wasserqualität grundzüge wasserhaushalt ss 06 wolfgang kinzelbach
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Wasserqualität
Grundzüge Wasserhaushalt
SS 06
Wolfgang Kinzelbach
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Wassergütemerkmale
• Unterschiedliche Anforderungen je nach Verbrauchersektor oder Umweltkompartiment: – Trinkwasser (Toleranz- und Grenzwerte,
Lebensmittelverordnung)
– Bewässerungswasser (Salinität, TDS)
– Abwasser (Emission)
– Gewässergüte in Fluss, See oder Grundwasser (Immission)
• Zahlen siehe Anlage
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Gewässergüteklassen• Integrale Beurteilung durch Biozönose
Saprobienindex (entspricht im wesentlichen Sauerstoffgehalt)
1. oligosaprobe Stufe = Wassergüteklasse IKeimzahl unter 10/cm3, Rädertierchen, Schnecken, Kieselalgen, verschiedene Grünalgen u. a. 2. -mesosaprobe Stufe = Wassergüteklasse IIKeimzahl unter 10000/cm3, Hauptverbreitung der Kieselalgen und Grünalgen, Schnecken,
Rädertierchen, Kleinkrebse u. a.3. -mesosaprobe Stufe = Wassergüteklasse IIIKeimzahl unter 100000/cm3, Blaualgen, Kieselalgen und Grünalgen, Massenentwicklung
bestimmter Organismen = Wasserblüten, Krebse und Insektenlarven nur wenige 4. polysaprobe Stufe = Wassergüteklasse IVKeimzahl unter 1000000/cm3, Massenentwicklung weniger Arten, es fehlen Kieselalgen,
Grünalgen, Krebse.
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Gewässergüteklassen
• Integrale Beurteilung durch Biozönose
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Kritik
• Das Saprobiensystem erfasst bestimmte Zusammenhänge bzw. Einflüsse nicht oder unzureichend, z. B.:
– Substratverhältnisse
– Strömungsverhältnisse und Wasserführung
– Jahresperiodische Schwankungen der Wasserführung
– Belastungen mit biologisch nicht abbaubaren Stoffen (z. B. Salze)
– toxische Einflüsse mit letalen und subletalen Effekten
– strukturelle Gewässerschäden
• Es lässt sich im Prinzip durch Klassifizierung nach mittleren BSB5- und Sauerstoffverhältnissen ersetzen
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Anforderungen an Fliessgewässer
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Quellen von Schadstoffen• Haushalte (Kläranlagen)
• Industrie (Abwasser, Leckagen, Unfälle)
• Verkehr (Unfälle)
• Altlasten (Deponien und Altstandorte)
• Kraftwerke (Kühlwasser, Abwasser)
• Landwirtschaft (via Oberflächenabfluss und Grundwasserzufluss)
• Atmosphäre (nasse und trockene Deposition)
• Unterscheide: Punktquellen – Diffuse Quellen
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Relevante Stoffe und Einträge (1)
• Mikrobielle Verschmutzung• Salzbelastung (Geniessbarkeit, Pflanzentoxizität)• Schwermetalle (Toxizität, Anreicherung in Fresskette)• Organochlorverbindungen (toxisch, karzinogen) (HKW als Cl unter
0,001 mg/l)• Polychlorierte Biphyenyle (toxisch, hormonelle Wirkung)• Polyzyklische Aromaten (karzinogen) (PAK als C unter 0,002 mg/l)• Mineralölkohlenwasserstoffe (karzinogen, toxisch) (unter 0,05 mg/l)• Fluor (Knochenversprödung)• Phenole (Geschmack, fischtoxisch) (unter 0,001 mg/l)• Arsen (toxisch)• Cyanide (toxisch)
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Relevante Stoffe und Einträge (2)
• Organische Belastung (Folge Sauerstoffzehrung)
• Nitrat (Folge Überdüngung, Nitrosaminbildung, Methämoglobinämie)
• Phosphat (Folge Überdüngung)
• Nitrit, Ammonium (Folge Toxizität und Sauerstoffzehrung)
• Pestizide (Folge Toxizität) (unter 0,001 mg/l)
• Versauerung (Folge Mobilisierung von Schwermetallen, Aluminium: Fischtoxizität)
• Sonstige wassergefährdende Chemikalien (grosse Anzahl von chemischen Substanzen)
• Trübung
• Erwärmung (T < 3 K)
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Neue Gefährdungen
– Additive (z. B. MTBE in Benzin, Additive in Baustoffen)
– Arzneimittel (z. B. Antibiotika)– Hormonell wirksame Substanzen (z. B.
Phtalate)– Neue Agrochemikalien– Neue Mikroorganismen
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Situation Grundwasser (1)
• Kriterien für die Relevanz eines Schadstoffs– Toxizität – Mobilität– Persistenz– Löslichkeit– Umgeschlagene Menge
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Beurteilung ausgewählter Stoffe nach den 5 Kriterien
Tox Mob Pers Lös Menge
Plutonium
CKW
Nitrat
Cadmium
Bakterien
Dioxin
Chrom
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Vergleich anhand von Verschmutzungspotential
• 1 l Mineralöl kann theoretisch 1 Million l Wasser so verschmutzen, dass es nicht mehr als Trinkwasser verkauft werden kann (Konzentration gerade bei Grenzwert)
• Im gleichen Sinne kann 1 l CKW 100 Millionen l Wasser verschmutzen
• Wenn Plutonium löslich wäre, würde für 1 kg Plutonium das gesamte Süsswasser der Erde nicht für die Verdünnung unter den Grenzwert ausreichen.
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Organische Belastung und Sauerstoff in Fliessgewässern (1)
• Abbau von organischen Substanzen durch Mikroorganismen führt zu Sauerstoffzehrung
• Organische Belastung wird durch Summenparameter gemessen: BSB5 (Biologischer Sauerstoffbedarf in 5 Tagen)
• Der Zehrung steht eine Wiederbelüftung durch die Wasseroberfläche gegenüber
• Aus dem Zusammenspiel ergibt sich die natürliche Selbstreinigung eines Gewässers hinsichtlich abbaubarer organischer Stoffe
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Organische Belastung und Sauerstoff in Fliessgewässern (2)
• Quantitative Beschreibung– Transportgleichungen für BSB5 und gelösten Sauerstoff
– BSB5 (Senke: Abbau erster Ordnung), Formelzeichen L (mg/l)
– Gelöster Sauerstoff (Senke BSB-Abbau, Quelle Wiederbelüftung), Formelzeichen c (mg/l)
)(12
2
LLqLKx
LK
x
Lu
t
Lin
)()(212
2
ccqccKcKx
cK
x
cu
t
cins
q seitl. Zufluss pro Länge, cs Sauerstoffsättigungskonzentration, Lin, cin Konzentrationen in Zufluss, K Dispersionskoeffizient, K1 Abbaurate, K2 Wiederbelüftungsrate
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Streeter-Phelps Gleichungen
• Annahmen– stationäre Verhältnisse
– Vernachlässigung der Dispersion
– Konstante Raten für Abbau und Wiederbelüftung
– Keine seitlichen Zuflüsse (q = 0)
• 2. Gleichung oft für Sauerstoffdefizit formuliert D = cs - c
)(211 ccKLKdx
dcuLK
dx
dLu s
DKLKdx
dDu 21
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Lösung der Streeter-Phelps-Gleichungen
• Randbedingungen: L(0) = L0, D(0) = D0
21101
0
212
021
12
01
10
)exp()()(
)exp()exp()exp()(
)exp()(
KKfallsu
xK
u
xLKDxD
KKfallsu
xKD
u
xK
u
xK
KK
LKxD
u
xKLxL
Vorsicht: c kann bei bestimmten Eingabedatenkombinationen kleiner Null werden, da die Abbaurate von c unabhängig ist. In diesem Fall ist das Streeter-Phelps Modell nicht korrekt anwendbar.
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Lösung der Streeter-Phelps-Gleichungen
Graphische Darstellung der Lösung
x
BSBc(mg/l)
BSB5
Gel. Sauerstoff c
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Zusätzliche Angaben zur Abschätzung des Sauerstoffhaushalts (1)
• Sauerstoffsättigungskonzentration (Fitkurve)
• Wiederbelüftungsrate
CinTfürlmginT
Tcs
/6.31
468)(
32 h
uDK m
Dm = 2.307 10-9 * (1.307)(T-20) m2/s
• Typische Werte für K1: 0.1 – 0.4 1/d (bei T = 20°C)
• Umrechnung auf andere Temperatur20
22
2011
)047.1)(20(
)047.1)(20(
T
T
KK
KK
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Zusätzliche Angaben zur Abschätzung des Sauerstoffhaushalts (2)
• Typische Konzentrationen des BSB5:– Haushaltsabwasser 200 mg/l– Industrie bis 10000 mg/l– Natürliches Gewässer < 2 mg/l
• Einwohnergleichwert– 77 g/d (bzw. 60 g/d)
• Problem des BSB5
– Unterschätzt Sauerstoffbedarf (Alternativen CSB, DOC)– Abbau nicht unbedingt Reaktion 1. Ordnung, da Gemisch von
vielen Substanzen mit unterschiedlicher Abbaurate
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Gewässergüte Neckar 1976
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NeckarsanierungIstzustand 1974
Vollausbau 1990
Gel. Sauerstoff
Gel. Sauerstoff
BSB5
BSB5
Abfluss
Temperatur
Kosten rund 2 Mrd. DM