Phosphor im Wasser Der natürliche Kreislauf des Wassers im See

Seebelüftung Sempachersee
Phosphor im Wasser
Was geschieht im Seewasser im Jahresverlauf?
Die Überdüngung des Sempachersees – Hintergründe
Winter
Sommer
Oberflächenwasser nimmt
Sauerstoff auf; es kühlt bis
4°C ab und sinkt dann mit
dem Sauerstoff auf den
Seegrund
Seezuflüsse
bringen Phosphor
verstärktes Algenwachstum wegen
Phosphor
wärmeres Wasser
steigt an die
Oberfläche
Algen sterben ab und sinken auf den Grund;
→ Faulung: Sauerstoff wird verbraucht.
Folge: kein Sauerstoff für Fischeier und
Lebewesen im Sediment
Phosphor ist nicht giftig – im Gegenteil: er ist lebenswichtig für Mensch, Tier und Pflanzenwelt
Aufnahmeweg
Gene (DNA, Erbsubstanz);
Wachstumsförderer
Zellen (ATP, Energie-erzeugung der Zellen)
Nahrung:
Fleisch, Milchprodukte, Getreide, (Cola)
Tagesbedarf eines Menschen : 0.75 g
Seebelüftung
Biodünger (Jauche, Mist);
Mineraldünger (Phosphatdünger)
Sedimentbohrkern als Zeitzeuge
2003
Rückgang der Einlagerung von schwarzem Eisensulfid:
Der zugeführte Sauerstoff hilft, die abgestorbene Biomasse
vollständig abzubauen.
1983
Beginn der Massnahmen zur Sanierung:
• See-extern durch Reduktion der Phosphatdüngung,
• See-intern durch künstliche Belüftung
Ca. 1936
Erstmals zeugen schwarze Eisensulfid-Einlagerungen von sauerstofffreien
Verhältnissen.
Die organische Biomasse konnte nicht mehr vollständig abgebaut werden.
Der natürliche Kreislauf des Wassers im See
Wasser hat bei 4°C die grösste Dichte. Sobald es an der Seeober-fläche auf 4°C abgekühlt ist, sinkt es
mitsamt dem gelösten Sauer-stoff auf den Grund, und wärmere (und damit weniger dichte) Schichten
gelangen an die Seeoberfläche. - Aus diesem Grund kann übrigens ein See erst gefrieren, wenn der
ganze Wasserkörper auf 4°C abgekühlt ist – erst unterhalb dieser Temperatur ist das kältere Wasser
leichter und bleibt an der Oberfläche.
Diese natürliche Zirkulation funktioniert nur im Winter. Im Sommer hingegen gilt: je näher an der
Oberfläche, desto wärmer ist das Wasser. Es findet keine vertikale Durchmischung und kein Sauerstofftransport in die Tiefe statt.
Der See legt also im Winter für sein Tiefenwasser eine „Sauerstoff-reserve“ an, die bis im nächsten
Winter halten sollte. Sauerstoff am Seegrund ist lebenswichtig für Plankton und Fischeier.
spezifische Dichte von Wasser
1000
spezifische Dichte (g/Liter)
in Zellen
Pflanzen
998
996
Maximum
bei 4°C
994
992
990
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
Temperatur (°C)
Löslichkeit von Sauerstoff
Kaltes Wasser vermag wesentlich mehr Sauerstoff zu lösen als warmes.
Dies hilft dem See im Winter, da das sauerstoffgesättigte kalte Oberflächenwasser absinkt und seinen Sauerstoffvorrat mit in die Tiefe nimmt. Dieser Vorrat muss bis zum nächsten Winter reichen, da
während der warmen Jahreszeit kein Nachschub kommt.
Löslichkeit von Sauerstoff in Wasser
Pro Jahr werden rund 3 mm Sediment abgelagert. Neben Staub
sind dies auch Abbauprodukte von Algen. Fehlt der Sauerstoff,
können die faulenden Algen auch mit Sulfat reagieren. Zurück
bleibt dabei schwarzes Sulfid. Schwarze Zonen weisen also auf
Sauerstoffmangel im Tiefenwasser hin. Bildquelle: EAWAG
16
14
Löslichkeit (mg/Liter)
in Körperteilen
Menschen / Tiere
Knochen, Zähne
12
10
8
6
4
2
0
0 2
4
6
8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34
Temperatur (°C)
Der Ansatz zur Seesanierung
Ergebnisse der Massnahmen
Ursachen- und Symptombekämpfung
1983
(Beginn der Belüftung)
2013
(aktueller Zustand)
5.5 t
3.5 t
Kein Sauerstoff
4 mg/Liter
Phosphorzufuhr
aus den Seezuflüssen
Sauerstoffgehalt im Wasser
am Seegrund
(Minimalwerte im Herbst)
Grundsätzlich liegt das Problem nicht darin, dass der See zu viel Phosphor enthält, sondern dass am
Seegrund zu wenig Sauerstoff ist. Die Ursache für den Sauerstoff-mangel liegt jedoch im Phosphor,
da er das Algenwachstum fördert.
1. Ursachenbekämpfung: Düngebeschränkungen im See-Einzugsgebiet
Die Phosphorzufuhr in den See erfolgt zum grössten Teil über die Zuflüsse. Wenn im Einzugsgebiet
weniger Phosphor (in Form von Dünger) eingebracht wird, gelangt weniger Phosphor in den See. Folge: es wachsen weniger Algen, die später beim Absterben am Seegrund Sauerstoff verbrauchen.
Zusammenhang zwischen Phosphor und Sauerstoff im See
Algen sterben ab und sinken auf den Seegrund. Deren Faulung verbraucht Sauerstoff.
Folge: dem Wasser wird der gelöste Sauerstoff entzogen. Ohne Sauerstoff im Wasser ersticken die
Lebewesen in der Tiefe (Plankton, Fischlaich).
2. Symptombekämpfung: Seebelüftung
Durch die künstliche Zufuhr von Sauerstoff kann einerseits der Abbau der im Sediment faulenden Algen beschleunigt werden, anderseits wird mit der Zeit genügend Restsauerstoff bleiben, der ein Überleben der Fischeier gewährleistet.
Der Seebelüftungskompressor
Entwicklung des Phosphorgehaltes
im Sempachersee
1954-2012 Messungen (Kant. Labor/UWE/EAWAG)
Gesetzliche Anforderung: weniger als 30 mg P/m3
2015
1997 Verzicht auf den Eintrag von
Reinsauerstoff
2000
1993 Öko-Zahlungen an Landwirtschaft
1995
1992 ARA Hildisrieden stillgelegt, Abwasser zur ARA Surental abgeleitet
1990
1988 maximale Tierdichte 3 DGVE/
ha
1986 Phosphatverbot in Waschmitteln
1985
ab 1984 Seeinterne Massnahmen
1984 grosses Fischsterben
1983 Gründung des Gemeindeverbandes (GVS)
1982 Konzept Seesanierung (GSA)
1980
Jahr
Wauwil
1978 Erhebung der Tierbestände
1975
1976 Phosphor-Fällung in ARA
1975 ARA Surental Inbetriebnahme
inkl. Kanalisationen bis Eich
und Nottwil
1970
1973 ARA Hildisrieden Inbetriebnahme
1972 ARA Sempach Inbetriebnahme
bis 1968 noch keine Abwassersanierung
1955
0
50
100
150
200
Gesamtphosphor in mg P/m3
uwe Luzern
Feb. 2013/rl
luftgekühlt
mit Ölschmierung
Motor
45 kW
CHF 120.-
Druckluftleitung 8 Druckschläuche verlaufen bis zum tiefsten Punkt des Sees. Länge: 1.8 km
Sommerhalbjahr Sauerstoffzufuhr mit feinblasiger Belüftung
Winterhalbjahr
Unterstützung der natürlichen Seeumwälzung mit grobblasige Belüftung Büron
Gunzwil
Sure
Beromünster
Lage der Belüftungsdiffusoren
Knutwil
Sursee
Oberkirch
Schenkon
S
e
Eich
m
p
a
1965 starke Zunahme der Schweinebestände (Schweinemast) und
Beginn Maisanbau
1960
Schraubenkompressor
Damit kein Schmieröl in den See gelangt, wird der komprimierte Luftstrom über ein Aktivkohlefilter
geleitet.
1970 ARA Eich bis 1975
1968 ARA Büel/Bäch bis 1975
1965
Typ
Stromkosten
in 24 h 2010
2005
Kaeser, Baujahr 2010
Stromverbrauch in 24 h 1‘080 kWh
getroffene Massnahmen:
ab 1999 Phosphor-Projekt: ökologische
Beiträge nach Art. 62a GchG
für Verminderung von Düngestoffeinträgen aus der Landwirtschaft
Fabrikat
Nottwil
c
h
e
rs
Sempach
e
e
Der Sempachersee
Länge
7.5 km
max. Breite
2.3 km
Grösste Tiefe
87 m
Wasservolumen 0.639 km3
Soppensee
Neuenkirch