Grundlagen - TU Dresden
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Fachrichtung Wasserwesen, Institut für Siedlungs- und Industriewasserwirtschaft Grundlagen der Wasserversorgung 1 Einführung in die Siedlungswasserwirtschaft 2 Grundlagen zur Systembeschreibung 3 Wassertransport Peter Krebs Dresden, 2010 Peter Krebs Fachrichtung Wasserwesen, Institut für Siedlungs- und Industriewasserwirtschaft Grundlagen der Wasserversorgung 2 Grundlagen zur Systemschreibung 2.1 Wasserverbrauch 2.2 Abwasserströme 2.3 Parameter zur Beschreibung von Wasserqualität 2.4 Wasser- und Stoffbilanzen Grundlagen der Wasserversorgung Kap. 2 Grundlagen zur Systembeschreibung © PK, 2010 – Seite 2 Peter Krebs Fachrichtung Wasserwesen, Institut für Siedlungs- und Industriewasserwirtschaft Grundlagen der Wasserversorgung 2 Grundlagen zur Systemschreibung 2.1 Wasserverbrauch 2.2 Abwasserströme 2.3 Parameter zur Beschreibung von Wasserqualität 2.4 Wasser- und Stoffbilanzen Grundlagen der Wasserversorgung Kap. 2 Grundlagen zur Systembeschreibung © PK, 2010 – Seite 3 Wasserverbrauch 1975 – 2007 BRD DE Waserverbrauch l/(Person Tag) 160 150 147 140 146 144 135 132 129 130 127 126 124 122 120 110 100 90 80 1975 1979 1983 1987 1991 1995 1998 2001 2004 2007 Statistisches Bundesamt Grundlagen der Wasserversorgung Kap. 2 Grundlagen zur Systembeschreibung © PK, 2010 – Seite 4 Wasserverbrauch l/(Person Tag) Wasserverbrauch 2007 160 140 133 120 116 127 135 133 123 118 112 98 100 133 128 122 116 100 85 90 90 80 60 40 20 0 g r be m tte r ü W n de a B rn ye Ba n lt g n d n n g n lz in en nd en er le ur ur fa ha se se se te an a g l m l a b b s n s m P h f h r e h t in n e A ol ac ac aa am H ür Br sc es om nd H nde s t S h S r H p a e n u l r T e s ig -W a e n w D in Vo ei ed ch Br i s e h a N le rg R S rh ch rd bu o S n e N kl c e M n rli Be Statistisches Bundesamt Grundlagen der Wasserversorgung Kap. 2 Grundlagen zur Systembeschreibung © PK, 2010 – Seite 5 Trinkwasserförderung (Mio m³/a) Wasserförderung in Dresden 1875 – 1999 80 60 40 20 0 1875 1900 1920 1940 1960 1980 2000 (Quelle: DREWAG – Stadtwerke Dresden GmbH (2002)) Grundlagen der Wasserversorgung Kap. 2 Grundlagen zur Systembeschreibung © PK, 2010 – Seite 6 Aufteilung des Trinkwasserverbrauchs 6% 6% 2% 6% 6% 34% 12% 28% Grundlagen der Wasserversorgung Kap. 2 Grundlagen zur Systembeschreibung 34% Baden/Duschen 28% WC 12% Wäsche 6% Körperpflege 6% Geschirrspülen 6% Raumreinigung 6% Gießen, Auto 2% Kochen/Trinken © PK, 2010 – Seite 7 Verbrauch von Haushaltsgeräten Waschmaschine Geschirrspüler Herstellung (l/Zyklus) (l/Zyklus) 1980 125 – 175 45 – 55 1985 100 – 125 30 – 40 1990 70 – 125 20 – 30 2000 50 – 60 12 – 15 2010 40 – 50 10 – 12 Grundlagen der Wasserversorgung Kap. 2 Grundlagen zur Systembeschreibung © PK, 2010 – Seite 8 Tagesgang des Wasserverbrauchs 2,5 Großstadt Kleinstadt Dorf Tagesmittel Q / Qm 2 1,5 1 0,5 0 0 4 8 12 16 20 24 Tageszeit (h) Grundlagen der Wasserversorgung Kap. 2 Grundlagen zur Systembeschreibung © PK, 2010 – Seite 9 Wasserverbrauch: Extremereignisse Wasserverbrauch in Dortmund, WM-Endspiel Italien-Deutschland, 11.7.1982 Grundlagen der Wasserversorgung Kap. 2 Grundlagen zur Systembeschreibung © PK, 2010 – Seite 10 Spitzenfaktoren, nach DVGW-W 400-1 fd Qd ,max Qd ,m fh Qh,max Qh,m 7 6 Faktor . 5 Stundenspitzenfaktor fh 4 3 2 1 0 1000 Tagesspitzefaktor fd 10000 100000 1000000 Anzahl Einwohner Grundlagen der Wasserversorgung Kap. 2 Grundlagen zur Systembeschreibung © PK, 2010 – Seite 11 Definition und Anwendung der Spitzenfaktoren Kürzel Bezeichnung für Bemessung von Qd,m Mittlerer Tagesverbrauch Wasserdargebot, Betriebskosten, Preiskalkulation Qd,max Maximaler Tageswasserverbrauch Wassergewinnung, Wasseraufbereitung, Speicher Qd,max fd Qd,m Qh,m Mittlerer Stundenverbrauch Qh,m Qh,max Qd ,m 24 h / d Maximaler Stundenverbrauch Qh,max fh Qh,m fh Grundlagen der Wasserversorgung Rohrleitung, Speicher, Netz Qd,m 24 Kap. 2 Grundlagen zur Systembeschreibung © PK, 2010 – Seite 12 Wassernutzung weltweit Afrika Asien Europa 214 km³ 2156 km³ 512 km³ Nordamerika Südamerika Ozeanien Welt 3760 km³ (Quelle: WRI (2001)) 680,8 km³ 166 km³ Landwirtschaft Grundlagen der Wasserversorgung 33,6 km³ Industrie private Haushalte Kap. 2 Grundlagen zur Systembeschreibung Sonstiges © PK, 2010 – Seite 13 Peter Krebs Fachrichtung Wasserwesen, Institut für Siedlungs- und Industriewasserwirtschaft Grundlagen der Wasserversorgung 2 Grundlagen zur Systemschreibung 2.1 Wasserverbrauch 2.2 Abwasserströme 2.3 Parameter zur Beschreibung von Wasserqualität 2.4 Wasser- und Stoffbilanzen Grundlagen der Wasserversorgung Kap. 2 Grundlagen zur Systembeschreibung © PK, 2010 – Seite 14 Abwasserströme: Trockenwetter Qt = Q s + Q f Qt Qs Qf Trockenwetterabfluss Schmutzwasserabfluss Fremdwasserabfluss Qs = Q h + Q g Qh Qg häusliches Abwasser Schmutzwasser aus Gewerbe und Industrie alle Größen sind starken Schwankungen unterworfen unterscheiden zwischen Momentanwert und Dimensionierungsgrößen Grundlagen der Wasserversorgung Kap. 2 Grundlagen zur Systembeschreibung © PK, 2010 – Seite 15 Schmutzwasser aus Betrieben Einrichtung Krankenhaus, je Tag und Bett Hallenbad, je Besucher Freibad, je Besucher Schulhaus, je Schüler und Tag Bürohaus, je Beschäftigten Kaserne, je Person Schlachthof, je Stück Großvieh Kaufhaus, je Beschäftigten Gaststätte, je Gast Hotel, je Gast (l/d) 250 150 150 10 40 250 300 100 15 200 – 600 – 180 – 200 – 50 – 60 – 350 – 400 – 1000 – 20 – 600 (Sportanlagen, Dusche) (Restaurant, Klimaanlage) (ATV, 1994) Grundlagen der Wasserversorgung Kap. 2 Grundlagen zur Systembeschreibung © PK, 2010 – Seite 16 Fremdwasser Qf • Grundwasserinfiltration • Drainage und Sickerwasser • Quell- und Bachwasser • Brunnenwasser • Kühlwasser und Wasser aus Wärmepumpen • Überlaufwasser aus Reservoirs Das Fremdwasseraufkommen ist variabel Grobe Abschätzung Qf 0.5 Qs Qf Ared hared 0.05 0.15l /s hared Qf f Kanalisati onslänge Grundlagen der Wasserversorgung Kap. 2 Grundlagen zur Systembeschreibung © PK, 2010 – Seite 17 Abwasserströme: Regenwetter Bedeutung von Regenereignissen • Regenwasserabfluss maßgebend für Kanaldurchmesser • Regenwasser nach Oberflächenabfluss kontaminiert • Wegen Regenwasser wird Schmutzwasser entlastet • Kanalsedimente werden erodiert • Kläranlagenbetrieb wird über das Regenereignis hinaus gestört Grundlagen der Wasserversorgung Kap. 2 Grundlagen zur Systembeschreibung © PK, 2010 – Seite 18 Siedlungsentwässerung bei Regenwetter Schmutzwasserspeicher Überlauf Entlastung Mischwasserspeicherung Grundlagen der Wasserversorgung Kläranlage Gereinigtes Abwasser Fließgewässer Kap. 2 Grundlagen zur Systembeschreibung © PK, 2010 – Seite 19 Regenwasser im Mischsystem Mischwasserzufluss zur Kläranlage gemäß ATV A131 (1991) Qm 2Qs Qf Mischwasserbecken („Regenüberlaufbecken“) • Speicherung verzögertes Ableiten zur Kläranlage • Partielle Reinigung Überlauf Mischwasserentlastung • Direkt aus Kanalisation Kanalentlastung • Aus Mischwasserbecken Beckenüberlauf • Unterschiedliche Beschaffenheit je nach Phase und Ereignisverlauf Grundlagen der Wasserversorgung Kap. 2 Grundlagen zur Systembeschreibung © PK, 2010 – Seite 20 Peter Krebs Fachrichtung Wasserwesen, Institut für Siedlungs- und Industriewasserwirtschaft Grundlagen der Wasserversorgung 2 Grundlagen zur Systemschreibung 2.1 Wasserverbrauch 2.2 Abwasserströme 2.3 Parameter zur Beschreibung von Wasserqualität 2.4 Wasser- und Stoffbilanzen Grundlagen der Wasserversorgung Kap. 2 Grundlagen zur Systembeschreibung © PK, 2010 – Seite 21 Partikuläre Stoffe TSS totale suspendierte Stoffe (total suspended solids) • Filter mit Porengröße 0.45 m • Tendenz zum Absetzen GV Glühverlust (VSS, volatile suspended solids) • Glühen der TSS bei 650°C • der verglühte Anteil entspricht ~ organischer Substanz • Maß für die Biomasse • zentrale Bedeutung für die Sauerstoffzehrung TSS – VSS Glührückstand • mineralische Stoffe Grundlagen der Wasserversorgung Kap. 2 Grundlagen zur Systembeschreibung © PK, 2010 – Seite 22 Gase O2 Sauerstoff • einfache Messung • Verbrauch bei Abbau organischer Substanz und oxidativen Prozessen CO2 Kohlenstoffdioxid • korrosionschemischer Parameter • Einfluss auf Kalk-Kohlensäure-Gleichgewicht H 2S Schwefelwasserstoff • giftig • in niedrigen Konzentrationen sehr geruchsintensiv • Vorkommen bei anaeroben Bedingungen Grundlagen der Wasserversorgung Kap. 2 Grundlagen zur Systembeschreibung © PK, 2010 – Seite 23 Stickstoff N2 elementarer Stickstoff • • • • gasförmig NO2 Hauptanteil an Gasen der Atmosphäre schlecht löslich ohne Sauerstoff Denitrifikation NO3- N2 TKN totaler Kjeldahl Stickstoff • Summe (org. N + Ammonium-N) • org. N in Eiweißen und Proteinen • org. N durch chemische Oxidation als Ammonium freigesetzt Messung Grundlagen der Wasserversorgung Kap. 2 Grundlagen zur Systembeschreibung © PK, 2010 – Seite 24 Stickstoff NH4+ Ammonium und NH3 Ammoniak • • • • • NO3- die Summe wird gemessen Gleichgewicht temperatur- und pH-abhängig Temp. und pH höher NH3 -Anteil größer Abbau organischer Stoffe NH4+ wird freigesetzt Nitrifikation zu Nitrat Sauerstoffzehrung Nitrat und NO2- Nitrit • (NH4+ + NH3) NO2- NO3• Nitrit ist ein starkes Fischgift • Nitrat im Grundwasser (vorrangig durch Landwirtschaft) • Nitrit ist besser messbar als Nitrat Grundlagen der Wasserversorgung Kap. 2 Grundlagen zur Systembeschreibung © PK, 2010 – Seite 25 Kohlenstoff und Phosphor TOC totaler organischer Kohlenstoff DOC gelöster organischer Kohlenstoff • Alle organischen Verbindungen • Messung ( CO2) aufwendig, teuer, genau TP, Ptot totaler Phosphor GP gelöster Phosphor PO4–P Ortho-Phosphat • org. P Bestandteil von DNA, RNA • Ortho-Phosphate in Salzen der Phosphorsäure (H3PO4, , H2PO4-, HPO42-, PO43-) • Analytik: org. P wird mineralisiert, das dadurch entstehende Ortho-Phospat wird gemessen Grundlagen der Wasserversorgung Kap. 2 Grundlagen zur Systembeschreibung © PK, 2010 – Seite 26 Summenparameter: Sauerstoffzehrung BSB5 biochemischer Sauerstoffbedarf in 5 Tagen (BOD5) • 5 Tage, 20°C, dunkel Reduktion O2-Gehalt • biologisch abbaubare organische Stoffe • Verdünnung m. O2-reichem Wasser, animpfen Biomasse CSB chemischer Sauerstoffbedarf (COD) • vollständige Oxidation org. Stoffe bis zu CO2 und H2O wie viel O2 ist nötig • Oxidationsmittel Kalium-Dichromat (K2Cr2O7) in kochender und stark saurer Lösung • Fast alle org. Stoffe, also nicht nur biologisch abbaubare • CSB lässt sich bilanzieren Elektronenübergang Grundlagen der Wasserversorgung Kap. 2 Grundlagen zur Systembeschreibung © PK, 2010 – Seite 27 Metalle Fe Eisen und Mn Mangan • Bedeutung besonders bei Wasseraufbereitung und -verteilung • Sauerstoffverbrauch bei Umwandlung von gelöster in ungelöste Form Al Aluminium • Fischgift • Lösung bei niedrigen pH-Werten As Arsen und Cd Cadmium sowie weitere Schwermetalle • toxisch • Vorkommen geogen und anthropogen bedingt Grundlagen der Wasserversorgung Kap. 2 Grundlagen zur Systembeschreibung © PK, 2010 – Seite 28 Trübung und SAK Trübung • entsteht durch Lichtstreuung an suspendierten ungelösten Teilchen • Teilchen können Farbträger und/oder Träger von Bakterien sein • einfache Messung SAK254 Spektraler Absorptionskoeffizient bei 254 nm • Strukturinformationen über organische Substanz • hohe Werte durch komplexe organische Stoffe SAK436 Spektraler Absorptionskoeffizient bei 436 nm • Gelb-Braun-Färbung eines Wassers durch Eisenbindungen sowie organische Stoffe (Huminstoffe) Grundlagen der Wasserversorgung Kap. 2 Grundlagen zur Systembeschreibung © PK, 2010 – Seite 29 Peter Krebs Fachrichtung Wasserwesen, Institut für Siedlungs- und Industriewasserwirtschaft Grundlagen der Wasserversorgung 2 Grundlagen zur Systemschreibung 2.1 Wasserverbrauch 2.2 Abwasserströme 2.3 Parameter zur Beschreibung von Wasserqualität 2.4 Wasser- und Stoffbilanzen Grundlagen der Wasserversorgung Kap. 2 Grundlagen zur Systembeschreibung © PK, 2010 – Seite 30 Globales Wasser Volumen Anteil am Wasser (103 km3) (%) 1370323 93,942 3000 Fossiles Grundwasser 60000 4,113 5000 Eis 24000 1,645 8000 4000 0,274 91,38 330 280 0,019 6,34 7 Wasserressource Salzwasser Aktives Grundwasser Seewasser Anteil an Erneuerungsverf. Süßw. zeit (%) (a) Bodenfeuchte 85 0,0058 1,93 1 Atmosphäre 14 0,00096 0,32 0,027 0,00008 0,03 0,031 Fließgewässer Verfügb. Süßwasser Total Grundlagen der Wasserversorgung 1,2 28380,2 1475703 0,3 ~100 100 Kap. 2 Grundlagen zur Systembeschreibung © PK, 2010 – Seite 31 Wasserbilanz Niederschlag N Evapotranspiration ET S Speicherung S Abfluss Q Einzugsgebiet N ET Q S Einzugsgebiet, langfristig N ET Q Zeitmaßstab ist maßgebend bei der Bilanzierung Anthropogener Einfluss stört die langfristige Bilanz Grundlagen der Wasserversorgung Kap. 2 Grundlagen zur Systembeschreibung © PK, 2010 – Seite 32 Wasserbilanz für Deutschland Öffentliche Wasserversorgung 18 mm/a Anteil WV in % Jahresniederschlag 790 mm/a 2,3 % Verdunstung 490 mm/a 3,7 % Abfluss gesamt 300 mm/a 6,0 % davon über Grundwasser ca. 240 mm/a 7,5 % Grundlagen der Wasserversorgung Kap. 2 Grundlagen zur Systembeschreibung © PK, 2010 – Seite 33 Wasserbilanz der Stadt Zürich Seewasser Grundwasser 53 8 Quellwasser 8 Wasseraufbereitung 69 Export in Nachbargemeinden 15 Import aus anderen Gemeinden 9 Verbraucher 45 5 Eigenverbrauch, Verluste 1Nutzungsverluste 2 FremdRegenwasser wasser ca. 25 ca. 20-30 Kanalisation 100 7-8 Kläranlage 92 92 in mio m3/a Grundlagen der Wasserversorgung Vorfluter Entlastung Kap. 2 Grundlagen zur Systembeschreibung © PK, 2010 – Seite 34 N- und P-Eintrag in deutsche Fließgewässer N P in 1000 t (%) in 1000 t (%) Diffuse Einträge 460 60 29 50 Punktförmige Einträge 315 40 29 50 275 35 23 40 40 5 6 10 58 100 Kläranlage Entlastung/Regenkanal Gesamt 775 100 (Quelle: Umweltbundesamt, 1997) Grundlagen der Wasserversorgung Kap. 2 Grundlagen zur Systembeschreibung © PK, 2010 – Seite 35 Neckar: Immission und Emission von Blei 25000 Pb (kg/a) 20000 15000 10000 5000 Kap. 2 Grundlagen zur Systembeschreibung Kanalisation ohne KA Regenauslässe KA-Ablauf TW+RW Gesamt Punktemissionen Diffuse Emissionen Mischwasserentlastungen Grundlagen der Wasserversorgung Gesamt Emission Immission 0 © PK, 2010 – Seite 36 Neckar: Immission und Emission von Kupfer 50000 Kupfer (kg/a) 40000 30000 20000 10000 KA ss e lis at io n oh ne sl ä ge n R eg en au Ka na w is ch M nt la st un TW +R W au f bl KA as se re ne n is si o on tP am es G un kt em Em is si m is D iff us e tE am es G Grundlagen der Wasserversorgung -A on si on is si m Im en 0 Kap. 2 Grundlagen zur Systembeschreibung © PK, 2010 – Seite 37
