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Worterklärung
Eutrophierung: [grieschich]; Überdüngung;
Nährstoffzunahme eine Gewässers, ist u. a. ein natürlicher Prozess der durch den Menschen stark beschleunigt werden kann, hierfür kann vornehmlich das Einleiten von Abwasser und das Einschwemmen von Düngemitteln als Grund angesehen werden; die Eutrophierung führt zu einer Veränderung der Lebensgemeinschaft in einem See, so kann eine übermäßige Vermehrung von bestimmten Pflanzen und tierischem Plankton bei bestimmten Bedingungen das sogenannte "Umkippen eines Sees" zur Folge haben
Ablauf:
Kommt aus dem Bereich des Baus und stellt eine Einrichtung dar, welches u. a. Flüssigkeiten von einem System in ein anderes transportieren kann
Kläranlagenablauf:
behandeltes ehemaliges ´Abwasser`, welches in einem Klär werk gereinigt wurde und mittels eines Vorfluters in natürliche Gewässer wie Seen und Fließgewässer geleitet wird
Abwasserablauf:
transportiert Schmutzwasser mit unterschiedlicher Beschaffenheit/Inhaltsstoffen, gelangt zum Teil unbehandelt in natürliche Gewässer
Inhalt:
1. Einleitung
2. Funktionsweise einer modernen Kläranlage
3. Eutrophierung
4. Zusatzinformationen
5. Was kann man gegen eine Eutrophierung tun
6. Ende
1 Einleitung:
Vorgeschichte:
Geht man an einem Hochsommertag am Wöhrder See spazieren, macht die \"Wasserfläche\" vor allem des Unteren Sees mehr den Eindruck einer großen, wogenden Wiese. Zwischen dem dichten \"Pflanzenteppich\" hängt allerlei Unrat - Flaschen, Plastikfolien, Styroporstücke - eindrucksvolle Beweise für die negative Einstellung oder Gedankenlosigkeit mancher Mitmenschen gegenüber der Natur (was an Müll am Grund liegt, fällt erst nicht so auf). Ein einziges Boot rudert höchst mühsam durch dieses dichte Gewirr von Laichkräutern und Algen. Ein modriger Geruch weist auf beginnende Fäulnisprozesse hin. Der Tretbootsverleih vor dem Norikus-Hochhaus hat geschlossen. Wer möchte auch hier jetzt \"herumgondeln\"? Der Stoffkreislauf im Ökosystem See ist gestört.
Wasser als Gebrauchsgegenstand:
- um den Vortrag zu verstehen muss man das Problem der E. ganz am Ursprung packen:
am Menschen selber, der ein Verbraucher ist
- der Mensch besteht 60% aus Wasser trinkt selbst ca. 3 Liter und scheidet diese aus, ähnlich ist dies auch bei Tieren
- darüber hinaus nutzt der Mensch Wasser: Kochen, Wäschewaschen
- Schätzungsweise 200 Liter Pro-Kopf-Verbrauch
- Folie 1
- Demgegenüber steht die Industrie, die wiederum große Mengen an Wasser verbraucht
Siehe auch Handout
%
Gesamtabwasseranfall
100
Kommunales Abwasser
32
Industrieabwasser (ohne Kreislaufwasser)
47
Landwirtschaftliches Abwasser
1
Regenwasserabfluss aus dem kanalisierten Gebiet
20
Kommunaler Abwasseranfall
100
Häusliches Schmutzwasser
50
Fremdwasser
14
Industrielles und gewerbliches Abwasser
36
2 Funktionsweise einer (modernen) Kläranlage:
- kommunale Kläranlagen kombinieren die mechanische Reinigung mit einer sehr effizienten biologischen und sowie chemischen Klärung der Abwasser (3-stufige)
1. Stufe (physikalische):
- Abwasser - mittels Pumpen in den Rechen-/Siebebereich - Grob- und/ oder Feinrechen \"durchgesiebt\". Alle Schmutzpartikel, die größer als die Abstände zwischen den Rechenstäbe sind, werden aussortiert.
- Sandfang wird Sand abgesondert. Der Sand ist im Abwasser, da die Kanäle überwiegend unterirdisch verlegt sind, und durch Undichtigkeiten immer Sand mit in das Wasser gelangt.
- Öl- und Fettabscheider
- Schmutzwasser in die Vorklärung. Hier wird durch eine einfache Sedimentation (Absetzvorgang) der Schlamm aus den Wasserstrom entnommen.
Etwa 30 % der organischen Belastung können damit entfernt werden. Es entsteht \"Primärschlamm\", der weiter zu behandeln ist. Bei modernen Anlagen mit Stickstoffentfernung entfällt dieser Anlagenteil oft oder ist klein bemessen, da die organische Belastung des Abwassers als Kohlenstoffquelle zur Stickstoffentfernung (Reduktion des NO3 zu N2) im anoxischen Teil resp. der anoxischen Phase der biologischen Stufe benötigt wird.
Ebenso wird dieser Anlagenteil bei Kläranlagen mit simultaner, aerober Schlammstabilisierung in der biologischen Stufe nicht verwendet, da sonst weiterhin nicht stabiliserter Primärschlamm anfallen würde.
Danach fließt das Abwasser in das Kernstück einer Kläranlage, die biologische Stufe (2. Stufe):
- Sie besteht aus Belebungsbecken, Nachklärbecken und neuerdings auch aus dem Bio-P-Becken.
- Die Belebungsbecken sind in einen unbelüfteten und einen belüfteten Teil gegliedert, zwischen denen das Abwasser zirkuliert und durch Bakterien und viele Mikroorganismen die im Belebtschlamm leben, biologisch gereinigt wird.
- Neben organischen Kohlenstoffverbindungen werden auch Stickstoff (im Belebungsbecken) und Phosphor (im Bio-P-Becken) reduziert.
Unter anaeroben Bedingungen wird unter anderem Phosphor abgebaut. wird eine Phosphorreduzierung bis zu 80% erreicht. Aber Vorsicht: Die Abscheidung von Phosphor (Im Bio-P- Becken) aus dem Abwasser wird nicht mittels Organismen bewerkstelligt, sondern mit Hilfe chem. Reaktionen (Fällungsreaktionen) -> daher gehört die Phosphorabscheidung eher in den Bereich der 3. Stufe.
Biologiebecken (Belebungsbecken)
Durch Belüften von Bakterienschlämmen werden Abbauprozesse zur Entfernung von (gelösten) Abwasserinhaltsstoffen vorgenommen. Durch die Zugabe von Fällmitteln kann mittels chemischer Reaktionen zum Beispiel der Nährstoff Phosphor entfernt werden. Dies verbessert auch die Absetzeigenschaften des Belebtschlammes im Nachklärbecken. Der Nährstoff Stickstoff wird durch Nitrifikation (biologische Oxidation von Ammonium zu Nitrat unter Beisein von Sauerstoff) und Denitrifikation (Reduktion von Nitrat zu elementarem Stickstoff unter Abwesenheit gelösten Sauerstoffs) entfernt.
- Das Belebtschlammverfahren beruht auf Abbauvorgängen, wie sie in jedem Gewässer ablaufen - in der Kläranlage erfolgt das jedoch in einer deutlich höheren Intensität. In der Nachklärung werden die Mikroorganismen als Belebtschlamm durch Sedimentation vom gereinigten Wasser getrennt.
Nachklärbecken
Das Nachklärbecken bildet eine Prozesseinheit mit dem Belebungsbecken. In ihm wird der Bakterienschlamm (Belebtschlamm) durch Absetzen aus dem Abwasser abgetrennt. Der Schlamm wird in das Belebungsbecken zurückgeführt. Der Belebtschlamm muss daher gute Absetzeigenschaften aufweisen. Ist dies nicht der Fall (z.B. durch massenweises Wachstum fadenförmiger Mikroorganismen, Blähschlammbildung) treibt der Belebtschlamm aus dem Nachklärbecken in das Gewässer ab. Damit wird nicht nur das Gewässer beeinträchtigt. Da nicht genug Schlamm im System Belebungsbecken/Nachklärbecken gehalten werden kann, sinkt die Reinigungsleistung. Das Schlammalter, d.h. die mittlere Aufenthaltsdauer der Biomasse im System, nimmt ab. Zuerst sind daher von einem derartigen Versagen die langsam wachsenden Bakterien (z.B. die Nitrifikanten, die Ammonium zu Nitrat umbauen) betroffen. Besonders leicht abbaubares Abwasser (z.B. aus der Lebensmittelindustrie) neigt zur Blähschlammbildung. Die Vorschaltung kleiner, nicht oder gering belüfteter Becken vor dem Belebungsbecken (Selektoren) kann die Blähschlammbildung vermeiden.
Der durch den Abbau der Abwasserinhaltsstoffe entstehende Biomassezuwachs (der Überschussschlamm) ist zu entsorgen.
3. Chemische Stufe:
- (da durch die biologische Klärung das Phosphat nicht vollständig entfernt werden konnte) je nach P-Belastung mit einem Aluminium-Fällmittel behandelt.
Phosphatfällung nachgeschaltet. Metallsalze (oder Kalke) gehen dabei mit dem Phosphor eine unlösliche Bindung ein, die sich als grobe Flocken im Nachklärbecken absetzen.
- Stickstoffelimination: Nitrifikation und Denitrifikation
- zuerst Nitrifikation: Ammonium zu Nitrat
- dann Denitrifikation: Nitrat zu elementaren N², das N² entweicht daraufhin in die Atmosphäre
Aus den Nachklärbecken fließt das gereinigte Wasser in den sogenannten Vorfluter. Ein Vorfluter ist ein Gewässer, in das gereinigte Abwasser eingeleitet wird. Dies kann ein Fluß, ein See oder ein Meer sein .
Pumpen fördern den Schlamm aus den Nachklärbecken zurück zum Bio-P-Becken oder ins Belebungsbecken, wo mit frischem Abwasser vermischt der Reinigungszyklus erneut beginnt. Da bei der Reinigung natürlich auch Schmutz in Form von Schlamm anfällt, wird dieser überschüssige Schlamm dem Kreislauf nach Bedarf entnommen.
Neben Rechengut und Sand fällt somit auf einer Kläranlage als \"Abfallprodukt\" hauptsächlich Schlamm an. Dieser wird abgezogen, teilweise auch entwässert und in den Faulturm gefördert.
Unter Luftabschluss und bei ca. 33 - 35 o C fault der Schlamm dort aus und es entsteht letztlich u.a. Methangas, das oft in BHKW-Modulen für die Energieversorgung der Anlage eingesetzt wird.
Der ausgefaulte Schlamm wird im Nacheindicker zwischengespeichert und kann als Nassschlamm oder, wie heute üblich, in entwässerter Form als Dünger in der Landwirtschaft oder als Bodenverbesserer im Landschaftsbau verwendet werden.
Reinigungsprozesse
Physikalische Verfahren bilden zumeist die erste Reinigungsstufe. Hier werden ca. 20-30 % der festen Schwimm- und Webstoffe entfernt. In der weitergehenden Abwasserreinigung und der Industriewasserwirtschaft werden unter anderem Adsorption, Filtration und Stripping eingesetzt.
Biologische Verfahren werden in der zweiten Reinigungsstufe kommunaler Abwasserreinigungsanlagen und für den Abbau org. hochbelasteter Abwässer in der Anaeroben Abwasserreinigung eingesetzt. Sie verwenden mikrobiologische Abbauvorgänge. Dabei sollen abbaubare organische Abwasserbestandteile möglichst vollständig mineralisiert werden, d.h. bis zu den anorganischen Endprodukten Wasser, Kohlendioxid, Nitrat, Phosphat und Sulfat in der aeroben, bzw. organische Säuren und Methan in der anaeroben Abwasserreinigung umgewandelt werden. Üblicherweise werden damit die Kohlenstoffverbindungen aus dem Abwasser entfernt
Chemische Verfahren bedienen sich chemischer Reaktionen wie Oxidation und Fällung. Sie dienen in der kommunalen Abwasserreinigung vor allem der Entfernung von Phosphor durch Fällungsreaktionen. Dieser Prozess hat große Bedeutung zur Vermeidung der Eutrophierung der Vorflut. Zudem werden chemische Verfahren zur Fällung in der Industriewasserwirtschaft und zur weitergehenden Abwasserreinigung (z.B. Flockung/Fällung/Filtration) eingesetzt. . Ebenso erfolgt die Entfernung von organischem Stickstoff und Ammonium durch biologische Nitrifikation und Denitrifikation.
Prozess
Kläranlagenkomponente
Zweck
Chemische Verfahren
Flockung
Flockungsbecken
Entfernung von Kolloidstoffen und feinen Schmutzpartikel durch Flockungsmittelzugabe bzw. Einstellung des pH-Wertes
Neutralisation/pH-Wert Einstellung
Neutralisationsbecken
Einstellung des gewünschten pH-Wertes durch die Zugabe von Säure oder Base.
Fällung
Fällungsbecken
Ausfällung von Phosphationen (PO43-) mit Eisen- und Aluminiumsalzen
Simultanfällung
Belebungsbecken/Nachklärbecken
Entfernung von Phosphor durch Eisen- bzw. Aluminiumzugabe zum Belebtschlamm.
Vorfällung
Mischbecken/Vorklärbecken
Entfernung von Phosphor durch Eisen- bzw. Aluminiumzugabe vor dem Vorklärbecken.
Nachfällung
Mischbecken/Absetzbecken nach dem Nachklärbecken
Entfernung von Phosphor durch Eisen- bzw. Aluminiumzugabe vor dem Vorklärbecken.
Chemische oder physikalische Oxidation
Sonderbecken
Zerstörung biologisch nicht abbaubarer organischer Verbindungen z.B. durch Ozon oder UV-Licht. Gegebenenfalls mit dem Ziel, die Reste biologisch abbauen zu können (z.B. Entfärbung von Abwasser)
Desinfektion
Sonderbecken
Entkeimung durch Chlor- oder Ozonzugabe oder durch UV-Bestrahlung
biologische Verfahren:
Prozess
Kläranlagen-komponente
Zweck
Biochemische Oxidation
Belebtschlam-mverfahren, Tropfkörper
Aerober Abbau organischer Bestandteile zu anorganischen Endprodukten (H2O, CO2, NO3-, N2, PO4---, SO4--) durch Belebtschlämme (Belebungsbecken) bzw. Bakterienrasen (Tropfkörper). Durch geeignete Betriebsführung bei Belebungsanlagen kann die Phosphoraufnahme in die Biomasse optimiert werden (Bio-P). Somit ist weniger Fällmittel zur Phosphorelimination erforderlich.
Grundsätzliches Ziel ist stets, zu entfernende Abwasserinhaltsstoffe durch biologische Prozesse (Veratmung, Biomassewachstum) in Formen zu überführen, die durch Sedimentation oder Stripping (gasförmiges Austreiben) aus dem Abwasser entfernt werden können und zudem möglichst unschädlich sind.
Schlammfaulung
Faulturm
Anaerober Abbau organischer Bestandteile des Primär- bzw. Überschusschlammes zu anorganischen Endprodukten: Schwefelwasserstoff (H2S), Kohlendioxid (CO2), Methan (CH4), Ammoniak (NH3)
Anaerobe Abwasserreinigung
Reaktor
Anaerober Abbau organischer Bestandteile zu anorganischen Endprodukten: Schwefelwasserstoff (H2S), Kohlendioxid (CO2), Methan (CH4), Ammoniak (NH3). Besonders für organisch hochbelastete Abwässer geeignet (z.B. Lebensmittelindustrie, Tierkörperbeseitigung).
3 Eutrophierung:
- in chemisch reinem Wasser können keinerlei Lebewesen existieren.
- damit Pflanzen wachsen können (und dadurch auch andere Lebewesen eine Lebensgrundlage haben) muß das Wasser neben Kohlendioxid ein Mindestmaß an gelösten Mineralstoffen enthalten, vor allem Phosphor-, Stickstoff- und Kaliumverbindungen. Sie sind die wichtigsten Pflanzennährstoffe (deshalb auch die wirksamen Bestandteile von Dünger aller Art).
Nach dem Gehalt an diesen düngenden Mineralstoffen unterscheidet man grob drei Gewässertypen
oligotrophe Gewässer
= geringer Nährstoffgehalt
z.B. Gletscherseen und Oberläufe der meisten Gebirgsbäche, viele Seen in Skandinavien.
mesotrophe Gewässer
= mittlerer Nährstoffgehalt
z.B. die meisten oberbayerischen Seen
eutrophe Gewässer
= hoher Nährstoffgehalt
fast alle Gewässer in dicht besiedelten oder landwirtschaftlich intensiv genutzten Regionen, also auch fast die gesamte Pegnitz einschließlich Wöhrder See
- dabei richtet sich das Pflanzenwachstum nach demjenigen Nährstoff, der in der geringsten Menge vorhanden ist.
Gesetz des Minimum
- In naturbelassenen (nicht vom Menschen beeinflußten) Gewässern ist dieser das Wachstum begrenzende Faktor fast immer der Gehalt an Phosphat.
à starke Bedeutung von Phosphateintrag!!!!!!!!!!!!!!!!!
- Die Planktonalgen benötigen als Nährstoffe Stickstoff(N)- und Phosphor(P)-verbindungen im Verhältnis N:P wie 16:1
- steigende Eutrophierung (vom oligotrophen See ausgehend): nimmt der Bestand an Lebewesen zu (gemessen nach Arten- und Individuenzahlen), mit ihnen steigt aber auch der Bedarf an wassergelöstem Sauerstoff.
photosyntheseaktive Arten treten in großer Menge nur im Epilimnion auf, dazu auch nur nahe der Seeoberfläche und da es in stehenden Gewässern im Sommer kaum eine Wasserumwälzung gibt, geht ein hoher Anteil des gebildeten Sauerstoffs direkt an die Atmosphäre verloren.
Die Eutrophierung eines Gewässers
1. Stufe: Das Wasser ist quellrein; Gewässergüteklasse I
In einem ganz sauberen Gewässer leben Tiere und Pflanzen in relativ geringer Zahl miteinander:
Tiere
Pflanzen
Fische, kleine Wassertiere
(Krebse, Schnecken, Fliegenlarven)
Wasserpflanzen
(z.B. Seerose, Wasserpest, Laichkraut)
Zooplankton (mikroskopisch kleine Tierchen,
z.B. Wimpertierchen)
Phytoplankton (mikroskopisch kleine Pflanzen,
z.B. Algen)
Konsumenten: konsumieren
pflanzliches Material und Sauerstoff
Produzenten: liefern Nahrung
und produzieren Sauerstoff
In Wasser mit der Gewässergüteklasse I ist viel Sauerstoff im Wasser gelöst. Die Nahrungskette sieht folgendermaßen aus:
Fisch --> frisst --> Krebs --> frisst --> Wimpertier --> frisst --> Algen
- Destruenten (z.B. Bakterien) ernähren sich von Kadavern
- zersetzen abgestorbene Lebewesen und daraus wieder Nährstoffe bilden, organisch zu anorganisch : benötigen sie Sauerstoff.
- in sauberen Gewässer gibt es allerdings nur wenige Bakterien, da nur wenige Lebewesen sterben. Es herrscht ein ökologisches Gleichgewicht:
2. Stufe: Das Wasser ist mäßig belastet; Gewässergüteklasse II
- Einleiten von Abwässer der Landwirtschaft/Haushalte enthalten: Salze wie z.B. Phosphate, die in ein Gewässer geleitet werden, -> vermehren sich die Algen
- werden den Algen mehr Nährstoffe - in Form der Phosphate - angeboten, vermehren sie sich überdurchschnittlich schnell
- bei einem hohen Phosphateintrag in die Gewässer durch Abwässer kann es daher zu einer Massenvermehrung von Algen kommen: (Algenblüte)
- Überangebot von pflanzlicher Nahrung (Algen) für das Zooplankton vermehren sich alle Tiere des Zooplanktons
- Vermehrung Phytoplankton -> Vermehrung Zooplankton -> Krebse mehr Nahrung -> Vermehrung Krebse, usw..
- Aufgrund der Eutrophierung vermehren sich alle Lebewesen eines Gewässers.
3. Stufe: Das Wasser ist stark verschmutzt; Gewässergüteklasse III
- starke Vermehrung aller Lebewesen im Wasser -> mehr absterbende Lebewesen
- Destruenten erhalten mehr Nahrung -> Vermehrung
- Verbrauch Sauerstoff hoch -> Bildung Fäulnisstoffe
- starke Algenvermehrung -> gelangt kein Licht mehr an den Boden des Gewässers
- Hypolimnion Pflanzen -> keine Photosynthese mehr möglich -> sterben ab und verfaulen
- Sauerstoffgehalt nimmt immer mehr ab -> Fische, Krebse und Schnecken sterben an Sauerstoffmangel
4. Stufe: Das Wasser ist übermäßig verschmutzt; Güteklasse IV
- alle größeren Lebewesen sind an Sauerstoffmangel gestorben
- nur Bakterien und Wimpertierchen haben überlebt
- Auftreten von Wimpertierchen (fressen Bakterien leidenschaftlich gerne) und treten jetzt in Massenkolonien auf
- Wimpertierchen: benötigen geringe Mengen Sauerstoff und können in sauerstoffarmen Gewässern überleben.
- wird dem Gewässer zu diesem Zeitpunkt kein Abwasser mehr zugeleitet, kann es sich erholen: Die Wimpertierchen fressen nach und nach alle Bakterien. Durch das Verschwinden der Bakterien, welche ja bei der Zersetzung von Kadavern Sauerstoff verbrauchen, nimmt der Sauerstoffgehalt in dem Gewässer sogar wieder zu -> das Wasser wird wieder sauberer, es reinigt sich selbst (Selbstreinigung).
5. Stufe: Das Gewässer kippt um; es ist tot
- noch mehr Abwässer: \"kippt\" das Gewässer \"um
- Abwässer enthalten außer Mineralien auch noch Gifte: geben dem Gewässer den Rest
- Wimpertierchen sterben, der Sauerstoffgehalt sinkt auf Null: das Gewässer ist in gewissem Maße "tot" (alle größeren Lebewesen sind gestorben).
- da die Wimpertierchen fehlen, kann es sich nicht mehr selbst reinigen ->
- der See enthält nur noch Destruenten und Fäulnisstoffe.
Eutrophierung an sich bedeutet noch lange nicht Absterben allen Lebens im See.
- Mehrzahl eutropher Seen (u.a. fast alle mitteleuropäischen) befinden sich in einem biologischen Gleichgewicht.
- Eutrophierung ist nämlich ein Prozeß, der in fast jedem See, auch in einer vom Menschen unbelasteten Umwelt in Erscheinung tritt.
- natürliche Eutrophierung spielt sich aber in Zeiträumen von Tausenden von Jahren ab und ist ein erster Schritt einer Sukzession:
oligotropher See > eutropher See > Verlandung > Niederungsmoor > Hochmoor
Demgegenüber läuft Eutrophierung durch anthropogene Einflüsse in nur wenigen Jahrzehnten ab; in einem solchen Zeitraum ist an eine Sukzession nicht zu denken.
- eutrophen Gewässer: wuchern Pflanzen üppig; treten in Konkurrenzkampf um Licht und Platz.
- Massenvermehrungen von schwebenden Algen (pflanzliches Plankton) trüben das Gewässer
- Aus Lichtmangel sterben tiefer stehende Pflanzenteile und tiefer schwebende Algen ab
- Im Herbst kommt der \"Laubfall\" der Uferbäume und das Absterben von Schilfhalmen, Schwimmblättern und anderen Wasserpflanzenteilen dazu. Die tote, abzubauende Biomasse schwillt also an.
4 Zusatzinfos:
Das Gas Sauerstoff ist aber aus physikalischen Gründen in Wasser nur sehr wenig lösbar. (z.B. enthält 1 kg Luft (ca. 800 Liter Luft) über 200 g Sauerstoff, 1 kg Wasser (1Liter Wasser) dagegen meist weniger als 10 mg (Tausendstel Gramm), je wärmer desto weniger. Wenn das Wassers nicht ständig mit Luft durchmischt wird, ist diese geringe Sauerstoffmenge von den Zerlegern bald aufgezehrt. Dies droht vor allem am Grund von eutrophen Seen im Sommer, wenn eine \"leichtere\" Warmwasserschicht auf \"schwererem\" kühlerem Tiefenwasser \"schwimmt\". In dieser Zeit kommt kein sauerstoffgesättigtes Oberflächenwasser zum Grund.
Durch die tagsüber verstärkt ablaufende Photosynthese kommt es meist zu Sauerstoffübersättigungen, während nachts erhebliche Sauerstoffzehrungen eintreten. Diese starken Tag-Nacht-Schwankungen im Sauerstoffhaushalt sind typisch für eutrophierte Gewässer und können den Fischen und den an der Gewässersohle lebenden Kleintieren erhebliche Schwierigkeiten bei der Atmung bereiten. Wenn der pH-Wert und die Temperatur steigen, wird ferner das Gleichgewicht zwischen Ammonium und Ammoniak verschoben und mehr toxischer Ammoniak freigesetzt. Diese Erscheinungen haben das Abwandern oder gar das Absterben der Tiere zur Folge.
Minerale
Schwefel:
Schwefel wird durch mikrobielle Prozesse oxidiert/reduziert zu Sulfat - Sulfat ist für Organismen nutzbar, wasserlöslich und wird in Seen eingetragen
Als Bestandteil von Proteinen ist Schwefel im Pflanzen- und Tierreich weit verbreitet; er ist z.ÿB. Baustein von Aminosäuren und Vitaminen.
Stickstoff und Phosphat:
Stickstoffdünger und Phospatdünger führen zwar zu einem erhöhten Wachstum, die Salze werden aber über Regen und Grundwasser insbesondere in stehende Gewässer wie Seen geschwemmt. Nitrate und Ammoniumsalze sind Stickstoffverbindungen, die die Pflanzen mit Stickstoff versorgen. Phosphate sind für die Phosphorversorgung der Algen von Bedeutung. Normalerweise sind diese Nährsalze in den Gewässern immer in geringen Mengen vorhanden, aber erst wenn der Mensch zusätzlich Nährstoffe zuführt, kann es zu einem Ungleichgewicht im Ökosystem der Gewässer kommen und so zu deren Eutrophierung beitragen
In der belebten Natur ist chemisch gebundener Stickstoff Bestandteil zahlreicher biochemisch wichtiger Substanzen, besonders der Proteine und der Nucleinsäuren.
Phosphor ist auch für Menschen und Tiere unentbehrlich; er ist z.ÿB. in Nucleinsäuren und Enzymen enthalten und an allen Vorgängen des Energiestoffwechsels sowie an Stoffwechselreaktionen (z.ÿB. Proteinbiosynthese, Knochenaufbau) beteiligt. Phosphor gehört zu den für die Entwicklung der Pflanzen unerlässlichen Nährstoffen.
Folie: Phosphorbelastung im Bodensee
Vorkommen von Phosphaten (Phosphor kommt meist Gebunden vor)
1. in Düngmittel
2. als Wasserenthärter in Waschmitteln
Schutz vor Phosphaten:
1. Verbot von Phosphaten in Waschmitteln
2. Einführung der dritten chemischen Reinigungsstufe in Kläranlagen (Fällung des Phosphats durch Eisen(II)-chlorid oder Aminiumsulfat)
Folie: Eutrophierung
Bedeutung der Phosphate
Phosphat sind für uns lebensnotwendig:
1. Hydroxylapatit (Aufbau der Zähne und Knochen)
2. Phosphorsäureester (PS, Stoffwechsel)
3. als Hydrogentriphosphats HP3O10- in ATP als Energiespeicher
4. als Monophosphatdiester in der DNA
5. Polyphosphat als Zusatzstoffe für Waschmittel, Lebensmittel. Diese \"Phosphate\" in Lebensmitteln werden zugesetzt um das Wasserbindevermögen der Würste die eigentlich hauptsächlich aus Fett bestehen zu erhöhen. Sie sehen dadurch knackiger aus. Die Bezeichnung \"mit Phosphat\" ist eigentlich falsch, denn in jeder Wurst ist zumindest Monophosphat aus ATP enthalten. Zugesetzt werden v.a. Di- und Triphosphate die man deklarieren muss.
Pharmaka:
- Industrieabwässer der Arzneimittelproduzenten führen u. a. zu einem Eintrag der Pharmaka in Seen
- Häusliche Abwasser immer mehr belastet
- z.B. Kontrazeptiva oder die Antidiabetika zählen zu den endokrin (hormonell) wirksamen Verbindungen
- Industriechemikalien wie PCB, DDT zählen zu den endokrinen Verbindungen
- im Nahrungsmittelbereich sind u. a. Flavonoide und Lignane sowie weitere ähnliche Stoffe vorhanden, die durch Verzehr und folgender Ausscheidung oft zu freien aktiven Form transformiert werden
- ein verstärktes Auftreten im Abwasser und dadurch in Seen zu erwarten
Nachweislich reichen die üblichen Abwassertechnologien nicht aus, um die Arzneistoffe vollständig aus dem Abwasser zu entfernen.
Problem: ungeahnte Folgen im Ökosystem See sowie im Klärwerk durch negative Beeinflussung der biologischen Reinigung
Bioindikatoren für die Trophieklassifikation:
- Organismen, deren Vorkommen von bestimmten Nährstoffkonzentrationen abhängt bzw. diese toleriert.
- ist es möglich, vom Vorkommen der Bioindikatoren auf die spezifischen Umweltbedingungen zu schließen.
- die meisten Trophieindikationssysteme beschreiben die Abhängigkeit des Vorkommens von Primärproduzenten (zur Photosynthese befähigte pflanzliche Organismen) vom Phosphorgehalt des Wassers
- je nach Seentyp oder -bereich kennen wir unterschiedliche Organismengruppen, die direkt vom Nährstoffgehalt abhängig sind
Pelagial (Freiwasserkörper)
- Freiwasser werden die Nährstoffe (z.B. Phosphor, Stickstoff, Silicium) von planktischen Algen, dem Phytoplankton aufgenommen
- In der Bodenzone, dem Profundal, ist aufgrund von Lichtmangel kein Pflanzenwachstum möglich
- Biomasse und die Artenzusammensetzung des Phytoplanktons lassen Rückschlüsse auf die Nährstoffbelastung zu
oligotrophen ( Bsp.: Lustsee):
eutrophen See (Bsp.: Pelhamer See):
5 Was kann man tun: Eutrophierungsvermeidung?
Kläranlage:
- Nutzung einer Desinfektionsstufe, mit der eine Reduzierung der Fäkalbakterien im Kläranlagenablauf erreicht wird
- Nachrüstung aller Kläranlagen auf neuste Standards (3 Stufen)
- Überlastung vermeiden (besonders in Sommermonaten, da sich erhöhte Wassertemperaturen negativ auf Klärung auswirkt)
- Vornehmliche Nutzung von zentralen Kläranlagen
- Einsatz thermophiler Verfahren zur mikrobiellen Reinigung Öl- und Fettkontaminierter Abwässer (mittels eines biotechnologischen Verfahrens soll Fettbelastung der Abwässer entgegengewirkt werden - in Entwicklung)
direkt am See:
- Sanitäreinrichtungen in den Badebereichen
- Eintrag von Nährstoffen (z. B. Essen) und Organismenausscheidung weitestgehend reduzieren
- Ringkanalisationen (führt dazu das Abwässer nicht in Seen eingeleitet werden)
- Zugabe von Algiziden
- Entfernung von Detritus vom Gewässerboden durch Ausbaggerung
- Abernten von Algen (Vorteil: sie können getrocknet als Viehfutter verwendet werden)
- Sauerstoffzufuhr durch künstliche Belüftung
Fazit See: Manipulationen haben, wenn überhaupt, nur kurzfristig Erfolg. Der auch langfristig allein erfolgversprechende Weg ist eine starke Beschränkung der Nährstoffzufuhr.
in den Orten:
- Erweiterung der Ortskanalistaion
- weniger Verbrauch von Substanzen, die eine Eutrophierung im See fördern (posphatfreie Waschmittel, etc.)
Sonstige:
- Weitläufige Verteilung von Abwässern, Einleitung in schnellfließende Flüsse (Vorsicht: deren Kapazität und Regenerationsvermögen ist zwar höher als das stehender Gewässer, aber Kapazitätsgrenzen gibt es auch dort).
Landwirtschaft:
- Überdüngung vermeiden
(Speziell Stickstoff: Stickstoffverbindungen sind meist sehr reaktiv und oft toxisch. Eine Überdüngung führt daher statt zu besserem Wachstum in der Regel zu Degenerationserscheinungen und Ertragsminderung.)
- nur speziell gerichteten Dünger einsetzen
Genaue Untersuchungen bezüglich der Auswirkungen der Stoffeinträge durch Abwasser-/ Kläranlagenabläufe:
Beispiel: In Zusammenarbeit des Institutes für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft mit der Universität Hohenheim finden derzeit an den Schönungsteichen des Lehr- und Forschungsklärwerks (LFKW) der Universität Stuttgart als Grundlage für zukünftige Forschungsvorhaben Untersuchungen statt, die einer gesamtökologischen Bewertung dieser Abwasser/Kläranlagenablaufbelastungen dienen sollen.
Ende:
Obwohl die Verschmutzung der Seen in Deutschland in den letzten Jahren deutlich zurückgegangen ist, kann noch nicht von einer endgültigen Entwarnung gesprochen werden, vielerorts gibt es noch stark eutrophierte Seen. Nach wie vor gelangen immer noch viele Nährsalze aus der Landwirtschaft und aus den Abwässern der Haushalte und Industrien in die Gewässer. Ist ein Gewässer einmal umgekippt, dauert es sehr lange, bis es sich wieder erholt, auch wenn es durch Selbstreinigung wieder sauberer geworden ist. Ein wichtiges Ziel der Menschen sollte der Gewässerschutz sein. Die durch menschliches Tun gestörten Stoffkreisläufe der Natur sollten wieder ins Gleichgewicht gebracht werden. Das ist nur möglich, wenn Belastungen des Wassers mit biologisch abbaubaren Stoffen und mit Nährstoffen (und auch naturfremde Stoffe wie z. B. Pflanzenschutzmittel, Dioxine) vermindert oder weitgehend vermieden oder zumindest dem Wasserkreislauf ferngehalten sowie die Reststoffe der Abwasserbehandlung (z. B. Klärschlamm) schadlos in die Umwelt zurückgegeben werden können. Verlagerungen in die Medien Luft, Meer und Boden darf es dabei nicht geben.
folgend das "Handout":
1 Wasserverbrauch
soviel Wasser wird benötigt: pro Person im Haushalt täglich etwa 130 Liter; zur Produktion eines Autos etwa 50 000 Liter; zur Erzeugung einer Kilowattstunde Strom etwa 125 Liter Kühlwasser; insgesamt fallen in der BRD jährlich ca. 42 Mrd. m³ Abwasser an.
Wasser wird gebraucht: als Grundlage und Lebensmittel jeglichen Lebens, zum Waschen, Reinigen, Kochen, Auflösen, Erhitzen, Kühlen, Transportieren und Löschen; für chemische und biochemische Reaktionen; als wichtiger Bestandteil aller Lebewesen und vieler Produkte; zur Energieerzeugung
Gesamtabwasseranfall
100 %
Kommunales Abwasser
davon 32
Industrieabwasser (ohne Kreislaufwasser)
davon 47
Landwirtschaftliches Abwasser
davon 01
Regenwasserabfluss aus dem kanalisierten Gebiet
davon 20
Kommunaler Abwasseranfall
100
Häusliches Schmutzwasser
davon 50
Fremdwasser
davon 14
Industrielles und gewerbliches Abwasser
davon 36
2 Kläranlage
- das Abwasser fließt mit groben und kleinen Verschmutzungen in das Klärwerk
- erste Stufe (mechanische Reinigung): werden durch Rechen und Siebe die großen Verunreinigungen wie Äste, Ratten etc. vom Abwasser getrennt
- im folgendem Rückhaltebecken wird großkörniger Sand im Sandfang mittels Ablagerung vom Abwasser getrennt, mittels Lufteinblasung erfolgt oft im selben Becken eine Öl- und Fettabsonderung
- das Wasser wird weiter durch das Absetz- bzw. Vorklärbecken geleitet, in dem eine Schlammabsonderung erfolgt
- der anfallende Schlamm wird im Faulturm aufbereitet und teilweise wieder nutzbar gemacht bzw. entsorgt
- zweite Stufe (biologische Selbstreinigung): mittels aerober und anerober Prozesse werden gelöste, organische und andere Schwebstoffe herausgeholt
- dritte Stufe (chemische Reinigung): (bisher nur in modernen und speziellen Klärwerken vorhanden) es werden mithilfe chemischer Reaktionen Mineralstoffe (u. a. Phosphate und Nitrate) weiter ausgefällt
- somit wird bewerkstelligt, dass nährstoffarmes Wasser in Gewässer eingeleitet wird, einer allzu starken Eutrophierung der Gewässer wird so versucht entgegenzuwirken.
Bild aus: Klett - Natura - Biologie für Gymnasien 2
3 Eutrophierung
Eine Überdüngung in einem See führt aufgrund der erhöhten Mineralkonzentration (u. a. speziell mit Phosphaten) zu verstärktem Algenwachstum und der starken Vermehrung der daran anschließenden Nahrungskette. In den oberen Gewässerschichten reichert sich Sauerstoff an (Sauerstoffüberschuss). Abgestorbene Organismen sinken auf den Grund und werden von Mikroorganismen zersetzt (aerober Vorgang -> stark Sauerstoff zehrend). Es entstehen mit der Zeit anaerobe Bedingungen, da der Sauerstoff nicht in gleichem Maße eingetragen werden kann, weil keine Wasserschichtendurchmischung stattfindet. Es entsteht am Seeboden Detritus (eine Faulschlammschicht). Durch die Fäulnisprozesse wird der letzte Teil Sauerstoff aufgebraucht, außerdem werden toxische Gase wie Ammoniak, Methan und Schwefelwasserstoff gebildet, die sich im gesamten See verteilen. Unter diesen Bedingungen sterben viele Arten von Lebewesen ab. Das Gewässer `kippt um´ (Verlust der Fähigkeit zur biologischen Selbstreinigung), der See ist biologisch tot (als Beispiel kann der Erie-See im Norden der USA angeführt werden).
natürliche Eutrophierung: oligotropher See > eutropher See > Verlandung > Niederungsmoor > Hochmoor
vom Menschen beschleunigte Eutrophierung: oligotropher See > eutropher See > toter See
Sauerstoff ist aus physikalischen Gründen in Wasser nur sehr wenig lösbar. Zum Beispiel enthält 1 kg Luft über 200 g Sauerstoff, 1 kg Wasser dagegen meist weniger als 10 mg - je wärmer desto weniger. Wenn das Wasser nicht ständig mit Luft durchmischt wird, ist diese geringe Sauerstoffmenge von den Destruenten bald aufgezehrt. Dies droht vor allem am Grund von eutrophen Seen im Sommer, wenn eine \"leichtere\" Warmwasserschicht auf \"schwererem\" kühlerem Tiefenwasser \"schwimmt\". In dieser Zeit kommt kein sauerstoffgesättigtes Oberflächenwasser zum Grund.
Den meisten Bakterien und Pilzen macht Sauerstoffmangel wenig aus. Sie \"schalten\" ihren Stoffwechsel auf Fäulnisprozesse (Gärung) um. Für sie gibt es ja Nahrung im Überfluss. Tiere und Pflanzen aber ersticken. Was an höheren Lebewesen nicht erstickt, wird vergiftet.
4 Lösungsansätze:
Obwohl die Verschmutzung der Seen in Deutschland in den letzten Jahren deutlich zurückgegangen ist, kann noch nicht von einer endgültigen Entwarnung gesprochen werden, vielerorts gibt es noch stark eutrophierte Seen. Nach wie vor gelangen immer noch viele Nährsalze aus der Landwirtschaft und aus den Abwässern der Haushalte und Industrien in die Gewässer. Ist ein Gewässer einmal umgekippt, dauert es sehr lange, bis es sich wieder erholt, auch wenn es durch Selbstreinigung wieder sauberer geworden ist. Ein wichtiges Ziel der Menschen sollte der Gewässerschutz sein. Die durch menschliches Tun gestörten Stoffkreisläufe der Natur sollten wieder ins Gleichgewicht gebracht werden. Das ist nur möglich, wenn Belastungen des Wassers mit abbaubaren Stoffen und mit Nährstoffen (und auch naturfremder Stoffe wie z. B. Pflanzenschutzmittel, Dioxine) vermindert oder weitgehend vermieden oder zumindest dem Wasserkreislauf ferngehalten, sowie die Reststoffe der Abwasserbehandlung (z. B. Klärschlamm) schadlos in die Umwelt zurückgegeben werden können. Verlagerungen in die Medien Luft, Meer und Boden darf es dabei nicht geben.
- Nachrüstung aller Kläranlagen auf neuste Standards (3 Stufen)
- weniger Verbrauch von Substanzen, die eine Eutrophierung im See fördern (posphatfreie Waschmittel, etc.)
- Überdüngung in der Landwirtschaft vermeiden
- weitläufige Verteilung von Abwässern, Einleitung in schnellfließende Flüsse
- Ringkanalisationen (führt dazu das Abwässer nicht in Seen eingeleitet werden)
- Entfernung von Detritus (tote organische Faulschlammschicht) vom Gewässerboden durch Ausbaggerung
- Abernten von Algen (Vorteil: sie können getrocknet als Viehfutter verwendet werden)
- Überlauf von Kanalisation verhindern, somit wird ungeklärte Einschwemmung in Gewässer verhindert
- Trennung von Regen- und Haushaltsabwässer, so wird bei Stoßzeiten Überflutung vermeiden
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