharose – einem lokal verfügbaren, nachwachsenden Rohstoff – hergestellt. Der Prozess umfasst eine hydrothermale Karbonisierung (HTC), gefolgt von einer thermischen Aktivierung unter variablen Bedingungen (z.B. Wasserdampfgehalt, Balda et al. 2023). Auf diese Weise entstehen hochreine, kugelförmige Kohlenstoffpartikel mit einem mittleren Durchmesser von etwa 1 µm und einer mikroporösen Struktur. Im Gegensatz dazu wird CAC über ein Top-down-Verfahren gewonnen, bei dem granulierte oder pulverisierte Aktivkohle nass vermahlen wird.

Im ersten Teil der Studie werden die Ergebnisse von Säulenversuchen und einem Feldtest vorgestellt, in denen die Rückhaltung verschiedener PFAS durch immobilisierte CAC untersucht wurde. Der Feldtest wurde mit Intraplex® als CAC-Produkt gemeinsam mit der Fa. Intrapore durchgeführt. Diese Daten dienten zur Abschätzung der langfristigen Leistungsfähigkeit und Lebensdauer von In-situ-Barrieren in kontaminierten Grundwasserleitern. Die Analysen zeigen, dass CAC-basierte Sorptionsbarrieren insbesondere für langkettige PFAS (> 6 C-Atome) und niedrige Konzentrationsbereiche (< 10 μg/l) geeignet sind. Solche Barrieren ermöglichen eine stabile Rückhaltung über Zeiträume von mehreren Jahrzehnten bis hin zu Jahrhunderten. Dadurch können PFAS-Fahnen – selbst bei hoher Mobilität oder Verdrängungsdynamik – wirksam aufgehalten werden, was den beteiligten Akteuren wertvolle Zeit für weiterführende Maßnahmen verschafft.

Im zweiten Teil wird das Potenzial der ACS für den Einsatz als In-situ-Sorptionsmittel bewertet. Hierzu wurden Batch-Experimente zur Untersuchung des Sorptionsverhaltens gegenüber PFAS, die Alterung des Materials sowie der Suspensionsstabilität durchgeführt. Ergänzend wurden Säulenversuche vorgenommen, um die Mobilität der ACS im Vergleich zu kommerziellem CAC zu bewerten.

Balda, M., Mackenzie, K., Woszidlo, S., Uhlig, H., Möllmer, J., Kopinke, F.-D., Georgi, A., 2023: Bottom-up synthesis of de-functionalized and dispersible activated carbon spheres as colloidal adsorbent, Int. J. Mol. Sci., 24 (4), art. 3831

Die zunehmende Verknappung von Trinkwasserressourcen durch neu auftretende Schadstoffe wie per- und polyfluorierte Alkylsubstanzen (PFAS), Pestizide und Arzneimittelrückstände erfordert eine detaillierte Bewertung ihrer Eintragsquellen, Transportpfade und Abbauprozesse im Wasserkreislauf. Angesichts der Vielzahl potenziell relevanter Substanzen sowie toxischer Transformationsprodukte besteht ein hoher Bedarf an zielgerichteten und innovativen Monitoringmethoden. Eine zentrale Fragestellung ist dabei, in welchem Maße der Schadstoffmassenfluss in Grundwasserleitern durch nachhaltige Abbauprozesse verringert wird – eine entscheidende Voraussetzung für fundierte Risikoabschätzungen und effiziente Sanierungskonzepte.

Isotopenanalytische Verfahren, insbesondere die komponentenspezifische Isotopenanalyse (CSIA) sowie enantiomerselektive Ansätze ermöglichen eine forensisch belastbare Zuordnung von Schadstoffquellen und die Bewertung biologischer und chemischer Abbauprozesse. Für PFAS erfolgten Methodenentwicklungen zur Anwendung von CSIA, um Quellenidentifizierung und Abbaubewertung prioritärer Verbindungen dieser Schadstoffklasse zu ermöglichen. Methodische Herausforderungen wie die vollständige Umsetzung thermostabiler Verbindungen und die Vermeidung störender Nebenprodukte konnten weitgehend überwunden werden. Damit gelang erstmals die Bestimmung von Kohlenstoffisotopenverhältnissen verschiedener PFAS-Verbindungen. Laborstudien zeigten deutliche Unterschiede der Isotopenfraktionierung bei reduktiven und oxidativen Reaktionsmechanismen, was das Potenzial von CSIA zur Bewertung des Sanierungserfolgs von PFAS aufzeigt.

Eine ergänzende Fallstudie zu chiralen Pestiziden (Dichlorprop, Mecoprop, 4-CPP) demonstriert die kombinierte Anwendung von CSIA, der Analyse von Enantiomeren und Schadstoffflussmessungen mit dem innovativen IsoFLUX-System. Durch die erstmalige Kombination dieser Methoden konnte der nachhaltige Rückgang des Schadstoffmassenflusses durch mikrobiellen Abbau erfasstt werden. Unterschiede von Enantiomerenverhältnissen und Isotopenwerten belegten die räumlich differenzierte Aktivität biologischer Transformationsprozesse und erlaubten die Differenzierung primärer und sekundärer Quellen. Solche quantitativen Nachweise des Abbaufortschritts sind entscheidend, um die Größe und Dynamik von Schadstofffahnen im Untergrund realitätsnah zu modellieren und die Wirksamkeit von Sanierungsmaßnahmen zu bewerten.

Neben der Darstellung der methodischen Entwicklung und der exemplarischen Einsatzmöglichkeiten werden die Anforderungen, aktuellen Limitationen und Perspektiven der vorgestellten, innovativen Verfahren diskutiert. Ihr Anwendungspotenzial erstreckt sich über verschiedene Stoffgruppen – von Pestiziden (z. B. Hexachlorcyclohexan, Atrazin, Bromacil) über Arzneimittelrückstände (z. B. Ibuprofen, Metoprolol) bis hin zu PFAS (z. B. PFOA). Die Kombination isotopen-, enantiomeren- und flussbasierter Methoden bietet ein leistungsfähiges Instrumentarium, um Anteile verschiedener Quellen zu quantifizieren, nachhaltige Abbauprozesse nachzuweisen und somit die Basis für eine risikoorientierte und kosteneffiziente Grundwassersanierung zu schaffen.

Bei Befunden anthropogener Schadstoffe in Grundwassermessstellen stellt sich stets die Frage nach dem Ort des Eintrags und damit auch nach dem möglichen Verursacher. Üblicherweise werden mögliche Eintragsorte anhand von Grundwassergleichenplänen ermittelt. Diese definieren die Anstromrichtung zur Messstelle, welche den konvektiven, horizontalen Stofftransport bestimmt. Aufgrund der natürlichen Heterogenität des Grundwasserleiters nimmt jedoch die Aussagesicherheit mit wachsender Entfernung zur Messstelle erheblich ab. Effekte wie die Variabilität der Durchlässigkeit und die hydrodynamische Dispersion können bereits bei relativ kurzen Fließwegen dazu führen, dass die Fließrichtung stark variiert. Bei mehrjährigen Fließzeiten erschweren darüber hinaus saisonale Grundwasserstands- und Fließrichtungsschwankungen die Ermittlung des Eintragsbereiches. Auch die durch die Grundwasserneubildung hervorgerufene Vertikalkomponente der Grundwasserströmung hat einen starken Einfluss auf den Fließweg.

All diese Effekte können mit einfachen Ansätzen wie dem LAWA-Verfahren[1] nicht adäquat erfasst werden. Auf der anderen Seite ist der Aufwand für eine umfassende geohydraulische Modellierung, die auch Parameterunsicherheiten und Schwankungen stochastisch erfasst sowie zeitliche Variabilitäten berücksichtigt, nur in seltenen Fällen gerechtfertigt.

Um dennoch nachvollziehbare und geohydraulisch begründete Aussagen zur Herkunft von Schadstoffen treffen zu können, wurde ein statistisches Particle-Tracking-Verfahren entwickelt, das es ermöglicht, die Auswirkungen verschiedener Parameterkombinationen effektiv zu berechnen und verbleibende Unsicherheiten transparent darzustellen.

Das Verfahren basiert auf einer inversen Stofftransportmodellierung, bei der mittels Random-Walk-Ansatz die Fließwege von mehreren Tausend Partikeln rückwärts – von der Messstelle in Richtung potenzieller Eintragsorte – simuliert werden. Jedem Partikel können dabei unterschiedliche Parameterwerte (z. B. Durchlässigkeit, Dispersivität, Grundwasserneubildung, Fließrichtung) zugewiesen werden, um sowohl stochastische Schwankungen als auch bestehende Unsicherheiten im hydrogeologischen Kenntnisstand abzubilden.

Die resultierende Flächendichte dieser Punkte lässt sich als Wahrscheinlichkeitsverteilung interpretieren (siehe Abbildung). Bereiche mit hoher Dichte weisen eine erhöhte Wahrscheinlichkeit auf, tatsächlich zum Eintrag beigetragen zu haben. Liegt eine potenzielle Quelle beispielsweise im zentralen Bereich der berechneten Verteilung (z. B. unterhalb des 75. Perzentils), ist mit hoher Wahrscheinlichkeit von einem Zusammenhang mit der gemessenen Belastung auszugehen.

Für insgesamt 492 Grundwassermessstellen in Mecklenburg-Vorpommern wurden im Auftrag des Landesamtes für Umwelt, Naturschutz und Geologie auf diese Weise Eintragsflächen berechnet. Zur Sicherstellung konsistenter Ergebnisse erfolgten im Vorfeld umfangreiche Sensitivitätsanalysen. Schwerpunkt war dabei die Ableitung eines Parametermodells für die Dispersivität.

Der vorgestellte Ansatz schließt eine Lücke zwischen vereinfachten Planungsinstrumenten und aufwändiger Modellierung und liefert ein robustes Werkzeug für die nachvollziehbare Rückverfolgung von Schadstoffeinträgen ins Grundwasser.

[1] https://www.laenderfinanzierungsprogramm.de/projektberichte/lawa/, Projekt G 1.17, Zugriff am 10.10.2025

Das Forschungsinteresse an organischen Spurenstoffen (organic micro pollutants: OMPs) in Süßwasser- und Meeresumgebungen hat zugenommen. Allerdings gibt es nur wenige Erkenntnisse über ihr Vorkommen, ihre Verteilung und ihr Verhalten in Küstenaquiferen an der Land-Meer-Übergangszone. Am Untersuchungsort, dem Hochenergiestrand an der Nordseite von Spiekeroog, verändern dynamische hydrometeorologische Bedingungen ständig die Strandmorphologie. Zusammen mit saisonalen Sturmfluten führen diese Bedingungen zu dynamischen Grundwasserströmungspfaden, verschieben die Süßwasser-Salzwasser-Mischungszone und verursachen hohe Salzgehalts- und Redoxgradienten. Dementsprechend fungiert der Strand als effizienter biogeochemischer Reaktor. Um das Verständnis der Prozesse von OMPs in der Land-Meer-Übergangszone zu verbessern, wurden insgesamt 13 Wasserproben, die entlang eines Strandtranssekts von den Dünen bis zur Niedrigwasserlinie in Tiefen von 6 m, 12 m, 18 m und 24 m entnommen wurden, sowie Meerwasser mittels LC–MS/MS auf 117 OMPs untersucht. Zweiunddreißig Verbindungen wurden in messbaren Konzentrationen nachgewiesen, von denen 12 über der Bestimmungsgrenze (LOQ) lagen. Die meisten dieser Verbindungen wiesen maximale Konzentrationen im Meerwasser auf und waren entlang des Transekts entsprechend der Strömungspfade des eindringenden Meerwassers verteilt. Die höchsten Konzentrationen wurden in der intertidalen Rezirkulationszelle beobachtet, die sich durch ihren hohen Salzgehalt, ihre oxischen Bedingungen bis in 12 m Tiefe im Infiltrationsbereich und ihr relativ junges Grundwasseralter auszeichnet. Umgekehrt wurden niedrigere Konzentrationen der Substanzen nahe der Dünenbasis, wo der Salzgehalt geringer ist, und in tieferen Regionen festgestellt, in denen anoxische Bedingungen vorherrschen und das Grundwasser älter ist. Grundsätzlich weisen alle 12 Verbindungen also eine positive Korrelation mit dem Meerwasseranteil und eine negative Korrelation mit dem Alter des Grundwassers auf. Dies deutet darauf hin, dass das eindringende Nordseewasser der Eintrittsweg der OMPs in den Küstenaquifer ist und nicht das Süßwasser aus der Süßwasserlinse der Insel. Genauer betrachtet ergab die Mischungsanalyse drei Prozesse, die auf bestimmte Verbindungen einwirken: Entfernung (Melamin, Metformin, 5-Methyl-1H-benzotriazol, Valsartansäure), Anreicherung durch Umwandlungsprozesse (Terbutylazin-2-hydroxyl, Propanolol, Benzocain) und konservative Mischung (Ammelide, Acesulfam).

Spectral Induced Polarization (SIP) is a non-invasive geophysical method that provides characterization of electrochemical processes occurring at mineral-fluid interfaces. Despite growing applications in the field of hydrogeophysics, there have been limited mechanistic interpretations of SIP signals in terms of geochemical reactions. The aim of this study is to investigate the potential for SIP to monitor both natural and engineered geochemical processes. These processes are related to the remediation of contamination and landfill operations, focusing on changes in the electrical double layer (EDL) as a result of (1) redox-dependent immobilization of heavy metals, (2) ion exchange, and (3) mineral dissolution in a porous medium. We carried out controlled flow-through column studies where we combined SIP monitoring, geochemical analysis and reactive transport modeling to relate changes in SIP imaginary conductivity to geochemical changes. Three experimental systems were studied. The first experimental system focused on the sorption and reduction of Cr(VI) onto magnetite-coated sand. SIP observed a short increase in imaginary conductivity during Cr(VI) injection, which was then followed by a continuous decrease, corresponding to the availability of reactive sites in time. This provides evidence that SIP could serve as a non-invasive early-warning tool to monitor reactive barrier performance. The second system was designed to explore ion exchange in municipal solid waste and focused on the ammonium desorption and potassium exchange under various salinities. Imaginary conductivity during low salinity was associated with the ammonium dynamics, while higher salinity conditions were linked to the bulk ionic strength, but still enabled detection of the ion exchange front. Thus, these findings provide further support for SIP as a real-time monitored technique for examining landfill processes. The third system investigated proton-promoted dissolution of Fe(II)-bearing minerals in natural sands. SIP provided evidence of a reproducible V-shaped anomaly of imaginary conductivity that correlates with the advancing dissolution front, indicating that SIP is sensitive to geochemical disequilibrium and moving reactive fronts in porous media. The above three systems provide evidence that SIP provides data beyond bulk electrical properties. Therefore, SIP could be combined with reactive transport modeling and geochemical data to serve as a valuable non-invasive monitoring and management tool for contaminated and reactive subsurface systems in real-time.