O / H - HZDR

3.
Umweltkompartiment Wasser
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
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
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
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
Funktionen des Wassers
• wichtige Rolle bei der Entstehung des Lebens
• Funktionen im Ökosystem
Stofftransport, Wärmepuffer, Wärmetransport, „Gaswäsche“ etc.
• Bedeutung für Lebewesen: Transportmittel, Energieerzeugung
(Photosynthese !!)
Wassergehalt verschiedener Organismen
Mensch
63 %
Qualle
98 %
Gurke
95 %
Kartoffelkraut
85 %
Getreidesamen
10-13 %
Wasser
Molekül
Dipolmoment
Bindung
Wasserstoffbrückenbindungen
Anomalien des Wassers
starke Unterschiede in den chemisch-physikalischen Eigenschaften
analog aufgebauter Verbindungen in gleicher PSE-Gruppe
H2O / H2S / H2Se / H2Te
* Wasser flüssig
* aus Extrapolation Fp. – 100 0C, Sdp: - 80 0C
Siede/Schmelzpunkte
Dichteanomalie
Dichteeigenschaften und thermische Eigenschaften werden auf Bildung
von Wasserstoffbrückenbindungen zurückgeführt
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
Siedepunkt
relativ hoch
Existenz von flüssigem Wasser auf Erde
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
geringe Gefrierpunktserniedrigung bei
salzhaltigem Wasser
6,01 kJ/mol
Oberflächenspannung größte OS aller Flüssigkeiten
Tropfenbildung in Wolken und Regen
,außer Hg
Dipolmoment/
hohes Dipolmoment,
Dielektrizitätskonstante hohe Dielektrizitätskonstante
Lösungsmittel, Adsorption, Transport
Lichtabsorption
Photosynthese, natürlicher Treibhauseffekt
hoch in Bereichen des IR,
gering im Sichtbaren 180-780 nm
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)
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)
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.)
Grenzwerte für chemische Stoffe
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
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)
Belastungen im Abwasser
- „Thermische Verschmutzung“
- Salzfrachten, incl. Schwermetalle
- Organika (Waschmittel)
- Mikroorganismen
- Exkremente (Toilettenartikel)
→ Auftreten im Abwasser als gelöste Stoffe und Partikel/Kolloide
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
Technik der Abwasserreinigung
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, H2O
- Bioabbau ist an Wachstum der Mikroorganismen gekoppelt:
„Organisches Substrat kann Schadstoff selbst sein…“
Wachstumsbedingungen für Mikroorganismen verbessern
Biologische Reinigungsstufe
Anwendbarkeit biologischer Verfahren nach Schadstoffgruppen
Schadstoff
Nichthalogenierte KW
Halogenierte KW
+:
++:
+++:
Eignung
Aliphaten
Aliphaten (Teer)
Aromaten
PAK
Leichte, niedrigchloriert
Leichte, hochchloriert
Pestizide
PVC
Prinzipiell abbaubar, technisch unerprobt
Eingeschränkt abbaubar
Problemlos abbaubar
+++
++
+++
++
+++
++
+
+
Spezielle Verfahren der Abwasserreinigung
Chemische Reinigungsstufe
- Neutralisation
(Schwefelsäure, Salzsäure; Natronlauge, Kalkmilch)
- Redoxreaktionen
(HS-, Sulfit, Fe2+-Entfernung z.B. durch NaClO, H2O2, O3)
- Oxidation
(Eiweiße, Organika, UV O2, O3 zu CO2 und H2O)
- Fällungsreaktionen
(pH-Wert und anwesende Komplexbildner beachten z.B.
Ni2+ mit Na2S)
Anforderungen an eingeleitete Schmutzwässer
- neutraler pH-Wert
- ambiente Temperatur
- niedrige Salzfracht
- geringer Gehalt an Organika
- keine giftigen Substanzen
- keine krankheitserregende Mikroorganismen
Schnitt durch den Aquifer mt einer permeablen
Reaktionswand
In-situ-Reaktionswände
- bisher „pump and treat-Verfahren“ zur Grundwasserreinigung
- Entwicklung passiver durchlässiger Reaktions- und Adsorptionswände
- Wände in Grundwasserabfluss eingebaut, Barriere für Schadstoffe
- Adsorptionsmaterial z.B. Aktivkohle, Torf
- auch reaktive Schichten: Mikroorganismen, metallisches Fe,
Cr(VI) zu Cr(III)