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3. Umweltkompartiment Wasser

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Academic year: 2021

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3. Umweltkompartiment Wasser

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Wasserarten und Verteilung

- Oberflächenwasser (Wasser in Bächen, Flüssen, Seen, Meeren, Ozeanen) - Wasserverteilung auf der Erde:

97,4% Salzwasser

2,6% Süßwasser, davon 77,2% Eis

22,2% Grundwasser (bis 800 m Tiefe 9,9%, bis 4000 m Tiefe 12,3%) 0,35% Seenwasser

0,003% Flusswasser

- nur noch selten hat das in der Natur vorkommende Wasser Trinkwasserqualität - Qualität von Höhe des Schadstoffeintrags abhängig

(3)

Wasserressourcen I

• Wasserverbrauch in der Neuzeit stark gestiegen Industrie, Hygiene

(pro Kopf-Verbrauch/Tag: vorindustriell: 10...30 L 1950: 85 L 2000: 325 L

• Gesamtwasservorräte der Erde sind konstant - 1,38 Mrd km3, davon 97,4 % Meerwasser - nur 2,6 % Süßwasser

- nur 0,3 % zur Trinkwassergewinnung geeignet

• ca 1/7 der Gesamtwassermenge befindet sich im Wasserkreislauf aus Verdunstung und Niederschlag

- Wasserkreislauf wird durch Sonneneinstrahlung in Gang gehalten - Verdunstung auf Landgebieten wird durch Pflanzen bestimmt

durchschnittlicher Niederschlag (D): 800 L/m3 /a Regen, Schnee

(4)

Wasserressourcen II

• Wasserbilanz des Festlandes wird durch Klimazonen bestimmt humid Niederschlagsmengen sind größer als die

Verdunstung (z.B. Tropen)

arid es verdunstet mehr Wasser als durch Niederschläge abgeregnet wird (Wüsten)

niveal Dauerfrostregion

• Niederschlagsmenge wird durch Luftströmungen und Temperatur gesteuert

Bundesrepublik: jährlich ca. 300 Mrd. m3 Niederschlag

(5)

Wasser:

- Bedingung für menschliches Leben

- Vorkommen in Hydrosphäre, Atmosphäre, Lithosphäre - fest, flüssig, gasförmig

- Wasserkreislauf (Treibhauseffekt) - Transportmittel, Lösungsmittel - Spezifische Stoffeigenschaften:

z.B. * hohe Oberflächenspannung

* Dielektrizitätskonstante

* Verdampfungs- Schmelzwärme

* Dichteverhalten

* Stoff der bei Normaltemperatur flüssig ist mit

niedrigster Molmasse

(6)

Funktionen des Wassers

• wichtige Rolle bei der Entstehung des Lebens

• Funktionen im Ökosystem

Stofftransport, Wärmepuffer, Wärmetransport, „Gaswäsche“ etc.

• Bedeutung für Lebewesen: Transportmittel, Energieerzeugung (Photosynthese !!)

(7)

Wassergehalt verschiedener Organismen

Mensch 63 %

Qualle 98 %

Gurke 95 %

Kartoffelkraut 85 %

Getreidesamen 10-13 %

(8)

Wasser

Molekül Bindung

Dipolmoment Wasserstoffbrückenbindungen

(9)

Anomalien des Wassers

starke Unterschiede in den chemisch-physikalischen Eigenschaften analog aufgebauter Verbindungen in gleicher PSE-Gruppe

H2 O / H2 S / H2 Se / H2 Te

* Wasser flüssig

* aus Extrapolation Fp. – 100 0C, Sdp: - 80 0C

Siede/Schmelzpunkte Dichteanomalie

Dichteeigenschaften und thermische Eigenschaften werden auf Bildung von Wasserstoffbrückenbindungen zurückgeführt

(10)

Physikalische Eigenschaften von Wasser und deren Bedeutung für die Umwelt

Eigenschaft Erläuterung Umweltrelevanz

--- Dichte größte Dichte 4oC, Seen frieren von der Oberfläche zu,

Volumenausdehnung bei Gefrieren Sprengung von Gesteinen (Verwitterung) Schmelz- und relativ hoch Existenz von flüssigem Wasser auf Erde Siedepunkt

Wärmekapazität größte WK aller Flüssigkeiten Pufferung extremer Temperaturschwankungen, Speicherung großer Wärmemengen

Wärmeleitfähigkeit gering vergl. mit Metallen erschwert vollständiges Zufrieren von Gewässern Verdampfungsenthalpie größte VE aller Flüssigkeiten kühlender Effekt der Transpiration bei Pflanzen,

Tieren, Menschen

Schmelzenthalpie 6,01 kJ/mol geringe Gefrierpunktserniedrigung bei salzhaltigem Wasser

Oberflächenspannung größte OS aller Flüssigkeiten Tropfenbildung in Wolken und Regen ,außer Hg

Dipolmoment/ hohes Dipolmoment, Lösungsmittel, Adsorption, Transport Dielektrizitätskonstante hohe Dielektrizitätskonstante

Lichtabsorption hoch in Bereichen des IR, Photosynthese, natürlicher Treibhauseffekt gering im Sichtbaren 180-780 nm

(11)

Wassergewinnung

- Oberflächenwasser aus Talsperren ⇒ Direktentnahme

- Oberflächenwasser aus Flüssen und Seen ⇒ Uferfiltrierung

Rohwasser

- Quellwasser ⇒ Direktverwendung als Trinkwasser

- Grundwasser ⇒ wird von enthaltenen natürlichen Stoffen befreit (Eisen, Mangan, Kalk, CO2 )

(12)

Abhängigkeit der Wasseraufbereitungstechnologie

- wozu soll Wasser genutzt werden (Trink-oder Brauchwasser) - Anteil organischer und anorganischer Schadstoffe

- Salzkonzentration des Wassers

- Anteil an Schwebstoffen und Kolloiden - bei Grund- und Quellwässern:

* Abhängigkeit von durchströmten Formationen (Zusammensetzung der Gesteine und Minerale)

* von der Verweilzeit im Boden, Bodenarten, Korngröße, Acidität, Gehalt an organischem Material (Huminstoffe, DOC)

(13)

Methoden der Trinkwasseraufbereitung

Aufbereitung ist notwendig wegen:

- Stoffen, die gesundheitsschädigend sind

- Stoffen, die geruchs- oder geschmacksverändernd sind - Stoffen, die zu technischen Störungen führen

Arbeitsschritte der Aufbereitung von Grundwässern:

- Entfernung von Schweb- und Trübstoffen - Belüftung zum Sauerstoffeintrag

- Enteisenung, Entmanganung - Einstellung des pH-Wertes - Entzug von Calciumionen

- Entfernung gelöster organischer Stoffe

- Desinfektion (Zugabe von Chlor, Chlordioxid u.a.)

(14)

Grenzwerte für chemische Stoffe

(15)

Wasserbelastung

• 3/4 des Abwassers ist Kühlwasser ⇒ „thermische Verschmutzung“

• Salzfrachten in Gewässern

⇒ Sulfate, Chloride, Nitrate, Phosphate

⇒ Quellen: Salzbergbau

Weser: 27 g Salz pro Liter Flußwasser ⇒ salziger als die Ostsee, entspricht 5,5 Mio. t Salz im Jahr ⇒ Kalibergbau

⇒ Phosphat-, Nitrateintrag ⇒ Nährstoffüberangebot

⇒ „Algenblüte“ - „Eutropierung der Gewässer“

• Schwermetallbelastungen

⇒ Quecksilber, Cadmium, Blei

⇒ Rückgang in den letzten Jahren durch strenge Gesetzgebung

⇒ relativ schnelle Anreicherung in Klärschlämmen

(16)

Belastung des Wassers durch Chemikalien in Waschmitteln

- Phosphate, Phosphatersatzstoffe (Bindung der Kalziumionen) - Natriumperborat (Bleichmittel)

- Magnesiumsilicat, EDTA (Bleichmittelstabilisatoren) - Tenside: anionische, kationische, (Reinigungsmittel) - Silikone, Trialkylmelamin-Derivate (Schaumregulatoren) - Carboxymethylcellulose (Vergrauungsinhibitoren)

- Cumarin, Furan-, Stilben- oder Triazofarbstoffe (Optische Aufheller) - Enzyme (Beseitigung z.B. von Blutflecken)

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Belastungen im Abwasser

- „Thermische Verschmutzung“

- Salzfrachten, incl. Schwermetalle - Organika (Waschmittel)

- Mikroorganismen

- Exkremente (Toilettenartikel)

Auftreten im Abwasser als gelöste Stoffe und Partikel/Kolloide

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Prinzipien der Abwasserreinigung

- hoher Durchsatz, robuste Verfahren

- Technologien der Abwasser- und Trinkwasseraufbereitung weisen immer mehr Gemeinsamkeiten auf

* z.B. Einsatz von Fällungs- und Flockungschemikalien

- Anpassung der eingesetzten Verfahren an Inhaltsstoffe der verschiedenen Abwasserarten:

Häusliche Schmutzwasser und gewerbliche Schmutzwasser

(z.B. aus Beizereien/Galvanisierbetrieben, Bergwerken, Brauereien,chemische Industrie, Textil-Färberei/Reinigung, Kokerei/Stahlindustrie, Tankstellen, Papier/Zellstoffindustrie)

Grundprinzip:

- Mechanische Reinigungsstufe - Biologische Reinigungsstufe - Chemische Reinigungsstufe

(19)

Technik der Abwasserreinigung

(20)

Bioabbau

- Bioabbau ist die Mineralisierung von organischen Stoffen vor allem durch Mikroorganismen (Bakterien, Pilze, Algen)

- Maß der Persistenz von organischen Stoffen (Schadstoffen) ist die Bildungsrate von CO2 , H2 O

- Bioabbau ist an Wachstum der Mikroorganismen gekoppelt:

„Organisches Substrat kann Schadstoff selbst sein…“

Wachstumsbedingungen für Mikroorganismen verbessern

(21)

Biologische Reinigungsstufe

Anwendbarkeit biologischer Verfahren nach Schadstoffgruppen

Schadstoff Eignung

Nichthalogenierte KW Aliphaten +++

Aliphaten (Teer) ++

Aromaten +++

PAK ++

Halogenierte KW Leichte, niedrigchloriert +++

Leichte, hochchloriert ++

Pestizide +

PVC +

+: Prinzipiell abbaubar, technisch unerprobt ++: Eingeschränkt abbaubar

+++: Problemlos abbaubar

(22)

Spezielle Verfahren der Abwasserreinigung

(23)

Chemische Reinigungsstufe

- Neutralisation

(Schwefelsäure, Salzsäure; Natronlauge, Kalkmilch)

- Redoxreaktionen

(HS

-

, Sulfit, Fe

2+

-Entfernung z.B. durch NaClO, H

2

O

2

, O

3

)

- Oxidation

(Eiweiße, Organika, UV O

2

, O

3

zu CO

2

und H

2

O)

- Fällungsreaktionen

(pH-Wert und anwesende Komplexbildner beachten z.B.

Ni

2+

mit Na

2

S)

(24)

Anforderungen an eingeleitete Schmutzwässer

- neutraler pH-Wert

- ambiente Temperatur - niedrige Salzfracht

- geringer Gehalt an Organika - keine giftigen Substanzen

- keine krankheitserregende Mikroorganismen

(25)

Schnitt durch den Aquifer mt einer permeablen

Reaktionswand

(26)

In-situ-Reaktionswände

- bisher „pump and treat-Verfahren“ zur Grundwasserreinigung - Entwicklung passiver durchlässiger Reaktions- und Adsorp-

tionswände

- Wände in Grundwasserabfluss eingebaut, Barriere für Schad- stoffe

- Adsorptionsmaterial z.B. Aktivkohle, Torf

- auch reaktive Schichten: Mikroorganismen, metallisches Fe,

Cr(VI) zu Cr(III)

Referenzen

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