Wasser: Chemie, Mikrobiologie und nachhaltige Nutzung

373 Pages·2011·11.386 MB·German

by  Andreas Grohmann, Martin Jekel, Regine Szewzyk, Ulrich Szewzyk

Grohmann, Jekel, Grohmann
Szewzyk, Szewzyk
Wasser

Andreas N. Grohmann
Martin Jekel, Andreas Grohmann
Regine Szewzyk, Ulrich Szewzyk
Wasser
Chemie, Mikrobiologie und nachhaltige Nutzung
DE GRUYTER
Autoren
Prof.Dr.AndreasGrohmann Prof.Dr.rer.nat.UlrichSzewzyk
TechnischeUniversitftBerlin TechnischeUniversitftBerlin
InstitutfcrChemie InstitutfcrUmweltmikrobiologie
Sekr.C2 Sekr.FR1–2
Straßedes17.Juni135 Franklinstr.29
10623Berlin 10587Berlin
[email protected] [email protected]
Prof.Dr.AndreasNikolaosGrohmann Dr.RegineSzewzyk
Holbeinstr.17 Umweltbundesamt
12203Berlin Corrensplatz1
[email protected] 14195Berlin
[email protected]
Prof.Dr.-Ing.MartinJekel
TechnischeUniversitftBerlin
InstitutfcrTechnischenUmweltschutz
Sekr.KF4
Straßedes17.Juni135
10623Berlin
[email protected]
DasBuchenthflt77Abbildungenund50Tabellen.
ISBN978-3-11-021308-9
e-ISBN978-3-11-021309-6
LibraryofCongressCataloging-in-PublicationData
Wasser:Chemie,MikrobiologieundnachhaltigeNutzung/byAndreasNikolaosGrohmann...
[etal.].
p.cm.
ISBN978-3-11-021308-9(acid-freepaper)
1.Waterchemistry.2.Water–Microbiology.3.Wateruse.I.Grohmann,A.(Andreas)
GB855.W3472011
628.1061–dc22 2011010470
BibliografischeInformationderDeutschenBibliothek
Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbiblio-
grafie;detailliertebibliografischeDatensindimInternetcberhttp://dnb.d-nb.deabrufbar.
iCopyright2011byWalterdeGruyterGmbH&Co.KG,Berlin/NewYork
PrintedinGermany
Satz:Druckhaus„ThomasMcntzer“,BadLangensalza
DruckundBindung:Hubert&Co.,Gdttingen
1 Herkunft des Wassers
1.1 Einleitung
Wirbezeichnen dieErdeals„BlauenPlaneten“undausdemWeltraum aufgenommene
Bilder bestktigen diesen vom allgegenwkrtigen Wasser hervorgerufenen Farbeindruck.
mber die Frage, wie das Wasser auf die Erde kam, besteht noch keine Einigkeit. Zwei
Mjglichkeiten werden derzeit diskutiert.
$ Ausgasung: Das Wasser war bereits Bestandteil der Gaswolke, aus der die Erde
entstand, und kondensierte in der Folge.
$ Kometeneintrag: Die frihe, bereits erkaltende Erde erhielt ihr Wasser durch Me-
teoriten- und Kometeneintrag aus dem All.
Fir diese Einschlagtheorie sprechen die krateriberskten Oberflkchen anderer Him-
melskjrper, wie etwa die des Mondes, wo das Relief wegen fehlender Erosion kon-
serviert wurde, und die Zusammensetzung von Kometen, in denen Wasser mitunter
als Hauptbestandteil nachgewiesen werden konnte. Allerdings ist das Protium/Deute-
rium-Verhkltnis (s.Kap.2.2.3) im Meerwasser ein anderes als im Eis der meisten Ko-
meten. Dies macht fir die Herkunft des Wassers auf der Erde eine Kombination bei-
der Prozesse (Ausgasung und Kometeneintrag) wahrscheinlich.
Das Vorhandensein riesiger Mengen gefrorenen und gasfjrmigen Wassers im inter-
stellarenRaumisterwiesen.DortentstehtesausdenElementen,undzwarwahrschein-
lichanderreaktivenOberflkchevonStaubpartikeln.NachdemUrknallwarWasserstoff
das „erstgeborene“ Element. Es ist immer noch in schier unerschjpflicher Menge im
Weltall vorhanden. DieEntstehungvonSauerstofferfordert, wie diejenigealler schwe-
rerenElemente,indenSternenstattfindendeKernverschmelzungsprozesse.Ausbeiden
Elementen entsteht im Weltraum auch heute noch Wasser, so etwa im Orionnebel pro
TageineMenge,dieausreichenwirde,dieirdischenMeeresechzigmalzufillen.Dieses
WasserlksstsichmithilfederIR-Spektroskopie(s.Kap.2.2.2)zweifelsfreinachweisen.
WasserermjglichtLeben.OhneWassergkbeeskeineWelt,wiewirsiekennen.Das
Leben kommt aus dem Wasser, ist vorwiegend Wasser und braucht fir seinen Fort-
bestand vor allem Wasser. Das Wasser der Erde ist Lebensraum und speichert die
Energie der Sonne als Wkrme. Diese W^rmespeicherung hat großen Einfluss auf das
Klima und damit auch auf das Leben an Land und in der Luft. Wasser (H O) ist der
2
Elektronenlieferant der Photosynthese, in deren Verlauf es zu Sauerstoff oxidiert
wird. Mit Hilfe des Sonnenlichts und der aus dem Wasser bezogenen Elektronen re-
duzieren Cyanobakterien und grine Pflanzen Kohlenstoffdioxid (CO ) zu Glukose
2
(C H O ). Reduzierte Materie dient den aeroben Lebewesen als Nahrungsmittel, d.h.
6 12 6
zur Gewinnung von Energie. Unter Nutzung des bei der photosynthetischen Wasser-
oxidation gebildeten Sauerstoffs (Atmung) entstehen auf dem Wege einer stillen Ver-
brennung (Stoffwechsel) wiederum Kohlenstoffdioxid und Wasser, damit schließt sich
der Kreis. Die Gesamtmenge des Wassers auf der Erde (s.u.) ist jedoch so hoch, dass
2 1 HerkunftdesWassers
diese Prozesse fir die globale Wasserbilanz unbedeutend bleiben. Neben dieser un-
mittelbaren Funktion als chemischer Reaktionspartner ist Wasser gleichzeitig das
Reaktionsmedium der Stoffwechselprozesse in allen Lebewesen, vom Einzeller bis
zum Menschen. Wasser ist ein hervorragendes Ljsemittel. Die besonderen Ljsungs-
eigenschaften des Wassers machen es zum wahrscheinlichsten Entstehungsort der ers-
ten selbstreplizierenden Systeme der Evolution („Urozean‘‘).
„Leben“ ist in nichterner naturwissenschaftlicher Definition ein Vorgang, der sich
„[...] als kontrolliertes stationkres Fließgleichgewicht mit Input und Output als not-
wendigen Voraussetzungen in nicht oder nur teilweise abgeschlossenen Systemen
weitabvom „toten“ thermodynamischen Gleichgewicht abspielt und nur durch Ener-
gie verbrauchende chemische Prozesse aufrechterhalten wird (dissipatives System)“
(Kaim und Schwederski, 2005).
Wasser ist Mittler und beteiligter Stoff bei allen Lebensprozessen. Es ist dariber
hinaus mit seiner Wkrmekapazitkt, der Schmelz- und Verdampfungswkrme, den
großen Meeresstrjmungen und den wandernden Wolken ausgleichendes Medium
im Energiefluss von der wkrmenden Sonne ins kalte Universum.
1.2 Das Wasser der Erde
Der Blaue Planet Erde verfigt iber 1,4(1018m3 Wasser, das wegen der herrschenden
Temperaturen von im Mittel 12%C hauptskchlich in flissiger Form vorliegt und etwa
70% der Erdoberflkche bedeckt. Die auf der Erde verfigbare Wassermenge (globale
Wasserbilanz) ist unverknderlich. Sie reicht aus, um die seit Milliarden Jahren aus
dem Festland ausgewaschenen Salze soweit zu verdinnen, dass vielfkltiges Leben im
Meer mjglich bleibt. Die Tatsache, dass Meerwasser salzhaltig ist, wird bewusst nicht
als Nachteil herausgestellt, um das im Meer fir die Produktion von Lebensmitteln
oder als Kihlwasser fir Wkrmekraftwerke enthaltene Potential nicht auszuklammern
(s.Kap.1.3).
Prozesse der Bildung oder des Verbrauchs von Wasser haben auf die Gesamtmenge
des Wassers auf der Erde nur marginale Auswirkungen. Zwar wird von Wasserver-
brauch gesprochen, doch handelt es sich um eine Nutzung, ohne die Menge des Was-
sers zu verkndern.
Auf dem Festland ist die verfigbare Wassermenge extrem ungleichm^ßig verteilt.
Sie wird durch die natirliche Entsalzung des Meerwassers (Verdunstung, V) und den
Transport der Wassermassen (Wolken, Nebel, Schnee und Regen, genauer: Nieder-
schlag, P) bestimmt. In Abweichung von der Klimaklassifikation nach Kjppen mit
sieben Klimazonen wird hier nur der Niederschlag bewertet (Lecher und Kresser,
2001). Zu unterscheiden sind:
$ Immerfeuchte regenreiche Gebiete:
tropischer Regenwald (P10.000mm/a),
immergriner Passatregenwald an der Ostseite der kontinentalen Gebirgsrknder
(P2.000 mm/a),
Westwindzonen an Gebirgskisten (P2.000mm/a).
1.3 WasserhaushaltundWasserbilanzen 3
$ Wechselfeuchte Gebiete ohne lange Trockenzeiten:
gemkßigte Zonen mit wechselhaftem Wetter aber regelmkßigem und ausreichendem
Winter- und Sommerregen (wie in Mitteleuropa, z.B. in Deutschland).
$ Wechselfeuchte Gebiete mit langer Trockenzeit:
kußere Tropen mit Regenzeit und langer Trockenzeit,
subtropisches Winterregengebiet (wie am Mittelmeer und in Kalifornien),
Monsunregengebiete,
Steppengirtel mit trockenem Winter.
$ Regenarme L^nder und Trockengebiete:
subtropischer Hochdruckgirtel (Rossbreiten),
Steppen und Dornsavannen; Halbwisten und Wisten (mit P<200mm/a, aber
V"P, bei mehrjkhrigen feuchten bzw. Dirreperioden).
Durch Niederschlag und Abfluss hat sich auf dem Festland ein stationkrer Zustand
der Hydrosphkre der Erde ausgebildet, der in Tabelle1.1 erlkutert wird.
Tab.1.1 DieHydrosphkre der Erde.
jkhrlich iberdemFestland
Niederschlag 733 mm/a 0,11(1015 m3/a
Verdunstung 480 mm/a 0,072(1015 m3/a
Abfluss 253mm/a 0,038(1015 m3/a 1,2(106 m/s
Am Abfluss haben die drei grjßten Flusssysteme der Erde, Amazonas (180.000m3/s), Kongo
(39.000m3/s) undJangtse (32.000m3/s), einenAnteil von 21%.Neben denWisten istdiesein
Ausdruck der extrem ungleichmkßigen Verteilung des Niederschlags und damit der Verfigbar-
keitvonWasser aufdemFestland.
stationkrerZustand der Hydrosphkre aufgrund von Niederschlag und Abfluss
Wolkenund Luftfeuchte 0,013(1015 m3 <0,01%
1015 m3 entsprechen 1 Mill.km3 der Gesamtmenge
Sißwasser (Seen, Flisse, Grundwasser) 8,3(1015 m3 0,6%
Eis und Gletscher 27,8 1015 m3 2,0%
Salzwasser(Weltmeere) 1.350(1015 m3 97,4%
1.3 Wasserhaushalt und Wasserbilanzen
1.3.1 Wasserhaushaltsgleichungen
Wasserbilanzen
Die Nutzung des Wassers in einer Kulturlandschaft, wie sie fir ein industrialisiertes
Land wie Deutschland typisch ist, bedeutet immer einen Eingriff in den natirlichen
Wasserhaushalt. Wie tief dieser Eingriff ist, kann unter anderem durch Wasserbilan-
zen beschrieben werden, fir die folgende Begriffe verwendet werden:
4 1 HerkunftdesWassers
$ Niederschlag (engl. precipitation) P
$ Zufluss Z
$ Wasserverfigbarkeit (engl. available water) (Wa ¼ P þ Z) Wa
$ Wasserdargebot (engl. disposable water) (Wd ¼ Wa ) T ) I ) V) Wd
$ Transpiration der Pflanzen T
$ Verdunstung (engl. evaporation) V
$ Interzeption (Verdunstung direkt von den Blkttern der Pflanzen) I
$ Evapotranspiration der Pflanzen (Ep ¼ T þ I) Ep
$ Potentielle Evapotranspiration (Epo ¼ Ep einer Referenzbepflanzung:
Gras bei ausreichendem Wd) Epo
$ Klimatische Wasserbilanz (P ) Epo) KWB
$ Speicherung (engl. storage) S
$ Abfluss A
$ Entnahme (engl. extraction) Ex
$ Rickfihrung (engl. return) R
$ Leckagen, Wasserverlust (engl. leak) L
$ Kreislaufanteile (engl. circle share) C
$ Nutzung (engl. use) U
Zu beachten ist, dass die Nutzung von Wasser nicht identisch mit der Entnahmevon
Wasser aus der Umwelt ist. Deswegen wird zwischen Entnahme (Ex) und Nutzung
(U) unterschieden. Die Entnahme von Wasser aus der aquatischen Umwelt fir die
Wasserversorgung oder fir Bewksserung setzt eine Verfigbarkeit am Ort der Ent-
nahme voraus, die als Wasserdargebot (Wd), hkufig auch als „blaues Wasser“, be-
zeichnet wird. Das fir die Entnahme durch Pflanzenverfigbare Wasser wird hkufig
als„grinesWasser“bezeichnet.DieSummeausblauemundgrinemWasserineinem
Bilanzgebiet entspricht der Wasserverfigbarkeit (Wa).
Unberu¨hrte Landschaften
Fir die Wasserbilanz eines Gebietes (Raumes) beliebiger Grjße sind neben dem
Niederschlag (P) auch der Zufluss (Z, Flisse, Wasserzuleitungen) maßgeblich.
Die Wasseraufnahme und -abgabe der Pflanzen (T, Transpiration), die Verdunstung
(V, Evaporation), die Interzeption (I, Verdunstung des Regens direkt von den Blkttern
der Pflanzen) und der Abfluss (A) kjnnen in der Summe nicht grjßer sein als die
Wasserverf‘gbarkeit (Wa) aus PþZ, woraus sich die Wasserhaushaltsgleichung
fir langjkhrige Mittel ergibt, die allerdings nur ungenigend die Einflussnahmen der
Menschen auf den Wasserhaushalt bericksichtigt:
Wa ¼ P þ Z ¼ T þ I þ V þA (1.1)
Unter Abfluss eines untersuchten Gebietes ist Sickerwasser, Grundwasserneubildung,
Grundwasserabfluss, oberirdischer Wasserabfluss und in der Summe der Abfluss ins
Meer zu verstehen. Bilanzgebiete sind z.B. der Wurzelbereich einer Pflanze, ein
Acker, ein Forst, eine Siedlung, eine lkndliche oder eine urbane Region, ein Flussein-
zugsgebiet, ein Land oder ein Kontinent. Ein Flusseinzugsgebiet ist definiert mit
Z¼0, von Besonderheiten, wie dem Abfluss vom Donau- in das Einzugsgebiet des
Rheins, abgesehen.
1.3 WasserhaushaltundWasserbilanzen 5
Die Terme Z und A kjnnen weiter in einen unterirdischen und oberirdischen Zu-
und Abfluss aufgeteilt werden. Bei Betrachtung kirzerer Zeitrkume als dem langjkh-
rigen Mittel sind die Speicherung (Ricklage) und der Aufbrauch des Wassers, das in
Form von Schnee sowie als Boden- und Grundwasser gebunden ist, in der Bilanz zu
bericksichtigen.
Kulturlandschaften (ganzheitliche Wasserbilanz)
Tatskchlich ist die Nutzung des Wassers untrennbar mit Einflissen des Menschen auf
die Landschaften und auf den Wasserhaushalt verbunden. Vereinfachend wird jede
Inanspruchnahme der Wasserverfigbarkeit als Entnahme (Ex) in der ganzheitlichen
Bilanzgleichung bericksichtigt. Eine R‘ckf‘hrung (R) genutzten Wassers in das
gleiche Gewinnungsgebiet vermindert die Entnahme und es verbleibt DEx. Auf diese
Weise wird nicht nur die punktuelle Entnahme von Wasser fir die Wasserversorgung
und die Rickfihrung des mehr oder minder gereinigten Abwassers erfasst, sondern
auch die Entnahme durch Pflanzen (Transpiration, Interzeption) in der Land- und
Forstwirtschaft, die in einer Kulturlandschaft durch menschliche Einwirkungen, z.B.
der Auswahl der Pflanzenbestknde oder durch Versiegelung von Flkchen, beeinflusst
werden kann. Bei Entnahme von Wasser aus der aquatischen Umwelt durch Pflanzen
wird dieses an die Atmosphkre abgegeben, folglich ist R¼0. Unter Bericksichtigung
von Verdunstung (V), Speicherung (S) und Abfluss (A) ergibt sich die ganzheitliche
Wasserbilanz von Kulturlandschaften:
Wa ¼ P þ Z ¼ S(DEx) þ V þ S þ A (1.2)
i
1.3.2 Wasserwirtschaftliche Bilanzen
Die „zielbewusste Ordnung aller menschlichen Einwirkungen auf das ober- und un-
terirdische Wasser“ wird als Wasserwirtschaft (DIN4046) bezeichnet. Um die Ein-
wirkungen zu bewerten, missen mindestens folgende Fragestellungen und Aufgaben
bericksichtigt werden, wobei wasserwirtschaftliche Bilanzen aus der ganzheitlichen
Wasserbilanz der Gleichung1.2 abgeleitet werden, die der jeweiligen Aufgabe ange-
passt sind:
$ Grundwasserneubildung, Wassergewinnung, Speicherung und Abfluss
$ Feuchtgebiete, Feuchtbiotope und Parklandschaften (Landschaftswasser)
$ Land- und Forstwirtschaft, Wasserversorgung von Haushalten, Industrie und Ge-
werbe, Kraftwerken und Bergwerken mit nachfolgender Abwassereinleitung
$ Hochwasserschutz
$ Trockenperioden und Wasserspeicher
$ Kankle und Schifffahrt
$ Mindestabfluss z.B. aus jkologischen oder vjlkerrechtlichen Grinden
Charakteristisch fir wasserwirtschaftliche Bilanzen ist, dass meist die Entnahme
durch Pflanzen und die Verdunstung nicht bericksichtigt werden. Der verbleibende
Anteil der Wasserverfigbarkeit heißt Wasserdargebot (Wd). Als potentielles Wasser-