Wasserqualität

Grundzüge Wasserhaushalt

SS 06

Wolfgang Kinzelbach

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

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.  

Gewässergüteklassen

• Integrale Beurteilung durch Biozönose

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

Anforderungen an Fliessgewässer

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

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)

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)

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

Situation Grundwasser (1)

• Kriterien für die Relevanz eines Schadstoffs– Toxizität   – Mobilität– Persistenz– Löslichkeit– Umgeschlagene Menge

Beurteilung ausgewählter Stoffe nach den 5 Kriterien

Tox Mob Pers Lös Menge

Plutonium

CKW

Nitrat

Cadmium

Bakterien

Dioxin

Chrom

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.

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

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

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

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.

Lösung der Streeter-Phelps-Gleichungen

Graphische Darstellung der Lösung

x

BSBc(mg/l)

BSB5

Gel. Sauerstoff c

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

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

Gewässergüte Neckar 1976

NeckarsanierungIstzustand 1974

Vollausbau 1990

Gel. Sauerstoff

Gel. Sauerstoff

BSB5

BSB5

Abfluss

Temperatur

Kosten rund 2 Mrd. DM