Wissenschaftler untersuchen, wie sich Abwasserpraktiken in Florida Keys auf die Wasserqualität auswirken

Abwasser enthält Nährstoffe, die Algen überfüttern können, was zu schädlichen Algenblüten und Verschmutzungsproblemen im Meer und anderen Wasserstraßen führt. Eine neue Studie von Forschern der Penn State untersuchte, wie diese Nährstoffe von Mülldeponien in den Florida Keys wandern, und die Ergebnisse haben bereits in die Abwasserpraxis in der Region eingeflossen.

Die Wissenschaftler berichteten über ihre Erkenntnissedie zwei Jahre Abwasser- und Grundwasserüberwachungsdaten zusammenfassen, in der Zeitschrift ACS ES&T Wasser. Die Daten wurden bei ihrer Erhebung veröffentlicht.

Viele Kläranlagen in den Florida Keys führen zunächst eine biologische und chemische Behandlung des Abwassers durch und leiten es dann in flache Brunnen ein, die weniger als 100 Fuß unter der Erde liegen. Theoretisch würden verbleibende Nährstoffe wie anorganisches Phosphat an der Oberfläche des porösen Kalksteingrundgesteins adsorbieren oder dort haften bleiben, während die Abwasserfahne im Untergrund wandert, bevor sie die Küstengewässer erreicht, sagten die Wissenschaftler.

Forscher der Penn State University und andere Wissenschaftlergruppen haben jedoch eine potenzielle Abwasserverunreinigung im Grundwasser und in küstennahen Gewässern festgestellt, was darauf hindeutet, dass die derzeitigen Abwasserbehandlungs- und -entsorgungstechniken möglicherweise unzureichend sind. Unter Berufung auf frühere Studien anderer Forscher und vorläufige Daten aus dieser von Forschern der Penn State geleiteten Studie verklagte eine Umweltgruppe im Jahr 2022 die Stadt Marathon, Florida, wegen angeblicher Verschmutzung durch flache Brunnen. Die Stadt stimmte zu, den Rechtsstreit durch einen Verzicht auf die Nutzung solcher Brunnen beizulegen.

Im Jahr 2021 installierten Wissenschaftler der Penn State Überwachungsbrunnen rund um die Injektionsstelle der Abwasseraufbereitungsanlage der Stadt Marathon und sammelten zwei Jahre lang Daten zu Nährstoffen, gelösten Ionen und vom Menschen produzierten Verbindungen, wie dem künstlichen Süßstoff Sucralose und Arzneimitteln, im Grundwasser und küstennahe Gewässer.

Sie fanden heraus, dass durch den flachen Injektionsprozess mehr als 90 % des löslichen reaktiven Phosphors (SRP), einer Art anorganischem Phosphat, entfernt wurden. Den Forschern zufolge wurden jedoch sowohl SRP als auch Sucralose in küstennahen Gewässern nachgewiesen, was auf eine unvollständige Entfernung aus dem Abwasser hinweist.

„Unsere Ergebnisse deuten darauf hin, dass der Einsatz der Flachinjektion als Entsorgungsmechanismus für aufbereitetes Abwasser in Anlagen mit großen Abflusskapazitäten neu bewertet werden sollte“, sagte Miquela Ingalls, Assistenzprofessorin für Geowissenschaften an der Penn State und korrespondierende Autorin der Studie.

„Weitere analytische und quantitative Ansätze wie die, die wir hier verwendet haben, können dabei helfen, festzustellen, ob die Abwassereinspritzung als direktes Äquivalent einer Schadstoffeinleitung aus einer Punktquelle angesehen werden kann.“

Der Clean Water Act verbietet die direkte Einleitung von Schadstoffen in Süßwasser – beispielsweise Abwasser, das aus einem Rohr in einen Fluss gelangt. Aber ob etwas als Äquivalent einer direkten Einleitung betrachtet wird, ist kompliziert und hängt von Faktoren wie der Entfernung ab, die das Wasser zurücklegen muss, und dem Weg, den es nimmt, sagten die Forscher.

In den Florida Keys fließt das Wasser durch Grundgestein, das aus einem porösen Karbonatmaterial aus alten Korallenriffen besteht, das durch einen Prozess namens Adsorption Phosphat an seiner Oberfläche binden kann.

„Die Idee ist, dass das verbleibende Phosphat, das in den ersten Behandlungsschritten nicht beseitigt wurde, nach dem Pumpen in den Boden an der Oberfläche des Grundgesteins adsorbiert und aus der Lösung entfernt wird“, sagte Ingalls. „Wir haben untersucht, wie effektiv dieser Sanierungsmechanismus war, indem wir die Effizienz und Dauerhaftigkeit der Phosphatadsorption untersucht haben.“

Die Wissenschaftler sagten, dass etwa 75 % des SRP in den ersten 10 Tagen des Transits durch Adsorption aus der Wolke entfernt wurden. Ein langsamerer Entfernungsmechanismus, bei dem SRP in Kalziumphosphatmineralien eingebaut wird, wie sie unsere Knochen und Zähne bilden, führte zu einer Gesamteffizienz der Phosphatentfernung von über 90 %.

Die Forscher injizierten außerdem einen fluoreszierenden grünen Farbstoff, um die Bewegung des Abwassers vom Injektionsbrunnen durch die Reihe von Probenentnahmestellen zu verfolgen.

Das Grundwasser in den Florida Keys weist aufgrund der Nähe zum Ozean einen hohen Salzgehalt auf und ist daher sehr dicht, sagten die Wissenschaftler. Wenn weniger dichtes Abwasser in den Untergrund eingeleitet wird, steigt es schnell wieder an die Oberfläche.

Dies stellt ein Problem dar, da Schadstoffe oder Nährstoffe, die bei der ersten Behandlung nicht entfernt oder am Grundgestein adsorbiert wurden, möglicherweise direkt in küstennahe Gewässer entlang der Küste gelangen, sagten die Wissenschaftler.

„Aufgrund der Geographie der Keys ist es eine Art Zusammenfluss von Problemen“, sagte Ingalls. „Es gibt dieses salzige Grundwasser, das dafür sorgt, dass das weniger dichte Abwasser an die Oberfläche steigt. Und die Keys selbst sind so schmale Landkörper, dass es, sobald es an die Oberfläche zurückkehrt, nur eine sehr kurze Transportdistanz hat, bevor es wieder in den Ozean gelangt.“

Ingalls sagte, dass das Team weiterhin die von den flachen Injektionsbrunnen gesammelten Daten analysiert und sich derzeit auf den Stickstoffgehalt konzentriert – einen weiteren Abwasserschadstoff.

„Bei Phosphat geht es um die chemische Bindung an das Karbonatgrundgestein“, sagte sie.

„Bei Stickstoff geht es ausschließlich um die mikrobiellen Gemeinschaften, die im Untergrund leben und Nitrat und andere Stickstoffarten verbrauchen. Der Grund, beide zu untersuchen, besteht darin, dass beide ähnliche negative Auswirkungen auf sauberes Wasser haben können. Beide können Eutrophierung verursachen, was das Algenwachstum erhöht und.“ Bedingungen mit niedrigem Sauerstoffgehalt, die für empfindliche flache Meeresökosysteme schädlich sind.“