Stoffhaushalt

Die Vorlesung handelt von den Wasserinhaltsstoffen, ihrem Transport und der Bilanzierung dieser wassergebundenen Stoffströme. Stofftransport wird in Bezug auf den Boden, Flüsse, Seen und Grundwasser betrachtet.

Abb. 1: Der Schwefelkreislauf im Hinterzartener Moor wird durch die Bildung von Schwefelwasserstoff beeinflusst (Foto: J. Strub)

Der globale Schwefelkreislauf Abbildung 1 wird von der Verwitterung geprägt.

In der Vorlesung werden die wassergebundenen Stoffströme auch entsprechend in problemorientierter Weise betrachtet.

• Eine Sonderstellung nimmt der Sedimenttransport ein. Dieser natürliche Mechanismus ist ein wichtiger Aspekt des Stoffkreislaufes.

• Das gleiche gilt für die Versalzung: dieser zum Teil natürliche, zum Teil anthropogen verursachte Prozess der Anreicherung gelöster Stoffe im Wasser durch Verdunstung und zum Teil durch Transpiration ist ein sehr wichtiger Aspekt der Hydrologie von Trockengebieten und weltweit aus Sicht der Versorgung mit Trinkwasser und der Wasserqualität relevant (s. Versalzung durch Meerwasserintrusion, Solute Traps).

• Die Nutzung von Wasser ist nicht nur durch die Quantität, sondern in starkem Maße auch durch die Qualität des Wassers begrenzt. Diese gilt insbesondere für die Wassermangelregionen, in denen Versalzung, Anreicherung von Spurenstoffen und organischen Schadstoffen und mikrobiologische Belastungen zudem relative häufiger und schwerwiegender sind. Für die Wassernutzung als Trinkwasser ist die Wasserqualität, die sich durch die natürlichen und anthropogenen Stoffflüsse in der Umwelt ergibt, vor allem durch mikrobiologische Verschmutzungen und die damit in der Regel einhergehenden Belastungen mit leicht abbaubaren organischen Stoffen - wie kommunale und Haushalts-Abwässer - gefährdet. Mikrobiologische Reinheit ist aus globaler Sicht das größte und am meisten relevante Thema zur Verbesserung der Wasserqualität.

• Verschmutzungen durch leicht abbaubare organische Substanzen lösen eine Kette von Abbaureaktionen aus, die sich auf die aquatische Chemie auswirken: Sauerstoffzehrung, Veränderungen des Redoxpotentiales und sekundäre Mobilisierung von Stoffen gehen damit einher. Bei fehlender Klärung von Abwässern ist dieses ein vordringliches Problem der Wasserqualität vor allem lokal in Entwicklungsländern und in emergenten urbanen und periurbanen Zentren in Schwellenländern.

• Mit den vorigen beiden Problemkreisen eng verbunden sind die Probleme der Eutrophierung aquatischer Systeme durch Düngung, durch Abwässer, Emissionen und organisches Material aus der Tierhaltung. Die Eutrophierung betrifft vor allem die Stoffe Stickstoff und Phosphat.

• Ein hoch aktuelles Thema ist der Kohlenstoffkreislauf und dessen Wirkung auf das Klima. In der Vorlesung wird dieses Thema nur in Bezug auf Kohlenstoffkreislauf diskutiert, der direkt mit dem Wasserkreislauf assoziiert ist: Die Lösung von Kohlendioxid im Boden, die Verwitterung, der Transport von Kohlenstoff im Wasser, die Umwandlung zu und aus Karbonaten stellen eine Prozesskette dar, die Verbindung von Transpiration und Kohlendioxidspeicherung in der Biomasse stellt die zweite Prozesskette dar.

• Die Freisetzung von Stickoxiden und Schwefeloxiden aus Industrie und Verkehr hat eine globale Titration der aquatischen Umwelt mit atmosphärisch eingetragenen Säuren bewirkt und sich damit indirekt auf eine Reihe von Ökosystemen ausgewirkt. Die Versauerung von Böden, Seen und vereinzelt von flachen Grundwassersystemen zu verstehen, Gegenmaßnahmen zu bewerten und Voraussagen zu treffen ist eine sich daraus ergebende Anforderung. Diese Probleme werden in erster Linie durch starke Industrialisierung in Schwellenländern und durch hohes Verkehrsaufkommen in entwickelten Ländern verursacht betreffen aber durch den globalen Transport zum Teil auch wenig industrialisierte Regionen schwer.

• Die Freisetzung von Metallen und deren Transport in der aquatischen Umwelt ist ein weiteres wichtiges Thema. Der Umsatz von Mineralstoffen durch den Bergbau weltweit wird auf 50 Milliarden Tonnen geschätzt, der natürliche Umsatz durch Verwitterung beträgt ca. 16.5 Milliarden Tonnen. Diese anthropogenen Stoffflüsse der Metall-Spurenstoffe übersteigen also in jüngster Zeit die natürlichen und wirken sich indirekt auf eine Reihe von Ökosystemen, auch auf aquatische aus. Der Bereich der Hydrologie, der sich mit Stofftransport beschäftigt, stellt Methoden und Daten bereit, diese Auswirkungen zu beschreiben, zu bewerten, vorherzusagen und zu bilanzieren. Diese Probleme sind mit Bergbau und mit industriellen Prozessen, aber auch indirekt mit hohem Verkehrsaufkommen assoziert. Belastungen durch Krankenhäuser und hoch entwickelte industrielle Fertigungs- und Verarbeitungsprozesse können lokal von Bedeutung sein. Insgesamt ist der Bergbau hier von großer Bedeutung, dessen Vorkommen sich vor allem nach den Lagerstätten und nach ökonomischen Kriterien richtet. Besonders betrachtet werden Arsen, Blei, Kupfer, Cadmium, Quecksilber.

• Persistente organische Schadstoffe in der aquatischen Umwelt bilden den Abschluss bei der Betrachtung von Stoffgruppen nach Problemkreisen. Hierzu gehören die Pestizide, eine Reihe von halogenierten Kohlenwasserstoffen, polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoffe (PAHs).

• Eine Reihe von industriellen Schadstoffen liegt in Form von Altlasten vor.

• Radioaktivität und radioaktive Substanzen stellen einen besonderen Problemkreis dar. Dieser umfasst natürliche Phänomene wie das Vorkommen von Radon, anthropogen verursachte Probleme, z. Bsp. aus dem Uranbergbau und dem Folgebergbau und die Diskussion von Emissionen und Fall-outs, allerdings hier nur in Bezug auf den Wasserkreislauf, also die Emission von Tritium durch Atomkraftwerke in Oberflächengewässer.

• Nanopartikel, neue Schadstoffe und besondere Substanzen stellen neue Herausforderungen dar: Hierzu gehören die Medikamente im Wasserkreislauf, Hormone und endokrin wirksame Substanzen und eben die zur Zeit viel diskutierten Nanopartikel, ebenso Medikamente, Nahrungsmittelergänzungsstoffe (Süßstoffe) usw.

Die Grundlagen und Methoden umfassen drei Bereiche: normative Aspekte (Gesetze, Regeln, Verordnungen), diese beinhalten die Fragen der Toxizität und Wirkung dieser Stoffe auf den menschlichen Organismus und in Ökosystemen, wissenschaftliche Aspekte, die die Vorhersage von Prozessen betreffen und operationelle, die die Art des Umganges mit diesen Stoffen und die Anwendung der Kenntnis betreffen.

• operationelle Fragen werden behandelt, indem die Gesetze und Verordnungen, die für die Wasserqualität relevant sind, kurz vorgestellt werden: dies sind die Trinkwasserverordnung, das Bodenschutzgesetz, die Verordnung über Wassergefährdende Stoffe, die EU-Wasserrahmenrichtlinien (Nitratrichtlinie, Grundwasserrichtlinie), die Empfehlungen der WHO und die wichtigen Grenzwerte

• wissenschaftliche Fragen betreffen die Methoden zur Beschreibung der Verteilung dieser Stoffe in aquatischen Systemen: während der 2. und 3. Woche wird hierauf besonders eingegangen. In der ersten Woche wird die Anwendung des Programmes PhreeqC an Hand von mehreren Beispielen geübt. Der Aufbau und die Funktion von Gewässergütemodellen wird dargestellt. Die Erstellung von Stoffstromdiagrammen und Stoffbilanzen für Einzugsgebiete wird am Beispiel der Dreisam für C,N,S diskutiert.

• operationelle Fragen werden in dieser Vorlesung nur kurz behandelt werden können. Hierbei wird auf Methoden verwiesen, die Entscheidungen in Bezug auf die zukünftigen Veränderungen von Stoffen unterstützen.

Neben der Einführung in die Stoffe, gibt es verschiedene Arten, Stofftransport zu betrachten, zu modellieren. Die Vorlesung ist nach diesen Verfahren gegliedert.

Die Sorption, die Komplexierung, die Lösung, die Fällung, Mischung können mit der Thermodynamischen Gleichgewichtsmodellierung beschrieben werden.

Der Stofftransport ist durch die allgemeine Stofftransportgleichung beschrieben. Diese kann numerisch gelöst werden. Damit lassen sich Konzentrationen und Verteilungen von Stoffen z. Bsp. im Grundwasserstrom beschreiben.

Die Stofftransportgleichung kann analytisch gelöst werden, für unterschiedliche Geometrien und Randbedingungen. Daraus ergeben sich analytische Gleichungen zur Beschreibung des Stofftransportes in Flüssen, in Böden, im Grundwasser, die zur Modellierung der Ausbreitung von Tracern und Schadstoffen verwendet werden können. Dieses Thema ist Gegenstand der Vorlesung in der 3. Woche.

Fragen zur Lernkontrolle:

• Welche wichtigen Problemkreise in Bezug auf Wasserqualität und Wasserverschmutzung gibt es? Nennen Sie die 3 wichtigsten.

• Welche Problemkreise sind lokal, regional und welche sind global? Nennen Sie 2 Problemkreise, die hauptsächlich lokal von Bedeutung sind und 2 die vor allem global wichtig sind und Regionen fernab von den Immissionsquellen betreffen.

• Sie arbeiten in Afrika über die Sicherheit der Wasserversorgung: Welche Parameter bestimmen Sie zuerst?

• Sie arbeiten in Deutschland für einen Wasserversorger in einem ehemaligen Industriegebiet: Welche Parameter untersuchen Sie?

• Welche Schwermetalle sind relevant für die Wasserqualität? Benennen Sie diejenigen, die in der Trinkwasserverordnung explizit als Grenzwert aufgeführt sind. Sie müssen dafür in der Anlage der Trinkwasserverordnung nachschauen.

• Nennen Sie die Hauptnährstoffe (Grundwissen).

• Wie können Stoffe im Wasser transportiert werden (in welcher Form). Auch dies ist Grundwissen aus früheren Vorlesungen, Wiederholung?

• Können mit den hydrologischen Modellen, mit denen ich die Entstehung von Hochwasser und den Wasserhaushalt modelliere, auch zur Modellierung des Stoffhaushaltes verwendet werden? Begründen Sie ihre Antwort kurz oder mit einer Analogie.

• Ist Eisen giftig?

• Warum ist in der Trinkwasserverordnung ein Grenzwert für Eisen angegeben?

• Welche Parameter für die mikrobiologische Belastung kennen Sie?

• Was ist der Grenzwert der Trinkwasserverordnung für Fluorid?

• Was ist der Grenzwert für Nitrat?

• Warum gibt es keinen Grenzwert für Beryllium, obwohl es nachweislich giftig ist (wurde in der Vorlesung nicht gesagt, zum Nachdenken)?

• Was ist von der WHO mit Priorisierung gemeint? Was bedeutet diese in Bezug auf den Einsatz von Desinfektionsmitteln, obwohl diese unter Umständen selbst schädlich sein können.

Appelo & Postma (2007) Geochemistry, Groundwater and Pollution. Balkema, 2.nd edition.

Leibundgut, C., Maloszewski, P. & Külls, C. (2009): Tracers in Hydrology. Wiley.

Rockström J. et mult. al. (2009) A safe operating space for humanity. Nature 461, 472-475 (24 September 2009), doi:10.1038/461472a, Published online 23 September 2009. (siehe auch Webseite, Online Artikel und Diskussion)

Smol J.P. (2008) Pollution of Lakes and Rivers. Blackwell Publishing.