siedlungswasserwirtschaft 5 biologie und chemie teil 1: chemie · 2 siedlungswasserwirtschaft •...
Post on 27-Aug-2019
218 Views
Preview:
TRANSCRIPT
Siedlungswasserwirtschaft1
PD Dr. Martin DeneckeSprechstunde: Freitag, 13.30 – 14.30
martin.denecke@uni-due.de++49 201 183 2742
Raum: V15 R01 N23
Siedlungswasserwirtschaft 5
Biologie und Chemie
Teil 1: Chemie
C6H12O6 + 6 O2 → 6 CO2 + 6 H2OC6H12O6 + 6 O2 → 6 CO2 + 6 H2O
Siedlungswasserwirtschaft2
• Grundlagen der Wasserchemie,
• einfache chemische Berechnungen ,
• Grundlagen der Mikrobiologie,
• Biologie und Chemie der Wasseraufbereitung
Ziele
Siedlungswasserwirtschaft3
Literatur und Quellen
http://www.arnold-chemie.de/downloads/molrechnen.pdf
http://www.arnold-chemie.de/downloads/VOC-rechnen.pdf
http://www.arnold-chemie.de/downloads/waessrige-loesungen.pdf
Siedlungswasserwirtschaft4
Atome und Moleküle
Das Atom (von ἄτοµος (ὕλη) átomos (hýle) „unteilbare (Materie)“) ist der kleinste, chemisch nicht weiter teilbare Baustein der Materie
Heliumatom
ElektronNeutron
Proton
fm = 10-15m
Siedlungswasserwirtschaft5
Atome und Moleküle
Ein Molekül (lat. molecula = kleine Masse) ist ein Teilchen, das aus zwei oder mehreren zusammenhängenden Atomen besteht, welche durch kovalente Bindungen verbunden sind.
Strukturformel der Askorbinsäure C6H8O6Summenformel der Askorbinsäure
Vitamin C
Siedlungswasserwirtschaft6
Stoffmenge, Teilchen und Masse I
n = Stoffmenge, Einheit ist mol, n = m/M
m = Masse, Einheit ist g
M = molare Masse, Einheit ist g/mol
c = Stoffmengenkonzentration (Molarität), Einheit ist mol/L
C = n/V
Siedlungswasserwirtschaft7
Stoffmenge, Teilchen und Masse II
N = Teilchenzahl, N = NA * n
NA = Avogadrosche Zahl = 6,02205* 1023 Teilchen/mol
u = atomare Masseneinheit, Einheit ist g
1u = 1/12 der Masse eines C-Atoms(Definition der Atommassenkommission 1961)
1u = 112
12,011 [g/mol]6,02205 *1023 [mol-1]
= 1,66056 * 10-24g*
Siedlungswasserwirtschaft8
Stoffmenge, Teilchen und Masse III
Die Molmasse ist eine grundlegende Eigenschaft der Moleküle, ohne die in der Chemie keine Berechnungen durchgeführt werden können.
Das Molgewicht/die Molmasse ist das Gewicht von 1mol Teilchen einer individuellen Teilchensorte, etwa Kohlendioxid CO2.
• mol = Stoffmengenangabe• Atommasseneinheit = u (unit )• makroskopische Masseneinheit = g• Umrechnungsfaktor: 6,022 * 1023 (NA)• 1 g = 6,022 * 1023 u (Avogadro-Zahl)
Siedlungswasserwirtschaft9
Stoffmenge, Teilchen und Masse IV
Siedlungswasserwirtschaft10
Stoffmenge, Teilchen und Masse V
Siedlungswasserwirtschaft11
Struktur- und Summenformeln
Siedlungswasserwirtschaft12
Chemische Formel und Gleichung
Chemische Formeln stehen für einen Stoff z. B. Wasser
H2O
Chemische Gleichungen stehen für einen chemischen Vorgang z. B.
H2 + ½ O2 → H2O
In einer chemischen Gleichung muss die Summe der Atomeeines Elements auf beiden Seiten gleich sein.
Siedlungswasserwirtschaft13
Konversionsfaktoren
Welches Volumen nehmen Gase ein?
Siedlungswasserwirtschaft14
Satz des Avogadro für ideale Gase
Siedlungswasserwirtschaft15
Molvolumen
Siedlungswasserwirtschaft16
Molvolumen ist Temperaturabhängig
Siedlungswasserwirtschaft17
Molvolumen ist Temperaturabhängig
Siedlungswasserwirtschaft18
1. Welche Masse haben 1 mol H2-Moleküle (H = 1,01 g/mol)?
Lösung:
m(H2) = 2 * m(H)m(H) = n(H) * M(H)m(H2) = 2 * n(H) * M(H)m(H2) = 2 * 1 mol * 1,01g/mol = 2,02 g
2. Welche Masse haben 0,7 mol Glukose (C6H12O6) (C = 12,01 g/mol, O = 16 g/mol)?
Lösung:
m(C6H12O6) = 6 * 12,01 + 12 * 1,01 + 6 * 16,0 = 72,06 + 12,12 + 96,0= 180,18 * 0,7 = 126,12 g3. Welche Masse haben 0,37 mol Essigsäure (CH3COOH)
Lösung:
m(CH3COOH) = 2 * 12,01 + 4 * 1,01 + 2 * 16,0 = 60,06 * 0,37 = 22,22 g
Berechnungsbeispiele
Siedlungswasserwirtschaft19
4. Welche Masse haben 0,24 mol Methanol CH3OH?
5. Welche Masse hat ein mol Wasser?
Lösung:
m(H2O) = 2 * 1,01 + 1 * 16,0 = 18,02 g
6. Wie viel mol Wasser enthält ein L Wasser?
Lösung:
M(H2O) = 18,02 g/mol, 1 L = 1.000 g, 1.000 g/18,02 g/mol = 55,49 mol
Lösung:
m(CH3OH) = 1 * 12,01 + 4 * 1,01 + 1 * 16,0 = 32,05 * 0,24 = 7,69 g
7. Wie viel g NaCl sind in 3 L einer 1,5 M Lösung?
Lösung:
M(NaCl) = 58,4 g/mol, 1,5 mol/L * 58,44 g/mol = 87,66 g/L, 3 L * 87,66 g/L = 262,98 g
Berechnungsbeispiele
Siedlungswasserwirtschaft20
8. Wie viel g NaCL muss man für eine 1,7 Mol Lösung einwiegen bei 370 mL Volumen (Na = 22,99 g/mol, Cl = 35,45 g/mol)?Lösung:
M(NaCl) = 58,44 g/mol, 58,44 * 1,7 = 99,34 g/L, 99,34 * 0,37 = 36,75 g
9. Wie viel g Glukose muss man für eine 0,76 M Lösung einwiegen bei 1,56 L Volumen? Glukose = C6H12O6Lösung:
M Glukose = 6 * 12 + 12 * 1 + 6 * 16 = 180 g/mol; 180 * 0,76 = 136,8 g/L; 136,8 * 1,56 = 213,4 g
10. Wie viel g Essigsäure sind in 1,5 L einer 0,34 M Lösung? Essigsäure = CH3COOH
Lösung:
M (CH3COOH) = 2 * 12 + 4 * 1 + 2 * 16 = 60 g/mol; 60 * 0,34 = 20,4 g/L; 20,4 * 1,5 = 30,6 g
Berechnungsbeispiele
Siedlungswasserwirtschaft21
11. Wie viel % Stickstoff sind in Nitrat (NO3-) (N = 14 g/mol)?
Lösung:
M (NO3-) = 1 * 14 + 3 * 16 = 14 + 48 = 62 g/mol ≈ 100 %; 14 g/mol ≈ 22 %
12. Wie viel g Stickstoff sind in 3,7 mol Nitrat (NO3-)?
Lösung:
M (NO3-) = 1 * 14 + 3 * 16 = 14 + 48 = 62 g/mol; 3,7 * 14 = 51,8 g
13. Wie viel % Stickstoff sind in Ammonium (NH4+)?
Lösung:
M (NH4+) = 1 * 14 + 4 * 1 = 18 ≈ 100 %; 14 g/mol ≈ 77,7 %
Berechnungsbeispiele
Siedlungswasserwirtschaft22
14. Wie viel % Stickstoff sind in Ammoniumnitrat (NH4NO3)?
Lösung:
M (NH4NO3) = 2 * 14 + 3 * 16 + 4 * 1 = 80 g/mol ≈ 100 %; 28 g/mol ≈ 35 %
15. Wie viel g Sauerstoff werden für die Oxidation von 100 g Glukose verbraucht? C6H12O6 + 6O2 → 6CO2 + 6H2OLösung:
M (Glukose) = 180 g/mol, 100 g = ≈ 0,55 mol; 0,55 * 6 = 3,3 mol O2; 1 mol O2 = 32 g; 32 * 3,3 = 105,6 g
16. Wie viel g Sauerstoff werden für die Oxidation von 23 g Essigsäure verbraucht? CH3COOH + 2O2 → 2CO2 + 2H2OLösung:
M (Essigsäure) = 60 g/mol, 23 g = ≈ 0,38 mol; 2 * 0,38 = 0,766 mol O2; 1 mol O2 = 32 g; 32 * 0,766 = 24,53 g
Berechnungsbeispiele
Siedlungswasserwirtschaft23
17. Wie viel g Sauerstoff werden für die Oxidation von 5,8 mol Propionsäure verbraucht? C2H5COOH + 3,5O2 → 3CO2 + 3H2OLösung:
M (Propionsäure) = 74 g/mol, 5,8 * 74 = 429,2 g; 1 mol O2 = 32 g; 3,5 * 32 = 112; 112 * 5,8 = 649,6 g
18. Wie viel g CSB entspricht 3,7 mol Essigsäure? CH3COOH + 2O2 → 2CO2 + 2H2O? (CSB = Chemischer Sauerstoffbedarf; 1 g O2 = 1 g CSB)Lösung:
M (O2) = 32 g/mol, 3,7 * 2 * 32 = 236,8 g
19. Wie viel g CSB entsprechen 34 g Essigsäure? CH3COOH + 2O2 → 2CO2 + 2H2O
Lösung:
M (Essigsäure) = 60 g/mol, 34 g = 0,56 mol; 0,56 * 2 * 32 = 35,84 g
Berechnungsbeispiele
Siedlungswasserwirtschaft24
20. Wie viel % P sind in der Verbindung PO43- (P = 30,9 g/mol) ?
Lösung:
M (P) = 30,9 g/mol, M (O) = 16 g/mol, M (PO43-) = 30,9 + 4 * 16 = 94,9 g/mol,
30,9/94,9 * 100 = 32,5 %
21. Wie viel g Eisen werden zur Fällung von 246 g P (theoretisch) benötigt (Fe = 55,8 g/mol)? Fe3+ + PO4
3- → FePO4↓Lösung:
M (P) = 30,9 g/mol, M (Fe) = 55,8 g/mol, 55,8/30,9 = 1,8 g Fe/g P, 1,8 * 246 = 444,2 g
22. Wie viel g Eisen werden zur Fällung von 137 g P benötigt, wenn ein Sicherheitsfaktor von 1,5 dazugerechnet wird?Lösung:
M (P) = 30,9 g/mol, M (Fe) = 55,8 g/mol, 55,8/30,9 = 1,8 g Fe/g P, 1,8 * 137 * 1,5 = 369,9 g
Berechnungsbeispiele
Siedlungswasserwirtschaft25
23. Wie viel g Aluminium werden zur Fällung von 234 g P benötigt, wenn ein Sicherheitsfaktor von 1,5 dazugerechnet wird(Al = 26,9 g/mol)?
Lösung:
M (P) = 30,9 g/mol, M (Al) = 26,9 g/mol, 26,9/30,9 = 0,87 g Al/g P, 0,87 * 234 * 1,5 = 305,5 g24. Wie viel g Sauerstoff werden für die vollständige Nitrifikation von 157 g Ammonium zum Nitrat benötigt?NH3 + 2O2 → NO3
- + H+ H2O?
Lösung:
M (NH3) = 17 g/mol, M (O2) = 32 g/mol, 157/17 = 9,2 mol, 9,2 * 2 * 32 = 591 g
25. Wie viel g Sauerstoff werden für eine unvollständige Nitrifikation von 157 g Ammonium zum Nitrit benötigt?NH3 + 1,5O2 → NO2
- + H+ H2O?
Lösung:
M (NH3) = 17 g/mol, M (O2) = 32 g/mol, 157/17 = 9,2 mol, 9,2 * 3/2 * 32 = 443 g
Berechnungsbeispiele
Siedlungswasserwirtschaft26
26. Wie viel % Sauerstoff werden beim ANAMMOX Verfahren gegenüber der vollständigen Nitrifikation eingespart? Beim ANAMMOX Verfahren wird der Stickstoff bis zum Nitrit oxidiert.NH3 + 1,5O2 → NO2
- + H+ H2ONO2
- + 0,5O2 → NO3-
Lösung:
M (O2) = 32 g/mol, 0,5 * 32 = 16 g, 1,5 *32 = 48 g, 16/48 * 100 = 33,33 %
27. In 465 L Biogas sind 56 % Methan, der Rest ist CO2. Wie viel g CH4 bzw. CO2 sind im Gas bei 20 °C?
Lösung:
M (CO2) = 44 g/mol, M (CH4) = 16 g/mol, 465 L/24,06 L/mol = 19,32 mol Gas, 19,32 * 0,56 * 16 = 173,1 g Methan19,32 * 0,44 * 44 = 374,0 g CO2
Berechnungsbeispiele
Siedlungswasserwirtschaft27
28. Welches Volumen nehmen 27 mol Wasserstoff bei 20°C ein?
Lösung:
24,06 L/mol * 27 mol = 649,6 L
29. Welche Masse hat 1 m3 Luft bei 20 °C?
Lösung:
Luft hat ca. 20 Vol. % O2 und 80 Vol. % N2, M (O2) = 32 g/mol M (N2) = 28g/mol, 1.000/24,06 = 41,5 mol, 41,5 * 0,2 = 8,3 mol O2, 8,3 * 32 = 265,6 g O2, 41,5 * 0,8 = 33,2 mol, 33,2 * 28 = 929,6 g N2, 265,6 + 929,6 = 1.195,2 g
Berechnungsbeispiele
Siedlungswasserwirtschaft28
Der Partialdruck ist der Druck, der in einem Gasgemisch wie der Luft einem bestimmten Gas zugeordnet werden kann. Der Partialdruck entspräche dabei dem Gesamtdruck, den die Komponente beim alleinigen Ausfüllen des gesamten Volumens ausüben würde.
Partialdruck
Das Dalton-Gesetz (Daltonsches Gesetz, Gesetz der Partialdrücke), 1805 von John Dalton formuliert, besagt, dass die Summe aller Partialdrücke pi bei idealen Gasen gleich dem Gesamtdruck des Gemisches pGesamt ist.
Für k Komponenten ergibt sich:
Siedlungswasserwirtschaft29
Partialdruck
Partialdrücke trockene Luft in Meereshöhe
Komponente Volumenanteil hPa (mbar) bar
Luft 100,00 1.013,25 1,01325Stickstoff 78,090 791,25 0,79125Sauerstoff 20,950 212,28 0,21228Argon 0,927 9,39 0,00939Kohlendioxid 0,033 0,33 0,00033
Rechnung für Stickstoff: 1.013,25 mbar * 0,7809 = 791,25 mbar Partialdruck
Siedlungswasserwirtschaft30
30. Welchen Partialdruck haben Stickstoff (78,09 %), Sauerstoff (20,95 %), Argon (0,97 %) und Kohlendioxyd (0,033 %) unter Normalbedingungen (1013,25 hPa) in der Atmosphäre?
Lösung:
1013,25 * 0,7809 = 791,24 hPa, N2, 1013,25 * 0,2095 = 212,27 hPa O2, 1013,25 * 0,00927 = 9,39 hPa Ar, 1013,25 * 0,00033 = 0,33 hPa CO2
Berechnungsbeispiele
Siedlungswasserwirtschaft31
31. Bei der Rauchgasreinigung lässt sich SO2 mit Ca(OH)2 als CaSO4*2H2O (=Gips) aus den Rauchgasen entfernen. Folgende Reaktion findet statt:
1. SO2 + ½ O2 → SO32. H2O + SO3 → H2SO43. Ca(OH)2 + H2SO4 → CaSO4
.2H2O
Wieviel t SO2 und Gips fallen täglich an, wenn pro Stunde 60,15 m³ SO2 entstehen(S = 32 g/mol)?
Lösung:
60,15 m³ = 60.150 L SO2; 60.150 L/24,06 L/mol = 2.500 mol; SO2 = 64 g/mol; 2.500 * 64 = 160.000 g160.000 g/h = 0,16 t/h; 0,16 * 24 = 3,84 t SO2/d
Pro mol SO2 werden ein mol CaSO4.2H2O gebildet!
CaSO4.2H2O = 40+32+4*16+2*(2*1+16) = 172 g/mol; 172 * 2.500 = 430.000 g = 0,43 t
0,43 * 24 = 10,32 t/d
Siedlungswasserwirtschaft32
32. Bei der Verbrennung von PVC (C2H3Cl) entsteht Chlorwasserstoff (HCL). Ein PKW enthält ca. 17 kg PVC. Wie viel kg bzw. Liter HCl - Gas entstehen beim Verbrennen eines Autos z. B in einem Tunnel, oder wenn ein Autowrack direkt eingeschmolzen wird?Folgende Reaktion findet statt:
C2H3Cl + 2,5 O2 → 2 CO2 + H2O + HCl
Cl = 35 g/mol
Lösung: C2H3Cl = 2 * 12 + 3 * 1 + 35 = 62 g/mol; 17.000 g PVC/62g/mol PVC = 274,19 mol
HCL = 1 + 35 = 36 g/mol; 36 * 274,19 = 9.870,8 g = 9,87 kg HCL
274,19 mol * 24,06 L/mol = 6.597 L = 6,59 m³ HCL
Siedlungswasserwirtschaft33
33. In einem Kraftwerk werden pro Stunde 82 Tonnen (Mg) Steinkohle verbrannt. Die Kohle enthält 1,2 % Schwefel und die Rauchgase werden zu 97 % entschwefelt. Wie viel Mg bzw. m³SO2 wird pro Tag emittiert?
Folgende Reaktion findet statt: S + O2 → SO2
S = 32 g/mol
Lösung: 82 Mg/h * 24 = 1.968 Mg/d; 1.968 * 0,012 = 23,6 Mg Schwefel
S = 32 Mg/Mmol; 23,6/32 = 0,737 Mmol Schwefel
SO2 = 64 Mg/Mmol; 0,737 * 64 = 47,2 Mg = 47,2 * 0,03 = 1,4 Mg SO2
0,737 Mmol * 24.006 m³/Mmol = 17.692 m³ SO2
Siedlungswasserwirtschaft34
Chemie des Wassers
3 Aggregatzustände:
flüssig
fest
gasförmig:
Quelle: Wikipedia
Siedlungswasserwirtschaft35
Wasserverteilung
Quelle: Wikipedia
29 % Land, 71 % Wasser3,5 %
Süßwasser
96,5 % Salzwasser
0,3 % Trinkwasser
Siedlungswasserwirtschaft36
Wasserkreislauf
Quelle: Wikipedia
1 Evapotranspiration
2 Wasserdampftransport
3 Niederschlag
4 Flüsse
5 Land / poröser Untergrund
6 Schmelzwasser
7 Seen
8 Versickerung
9 Grundwasserfluss
10 Rückfluss in die Ozeane
11 OzeanTransport in 1000 km3 pro Jahr, Rot = Modell, Blau = Messung, nach Baumgartner & Reichel, (1975)
Siedlungswasserwirtschaft37
Anomalien des Wassers
Wasser hat besondere Eigenschaften:
• bei + 4°C die höchste Dichte (Eis schwimmt),
• die höchste Wärmekapazität bei Flüssigkeiten (75,366 J·mol-1·K-1),
• die größte Oberflächenspannung (Tröpfchenbildung),
• die größte Verdampfungsenthalpie (40,7 kJ/mol (Transpiration),
• eine hohe Schmelzenthalpie (6,01 kJ/mol)(Salzwasser hat geringe Gefrierpunktserniedrigung),
• hoher Siedepunkt im Vergleich zu homologen Verbindungen,
• sehr geringe Wärmeleitfähigkeit (so dass Ozeane gute Wärmespeicher sind).
Siedlungswasserwirtschaft38
Dichteanomalie des Wassers I
Würde Eis absinken, wäre auf der Erde kaum Leben möglich!
Siedlungswasserwirtschaft39
Dichteanomalie des Wassers II
0,900
0,920
0,940
0,960
0,980
1,000
1,020
-20 0 20 40 60 80 100Temperatur [°C]
Dic
hte
[g/c
m³]
Wasser
Eis
Siedlungswasserwirtschaft40
Oberflächenspannung des Wassers
Siedlungswasserwirtschaft41
Verdampfungsenthalpie des Wassers
Zu wenig Schwitzen auch!!
Transpiration reguliert Körperwärmeund Weltklima!
Siedlungswasserwirtschaft42
Hohe Schmelzenthalpie des Wassers
Schmelzenthalpie ist die Energiezum Auftauen des Wassers!
Siedlungswasserwirtschaft43
Hoher Siedepunkt des Wassers
Verbindung Formel Siedepunkt SchmelzpunktWasser H2O
H2SH2SeH2Te
H2Po
+100 °C 0 °CSchwefelwasserstoff: - 60,4 °C - 85,6 °CSelenwasserstoff: - 41,5 °C - 60,4 °CTellurwasserstoff - 2,3 °C - 51 °C
Poloniumwasserstoff + 35,3 °C - 36,1 °C
Der Bereich, in dem Wasser flüssig ist, ist sehr groß!
Dadurch wird Leben auf der Erde möglich.
Siedlungswasserwirtschaft44
Tripelpunkt von Wasser
Quelle: Wikipedia
Beim Tripelpunkt kommen alleAggregatzustände gleichzeitig vor.
Der flüssige Bereich des Wassersist wesentlich größer als beivergleichbaren Verbindungen!
Durch den Druck wird das Eis flüssig!
Siedlungswasserwirtschaft45
Wasser als globales Kühl- und Wärmemedium
• Sehr hohe Verdampfungsenthalpie: 2.256 kJ/kg,
• Hohe Schmelzenthalpie: 333 kJ/kg,
• Sehr hohe Wärmekapazität: 4,18 kJ/kg und Grad K.
Wasser ist das idealeWärme- und Kühlmittel!
Siedlungswasserwirtschaft46
Aufbau des Wassermoleküls
Quelle: Wikipedia
Das Wassermolekül ist ein Dipol…
es bilden sich Wasserstoffbrücken.
Die Anomalien des Wasserswerden auf die Wasserstoffbrücken zurückgeführt.
Siedlungswasserwirtschaft47
Aufbau des Wassermoleküls
Die Anomalien des Wassers lassen sich auf die Struktur des H2O-Moleküls zurückführen, in dem die beiden Wasserstoff-Atome unter einem Winkel von 105° angeordnet sind.
Aufgrund der unterschiedlichen Elektronegativitäten von Sauerstoff (3,44) und Wasserstoff (2,20) ist die O–H-Bindung polarisiert, d.h. die beiden entgegengesetzten elektrischen Pole fallen in ihrer räumlichen Lage nicht zusammen, so dass das Wassermolekül einen Dipol bildet.
Elektronegativität (Abkürzung EN; Formelzeichen χ) ist ein relatives Maß für die Fähigkeit eines Atoms in einer chemischen Bindung die Bindungselektronen an sich zu ziehen (Pauling). Je höher der Unterschied in der Elektronegativität der gebundenen Elemente, desto polarer ist die Bindung.
Siedlungswasserwirtschaft48
Eigenschaften des Wassers und Bedeutung für Umwelt
Siedlungswasserwirtschaft49
Wassersynthese
Quelle: Wikipedia
Wasser entsteht aus Wasserstoff und Sauerstoff
Knallgasreaktion (Entdecker Cavendish)
2H2 + O2 → H2O
oder bei einer Oxidation (Verbrennung):
C6H12O6 + 6 O2 → 6H2O + 6CO2
CH4 + 2O2 → 2H2O + CO2
Henry Cavendish 1731-1810
Siedlungswasserwirtschaft50
Wasser als Lösungsmittel
Wasser ist durch seinen Dipol ein hervorragendes polares Lösungsmittel für viele Stoffe. Generell gilt also, dass die Wasserlöslichkeit mit steigender Polarität des zu lösenden Stoffes zunimmt.
δ+δ+
δ-
Lösungen sind homogene Gemenge von zwei oder mehr Stoffen. Wasser spielt dabei die größte Rolle.
Siedlungswasserwirtschaft51
Wasser als Lösungsmittel
Lösungen von Nichtelektrolyten z. B. Glukose:
C6H12O6 fest → C6H12O6 gelöst
Lösungen von Elektrolyten z. B. Kochsalz:
NaCl → Na+ + Cl-
Es lösen sich Feststoffe, Flüssigkeiten und Gase in Wasser z. B.
Kochsalz, Ethanol, CO2
Siedlungswasserwirtschaft52
Kolloide Lösungen
Kolloide Lösungen streuen das Licht!
Kolloide sind 0,1 bis 10 µm groß.
Die Abscheidung von Kolloidengeschieht z. B. mit der Membrantechnik.
Siedlungswasserwirtschaft53
Ionen- und Gashaushalt des Wassers
Kationen Anionen
Natrium(Na+)Calcium (Ca2+)Kalium (K+)Magnesium (Mg2+)
Hydrogenkarbonat (HCO3-)
Chlorid (Cl-)Nitrat (NO3
-)Sulfat (SO4
2-)
Tab. 2.3: Wichtige in natürlichem Wasser gelöste Gase und ihre Herkunft
Bezeichnung HerkunftSauerstoff (O2)Stickstoff (N2)Kohlendioxid (CO2)Methan (CH4)Schwefelwasserstoff (H2S)
Atmosphäre, PhotosyntheseAtmosphäre, bakterielle AktivitätAtmosphäre, Atmungbakterielle Aktivitätbakterielle Aktivität
Siedlungswasserwirtschaft54
Lösung von CO2 in Wasser
Pro REGENWALDAngaben in Mrd. t
Im Wasser sind fast 39.000 Mrd. t C als CO2 gespeichert!
Siedlungswasserwirtschaft55
Lösung von O2 in Wasser
0
2
4
6
8
10
12
14
16
0 5 10 15 20 25 30 35Temperatur
mg
O2/L
Der Sauerstoffgehalt in Wasser ist
abhängig von: Sauerstoffeintrag Sauerstoffverbrauch
Siedlungswasserwirtschaft56
Lösung von O2 in Wasser
Sauerstoffeintrag SauerstoffverbrauchWasserpflanzen
Pflanzenkläranlage
Belebungsbecken
mechanischerEintrag
höhere Tiere
Wasserpflanzenbei Nacht
Mikroorganismen
Siedlungswasserwirtschaft57
Löslichkeit von Feststoffen und Gasen im Wasser
Die Löslichkeit von festen Stoffen steigt mit der Temperatur.
Die Löslichkeit von Gasen sinkt mit der Temperatur.
Kesselsteinbildung in hartem Wasser.
Ca2+ + 2HCO3- → CaCO3↓ + CO2↑ +H2O
Bei Erwärmung überwiegt der rechte Teil der Gleichung.
Siedlungswasserwirtschaft58
Kalk-Kohlensäure-Gleichgewicht
Das chemische Gleichgewicht zwischen den Ionen der
Kohlensäure – dem Kohlendioxid und dem Calciumcarbonat
wird als "Kalk-Kohlensäure-Gleichgewicht" bezeichnet.
Es bestimmt wesentlich den kalkabscheidenden Charakter des Wassers
oder den kalkauflösenden.
Definition:
Siedlungswasserwirtschaft59
Kalk-Kohlensäure-GleichgewichtLöst sich CO2 in Wasser, reagiert es mit Wassermolekülen (H2O) und
es entsteht Kohlensäure H2CO3
CO2 + H2O ↔ H2CO3
Die Kohlensäure dissoziiert, d. h. sie zerfällt in ein Hydroniumionen H3O+
(entspricht dem H+) und in ein Hydrogencarbonation HCO3- (Bicarbonat) und
weiter in ein Carbonation CO32-
1. Dissoziationsstufe: H2CO3 ↔ H+ + HCO3-
2. Dissoziationsstufe: HCO3- ↔ H+ + CO3
2-
Siedlungswasserwirtschaft60
Kalk-Kohlensäure-Gleichgewicht
Das Hydrogencarbonation HCO3- reagiert weiter mit zweiwertigen
Kationen z. B. Calcium zu Calciumhydrogencarbonat.
2HCO3- + Ca2+ ↔ Ca(HCO3)2
Das Carbonation CO32- reagiert zu Calciumcarbonat (schwerlöslich)
CO32- + Ca2+ → CaCO3↓
Siedlungswasserwirtschaft61
Kalk-Kohlensäure-Gleichgewicht
Das Kalk-Kohlensäure-Gleichgewicht lässt sich wie folgt zusammenfassen.
Ca(HCO3)2 ↔ CaCO3↓ + H2CO3
Wann scheidet sich Kalk ab??Wenn das Gleichgewicht der Reaktion hauptsächlich rechts ist!!
Wann löst sich der Kalk auf??Wenn das Gleichgewicht der Reaktion hauptsächlich links ist!!
Siedlungswasserwirtschaft62
Kalk-Kohlensäure-Gleichgewicht
Ca(HCO3)2 ↔ CaCO3↓ + H2CO3 ↔ H2O + CO2↑
Wenn das Gleichgewicht der Reaktion hauptsächlich rechts ist…
immer wenn CO2 verbraucht oder ausgetrieben wird z. B.
beim Kochen, bei der Photosynthese (CO2-Fixierung),
Was passiert beim Ansäuern??
Siedlungswasserwirtschaft63
Kalk-Kohlensäure-Gleichgewicht
Was passiert beim Ansäuern??
• Beim Ansäuern erhöht sich die Konzentration der H+-Ionen (H3O+),
• die Konzentration der Stoffe auf der rechten Seite steigt,
• die Reaktion verläuft von rechts nach links,
• die Konzentration von CO2 steigt,
• CO2 kann gasförmig entweichen.
Kohlensäurebildung 1. Dissoziationsstufe 2. Dissoziationsstufe
CO2 + H2O ↔ H2CO3 ↔ H+ + HCO3- ↔ 2H+ + CO3
2-
Siedlungswasserwirtschaft64
Kalk-Kohlensäure-Gleichgewicht
Anteile der Kohlensäureformen an der Gesamtkohlensäure in Abhängigkeit vom pH-Wert
Siedlungswasserwirtschaft65
pH Wert
Der pH Wert ist der negative dekadische Logarithmusder Hydroxoniumionen in mol/L.
pH = -log [H3O+]
Welcher pH liegt bei 0,000001 mol/L Hydroxoniumionen vor?
0,000001 mol/L = 10-7 mol/L; pH = 7
Reines Wasser hat einen pH Wert von 7
Wasser zerfällt immer in Hydroxoniumionen (H3O+) und Hydroxylionen (OH-)
2H2O ↔ H3O+ + OH-
Welche OH- Konzentration hat reines Wasser??
Siedlungswasserwirtschaft66
pH Wert
Welche OH- Konzentration hat reines Wasser?
Analog zum pH Wert gibt es den pOH Wert.
pOH = -log [OH-]
Es gilt: pH + pOH = 14; poH = 7; [OH-] = 10-7 mol/L
Beziehung zwischen dem pH-Wert und dem pOH-Wert
Lösung [H3O+] pH-Wert [OH-] pOH-Wert10 mol/L Säure 10 mol/L -1 10-15 mol/L 15
1 mol/L Säure 1 mol/L 0 10-14 mol/L 14
reines Wasser 10-7 mol/L 7 10-7 mol/L 7
1 mol/L Base 10-14 mol/L 14 1 mol/L 0
10 mol/L Base 10-15 mol/L 15 10 mol/L -1
Siedlungswasserwirtschaft67
pH Wert
pH-Werte gängiger Stoffe und Chemikalien
Salzsäure 35 % pH = -1 Bier pH = 5Salzsäure 3,5 % pH = 0 Hautoberfläche pH = 5,5Salzsäure 0,35 % pH = 1 Mineralwasser pH = 6Magensäure pH = 1 reines Wasser pH = 7Zitronensaft pH = 2 Blut: pH = 7,4Essigessenz pH = 2 Seewasser pH = 8,3Essig pH = 3 Darmsaft pH = 8,3Coca Cola pH = 3 Waschmittellösung pH = 10Wein pH = 4 Natronlauge 3 % pH = 14saure Milch pH = 4,5 Natronlauge 30 % pH = 15
Siedlungswasserwirtschaft68
Abbauvorgänge im Gewässer
Siedlungswasserwirtschaft69
TOC und DOC
Prinzip:
⇒ Der organische Kohlenstoff wird zu CO2 oxidiert und CO2
prinzipiell durch seine Eigenschaft erfasst, im IR Strahlung zu absorbieren. Der Unterschied zwischen der TOC- und DOC-Bestimmung in wässrigen Lösungen besteht in der Filtration der Probe über ein Membranfilter mit einer Porenweite von 0,4 µm.
DOC = Gelöster organischer Kohlenstoff (Dissolved Organic Carbon)
TOC = Gesamter organischer Kohlenstoff (Total Organic Carbon)
Siedlungswasserwirtschaft70
Chemischer Sauerstoffbedarf (CSB)Der CSB gibt an, wieviel Sauerstoff erforderlich ist, um die organischen Abwasserinhaltsstoffe chemisch zu CO2 und H2O zu oxidieren.
Beispiel Glucose:
C6H12O6 + 6 O2 → 6 CO2 + 6 H2OC6H12O6 + 6 O2 → 6 CO2 + 6 H2O
Einheit:CSB [mg O2/L]
Siedlungswasserwirtschaft71
Biologischer Sauerstoffbedarf (BSB5)
Der BSB5 gibt an, wieviel Sauerstoff Mikroorganismen innerhalb von 5 Tagen verbrauchen, um die Abwasserinhaltsstoffe biologisch abzubauen.
Einheit:BSB5 [mg O2/L]
Siedlungswasserwirtschaft72
CSB zu BSB5-Verhältnis und biologische Abbaubarkeit
Die biologische Abbaubarkeit von organischen Abwasserinhaltsstoffen wird mit dem Verhältnis von CSB und BSB5 charakterisiert:
CSB / BSB5 Abbaubarkeit der organischen Abwasserinhaltsstoffe
< 1,7 leicht und praktisch vollständig biologisch abbaubar (kommunales Abwasser)
1,7 - 10 unvollständiger abbaubar und / oder Anwesenheit toxischer Stoffe
> 10 praktisch nicht biologisch abbaubar und / oder durch toxische Stoffe weitgehend gehemmter biologischer Abbau
Siedlungswasserwirtschaft73
Anteile der Nahrungsmittel am CSB im Abwasser
Stoffgruppe Konzen-tration
[mg/L]
Umrech-nungsfaktor
[-]
CSB
[mg/L]
Anteil am CSBges
bei 600 mg/L[%]
Fette 100 2,9 290 48
Kohlenhydrate 90 1,1 99 17
Proteine 115 0,64 74 12
Summen 305 463 77
Siedlungswasserwirtschaft74
Stickstoff (N)
Stickstoff ist wie Phosphor ein Nährstoff und v.a. in Eiweiss eingebaut. Biomasse enthält ca. 4 – 7 % Stickstoff. Nur in wenigen Gewässern ist Stickstoff für die Primärproduktion limitierend (z.B. in einigen Meeren).
Stickstoff ist in unterschiedlichen Formen für die Gewässer bedenklich z. B.
- Ammoniak und Nitrit als Fischgifte- Ammonium wegen seines Sauerstoffbedarfes- Nitrat im Trinkwasser
Siedlungswasserwirtschaft75
Klassifizierung Stickstoff (N)
organischer Stickstoff
organic nitrogen Norg = TKN-NH4-N
gesamter Stickstofftotal nitrogen Nges
anorganischer Stickstoffanorganic nitrogen
Nanorg
NitritNitriteNO2-N
Ammoniumammonium
NH4-N
NitratnitrateNO3-N
Kjeldahl StickstoffKjeldahl nitrogen
TKN = Norg + NH4-N
Wichtig ! Bemessungs- und Grenzwerte beziehen sich meist auf den Stickstoff in der Verbindung:NH4 – N → 14/18 (Gewicht N/Gewicht Verbindung)NO3 – N → 14/62 (Gewicht N/Gewicht Verbindung)
Siedlungswasserwirtschaft76
Ammonium-Ammoniak-Gleichgewicht
pH-value
Siedlungswasserwirtschaft77
Stickstoffeinträge in Fließgewässer
Siedlungswasserwirtschaft78
N-Kreislauf
NO2-
NH3
NH2 -Gruppen Proteine
NH2 -Gruppen Proteine N2
aerob
anaerobanoxisch
NO3-
NO2-
NON2O
N2
Nitrifikation
Denitrifikation
Assimilation
Assimilation
Assimilation
Ammonifikation
Ammonifikation
ANAMMOX
Siedlungswasserwirtschaft79
Phosphor
Phosphor ist ein Nährstoff, der in vielen biochemischen Reaktionen eine zentrale Rolle spielt.
Biomasse enthält ca. 1 % Phosphor.
In vielen Gewässern (nicht im Meer) ist Phosphor der limitierende Nährstoff, d.h. eine Zugabe von Phosphor führt zur Düngung des Gewässers und damit ev. zur Zunahme der Biomasse.
Das Gewässer wird eutrophiert.
Quellen für Phosphor: Urin, Waschmittel, Spülmittel
Menge: ca. 1,8 g pro Einwohner und Tag (ATV A 131)
Siedlungswasserwirtschaft80
Phosphoreinträge in Fließgewässer
Siedlungswasserwirtschaft81
Phosphoreinträge in die Nordsee40.000 t Phosphor/a aus Deutschland.
Davon sind ca. 50 % aus der Landwirtschaft aus:Direkteinleitung, Erosion, Grundwasser, Dränwasser bzw. Niederschlägen.
Siedlungswasserwirtschaft82
Eutrophierung
Gleichgewicht zwischen Primärproduktion und Mineralisationskapazität
oligotroph
eutroph Primärproduktion größer als Mineralisationskapazität
Anreicherung von Nährstoffen im Gewässer
Sauerstoffmangel nach Absterben von Algen
Rücklösung des im Sediment (= abgestorbene Pflanzenmasse) enthaltenen Phosphors
erneutes Massenwachstum
Siedlungswasserwirtschaft83
Eutrophierung
Peter Lustig, Wolfgang Mann Verlag, 1988
Sauerstoff-produktion und -verbrauch sind ausgewogen
Überdüngung führt zu vermehrtem Pflanzenwuchs
Absterbende Pflanzen werden durch Bakterien abgebaut
Siedlungswasserwirtschaft84
P-Spezies
Der totale Phosphor (TP) erfasst alle Formen von Phosphor in der unfiltrierten Probe:
- organisch gebunden, - mineralische Fällungsprodukte,- ortho-Phosphat.
ortho Phosphat: PO4-P umfasst die Summe aller Formen von Phosphat, im Abwasser v. a. HPO42- und H2PO4
-.
Siedlungswasserwirtschaft85
P-Spezies
CTP = SPO4 + SPP + Sorg,P + Xorg,P
CTP = Gesamt(Total)phosphorkonzentration
SPO4 = gelöstes anorganisches Orthophosphat
SPP = gelöstes anorganisches Polyphosphat
Sorg,P = gelöstes organisches Phosphat
X org,P = partikuläres organisches Phosphat
Siedlungswasserwirtschaft86
P-Elimination
Phosphat-elimination
biologisch
chemisch
„normale“ biologische Phosphorelimination
Bio-P Verfahren
ohne Zugabe von Fällmitteln
mit Zugabe von FällmittelnLondong
Siedlungswasserwirtschaft87
Emissionsanforderungen Kläranlagen
ab 10.000 EW 2 mg/l
ab 100.000 EW 1 mg/l
Anforderungen aufgrund von Immissionsbetrachtungen
z. B. Wupper 0,4 mg/l PO4-P
Bodenseeeinzugsgebiet 0,2 mg/l PO4-P
Siedlungswasserwirtschaft88
Bio-P-Verfahren
PO4-PPO4-P
org. Säuren
BSBAbwasser
Energie
Ende anaerobe Phase
CO2 + H2O
Energie
BSBEnergie
Ende aerobe Phase
anaerobe Stufe aerobe Stufe
Rücklaufschlamm
ÜberschussschlammRhodocyclus, Actinobacter, Propionibacter
Siedlungswasserwirtschaft89
Bio-P-Verfahren II
Milieu-bedingungen
aerob anaerobanoxisch
O2vorhanden
evt. Nitrat oder Nitrit vorhanden
O2 nichtvorhanden
Nitrat oder Nitrit vorhanden
O2 nichtvorhanden
Nitrat oder Nitrit nicht vorhanden
Prozesse BSB- und CSB-Abbau
Nitrifikation
Phosphor-aufnahme
BSB- und CSB-Abbau
Denitrifikation
BSB- und CSB-Umbau
Phosphor-rücklösung
Siedlungswasserwirtschaft90
Konzentrationsprofile Bio-P-Verfahren
inflow
SS
NO3-
PO4-
CODdissl
anoxic anoxic aerobicanaerobic
Gujer 2000
„luxury uptake of phosphate“
Siedlungswasserwirtschaft91
Konzentrationsprofile Bio-P-Verfahren
inflow
SS
NO3-
PO4-
CODdissl
anoxic anoxic aerobicanaerobic
Gujer 2000
„luxury uptake of phosphate“
top related