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Peter Krebs Wasserwesen Institut für Siedlungs- und Industriewasserwirtschaft Professur Siedlungswasserwirtschaft Grundlagen der Siedlungswasserwirtschaft 2 Grundlagen zur Systembeschreibung 2.1 Wasserverbrauch 2.2 Abwasserströme 2.3 Parameter zur Beschreibung von Wasserqualität 2.4 Wasser- und Stoffbilanzen Grundlagen der Siedlungswasserwirtschaft Kap.2 Grundlagen © PK, 2005 - Seite 1 2 Grundlagen zur Systembeschreibung 2.1 Wasserverbrauch Grundlagen der Siedlungswasserwirtschaft Kap.2 Grundlagen © PK, 2005 - Seite 2 Wasserverbrauch privater Haushalte in Deutschland (Quelle: BGW-Wasserstatistik Grundlagen der Siedlungswasserwirtschaft Kap.2 Grundlagen © PK, 2005 - Seite 3 Wasserförderung in Dresden 1875 - 1999 Trinkwasserförderung (Mio m³/a) (Quelle: DREWAG – Stadtwerke Dresden GmbH (2002)) 80 60 40 20 0 1875 1900 Grundlagen der Siedlungswasserwirtschaft 1920 1940 Kap.2 Grundlagen 1960 1980 2000 © PK, 2005 - Seite 4 Wasserverbrauch privater Haushalte in D, 1998 Bundesland (Quelle: Umweltbundesamt (2001), S. 52f.) Thüringen Schleswig-Holstein Sachsen-Anhalt Sachsen Saarland Rheinland-Pfalz Nordrhein-Westfalen Niedersachsen Mecklenburg-Vorpommern Hessen Hamburg Bremen Brandenburg Berlin Bayern Baden-Württemberg 0 Grundlagen der Siedlungswasserwirtschaft 20 40 60 80 100 120 140 160 Wasserverbrauch in l/(E*d)© PK, 2005 - Seite 5 Kap.2 Grundlagen Trinkwasserverbrauch 6% 6% 2% 6% 6% 34% 12% 28% Grundlagen der Siedlungswasserwirtschaft Kap.2 Grundlagen 34% Baden/Duschen 28% WC 12% Wäsche 6% Körperpflege 6% Geschirrspülen 6% Raumreinigung 6% Gießen, Auto 2% Kochen/Trinken © PK, 2005 - Seite 6 Wasserverbrauch 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 45 – 50 12 – 14 Grundlagen der Siedlungswasserwirtschaft Kap.2 Grundlagen © PK, 2005 - Seite 7 Wasserverbrauch: Tagesgang 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 Siedlungswasserwirtschaft Kap.2 Grundlagen © PK, 2005 - Seite 8 Wasserverbrauch: „Extremereignisse“ Wasserverbrauch in Dortmund, WM-Endspiel Italien-Deutschland, 11.7.1982 Grundlagen der Siedlungswasserwirtschaft Kap.2 Grundlagen © PK, 2005 - Seite 9 Spitzenfaktoren nach DVGW-W 400-1 f d ,max Qd ,max Qd ,m f h,max 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 Siedlungswasserwirtschaft Kap.2 Grundlagen © PK, 2005 - Seite 10 Definition und Anwendung der Spitzenfaktoren Kürzel Bezeichnung Für Bemessung von Qd,m Mittlerer Tagesverbrauch Wasserdargebot, Betriebskosten, Preiskalkulation Qd,max Größter Tageswasserverbrauch Wassergewinnung, Wasseraufbereitung Speicher Qd,max fd,max Qd,m Qh,m Mittlerer Stundenverbrauch Qh,max Größter Stundenverbrauch Qh,max fh Qh,m Grundlagen der Siedlungswasserwirtschaft Rohrleitung Speicher -Netz Qd,m fh 24 Kap.2 Grundlagen © PK, 2005 - Seite 11 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 Siedlungswasserwirtschaft 33,6 km³ Industrie private Haushalte Kap.2 Grundlagen Sonstiges © PK, 2005 - Seite 12 2 Grundlagen zur Systembeschreibung 2.2 Abwasserströme Grundlagen der Siedlungswasserwirtschaft Kap.2 Grundlagen © PK, 2005 - Seite 13 Abwasserströme: Trockenwetter Qt = Qs + Qf Qt Trockenwetterabfluss Qs Schmutzwasserabfluss Qf Fremdwasserabfluss Qs = Qh + Qg Qh häusliches Abwasser Qg Schmutzwasser aus Gewerbe und Industrie alle Größen sind starken Schwankungen unterworfen ! unterscheiden zwischen Momentanwert und Dimensionierungsgrößen Grundlagen der Siedlungswasserwirtschaft Kap.2 Grundlagen © PK, 2005 - Seite 14 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 Siedlungswasserwirtschaft Kap.2 Grundlagen © PK, 2005 - Seite 15 Fremdwasser Qf • Grundwasserinfiltration • Drainage und Sickerwasser • Quell- und Bachwasser • Brunnenwasser • Kühlwasser und Wasser aus Wärmepumpen • Überlaufwasser aus Reservoirs Das Fremdwasseraufkommen ist variabel Grobe Abschätzung Grundlagen der Siedlungswasserwirtschaft Q f 0.3 0.4 Qs Q f Ared ha red 0.05 0.15l / s ha red Kap.2 Grundlagen © PK, 2005 - Seite 16 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 Siedlungswasserwirtschaft Kap.2 Grundlagen © PK, 2005 - Seite 17 Siedlungsentwässerung bei Regenwetter Schmutzwasserspeicher Überlauf Entlastung Mischwasserspeicherung Grundlagen der Siedlungswasserwirtschaft Kläranlage Gereinigtes Abwasser Fließgewässer Kap.2 Grundlagen © PK, 2005 - Seite 18 Regenwasser im Mischsystem Mischwasserzufluss zur Kläranlage gemäß ATV A131 (1991) Qm 2Qs Q f 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 Siedlungswasserwirtschaft Kap.2 Grundlagen © PK, 2005 - Seite 19 2 Grundlagen zur Systembeschreibung 2.3 Parameter zur Beschreibung von Wasserqualität Grundlagen der Siedlungswasserwirtschaft Kap.2 Grundlagen © PK, 2005 - Seite 20 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 Siedlungswasserwirtschaft Kap.2 Grundlagen © PK, 2005 - Seite 21 Gase O2 Sauerstoff • einfache Messung • Verbrauch bei Abbau organischer Substanz und oxidativen Prozessen CO2 Kohlenstoffdioxid • korrosionschemischer Parameter • Einfluss auf Kalk-Kohlensäure-Gleichgewicht H2S Schwefelwasserstoff • giftig • in niedrigen Konzentrationen sehr geruchsintensiv • Vorkommen bei anaeroben Bedingungen Grundlagen der Siedlungswasserwirtschaft Kap.2 Grundlagen © PK, 2005 - Seite 22 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 Siedlungswasserwirtschaft Kap.2 Grundlagen © PK, 2005 - Seite 23 Stickstoff NH4+ Ammonium und NH3 Ammoniak • 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 NO3- 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 Siedlungswasserwirtschaft Kap.2 Grundlagen © PK, 2005 - Seite 24 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 Siedlungswasserwirtschaft Kap.2 Grundlagen © PK, 2005 - Seite 25 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 Siedlungswasserwirtschaft Kap.2 Grundlagen © PK, 2005 - Seite 26 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 Siedlungswasserwirtschaft Kap.2 Grundlagen © PK, 2005 - Seite 27 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 Siedlungswasserwirtschaft Kap.2 Grundlagen © PK, 2005 - Seite 28 2 Grundlagen zur Systembeschreibung 2.4 Wasser- und Stoffbilanzen Grundlagen der Siedlungswasserwirtschaft Kap.2 Grundlagen © PK, 2005 - Seite 29 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 Bodenfeuchte 85 0,0058 1,93 1 Atmosphäre 14 0,00096 0,32 0,027 0,00008 0,03 0,031 Wasserressource Salzwasser Aktives Grundwasser Seewasser Fließgewässer Verfügb. Süßwasser Total Grundlagen der Siedlungswasserwirtschaft 1,2 28380,2 1475703 Anteil an Erneuerungsverf. Süßw. zeit (%) (a) 0,3 ~100 Kap.2 Grundlagen 100 © PK, 2005 - Seite 30 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 Siedlungswasserwirtschaft Kap.2 Grundlagen © PK, 2005 - Seite 31 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 Siedlungswasserwirtschaft Kap.2 Grundlagen © PK, 2005 - Seite 32 Wasserbilanz der Stadt Zürich Seewasser Grundwasser 53 8 Quellwasser 8 Wasseraufbereitung 69 Export in 15 Nachbargemeinden Import aus anderen Gemeinden 9 Verbraucher 45 5 Eigenverbrauch, Verluste 1-2 Fremdwasser ca. 20-30 Nutzungsverluste Regenwasser ca. 25 Kanalisation 100 7-8 Kläranlage 92 92 in mio m3/a Grundlagen der Siedlungswasserwirtschaft Vorfluter Kap.2 Grundlagen Entlastung © PK, 2005 - Seite 33 N- und P- Eintrag in Fließgewässer (D) 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 10 775 100 58 100 Kläranlage Entlastung/Regenkanal Gesamt (Quelle: Umweltbundesamt, 1997) Grundlagen der Siedlungswasserwirtschaft Kap.2 Grundlagen © PK, 2005 - Seite 34 Grundlagen der Siedlungswasserwirtschaft Kap.2 Grundlagen Kanalisation ohne KA Regenauslässe Mischwasserentlastungen KA-Ablauf TW+RW Gesamt Punktemissionen Diffuse Emissionen Gesamt Emission Immission Pb (kg/a) Neckar: Immission – Emission von Blei 25000 20000 15000 10000 5000 0 © PK, 2005 - Seite 35 Neckar: Immission – Emission von Kupfer 50000 Kupfer (kg/a) 40000 30000 20000 10000 KA ss e lis at io n oh ne sl ä ge n en au Ka na w is ch M R eg nt la st un TW +R W au f bl -A 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 Siedlungswasserwirtschaft KA on si on is si m Im en 0 Kap.2 Grundlagen © PK, 2005 - Seite 36 Grundlagen der Siedlungswasserwirtschaft Kap.2 Grundlagen © PK, 2005 - Seite 37
