Das Wasser (H2O) war für die Erdgeschichte der bedeutendste Stoff. Aus ihm entstand einst das Leben, aus dem Wasser krochen die Wasserlebewesen vor etwa 400 Millionen Jahren zum ersten Mal heraus und eroberten allmählich das Land. Das Wasser ist das bedeutendste Element der Menschheitsgeschichte, es ist ein Symbol der Lebenskraft und der Reinigung oder der Erneuerung. Es spendet Regen für trockenes Land, Tiere, Menschen und Pflanzen benötigen es.
In unserem Referat:
Die Philosophen des Altertums betrachteten Wasser als das Element, das allen flüssigen Eigenschaften zu Grunde liegt. In vielen Kulturen der Erde nahm Wasser als symbolischer Urbeginn der Welt eine zentrale Rolle in den jeweiligen Schöpfungsmythen ein. Lange Zeit betrachtete man Wasser als eine Art Grundelement.
2. Die Eigenschaften von Wasser
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Farbe: |
Farblos |
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Geschmack: |
Geschmacklos |
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Geruch: |
Geruchlos |
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Schmelzpunkt: |
0°C |
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Siedepunkt: |
100°C |
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Dichte: |
1g/ml bei 4°C |
Reines Wasser ist eine geruchs- und geschmacksneutrale Flüssigkeit. Es besitzt einen bläulichen Schimmer, der aber nur an dickeren Schichten wahrgenommen werden kann. Der Gefrierpunkt des Wassers liegt bei 0 sC und der Siedepunkt bei 100 sC. Wasser erreicht seine größte Dichte bei einer Temperatur von 4 sC; beim Gefrieren dehnt es sich aus. Wasser kann unter Laborbedingungen und selbst in der Atmosphäre leicht bis circa -25 °C abgekühlt werden, ohne dass es einfriert - nach jüngsten Erkenntnissen bleibt Wasser sogar bei Temperaturen unter -113 °C flüssig. Unterkühltes Wasser gefriert bei Erschütterung, bei weiterer Temperaturabnahme oder wenn man einen Eiskristall hinzufügt. Die physikalischen Eigenschaften des Wassers dienten als Standards, um Temperaturskalen festzulegen.
3. Wasserverbrauch
Wassernutzung:
In Deutschland verwendet jeder Einwohner im privaten Bereich jeden tag im Durchschnitt rund 132 l Wasser. Als Erfrischungsgetränk - ohne oder mit Kohlensäure - , für die Zubereitung von Speisen und Getränken, beim Baden oder Duschen. Sie benötigen es zum Wäschewaschen, zur Geschirreinigung und zur Pflege Ihrer Sanitär- und anderer Lebensbereiche im Haushalt. Bei der Herstellung vieler Lebensmittel (Brot, Säfte, Limonaden, Bier, Konserven etc.) ist Trinkwasser unverzichtbar. Darüber hinaus wird Trinkwasser in Industrie, Gewerbe und Landwirtschaft genutzt. Rund 99 Prozent der Bevölkerung sind an die öffentliche Trinkwasserversorgung angeschlossen. Mit 132 Litern pro Einwohner und Tag hat Deutschland zusammen mit Belgien den niedrigsten Wasserverbrauch in der Europäischen Union.
Zusätzlich werden aber auch für die Straßenreinigung, für die Pflege von Grünanlagen, für Schwimmerbäder oder für Krankenhäuser große Mengen Wasser benötigt. Pro Person und Tag macht dieser öffentliche bereich weitere 150 l aus. Haushalte, Kleingewerbe und Landwirtschaft nutzen zusammen allerdings ,,nur´´ rund 15% der Wassermenge. Großverbraucher sind Kraftwerke und Industriebetriebe. Mehr als die hälfte des genutzten Wassers in Deutschland wird zur Kühlung von Kraftwerken verwendet. Das Wasser gelangt wenig verschmutzt, aber erwärmt wieder in die Flüsse zurück. Auch die Industrie nutzt Kühlwasser, aber viel Wasser geht auch in die Herstellung von Waren. So werden zum Beispiel für einen winzigen Mikrochip 80 l Wasser benötigt. Die Herstellung eines Autos verschmutzt fast 400 000 l Wasser.
4. Der Wasserkreislauf
Der Wasserkreislauf ist die Verlagerung von Wasser zwischen Meeren, Landflächen und der Atmosphäre. Wichtige Teilphasen dieses Kreislaufs sind Verdunstung, Niederschlag und Abfluss. Über den Ozeanen verdunstet Wasser; es gelangt mit Luftströmungen in Form von Wolken über das Festland, wo es nach Kondensation als Niederschlag (Regen, Schnee etc.) auf die Erde fällt. Dort verdunstet ein Teil von der Erdoberfläche oder von der Oberfläche von Pflanzen (Transpiration). Ein anderer Teil des Niederschlagswassers versickert in den Boden oder in tiefere Schichten, wo er das Grundwasser speist. Ein weiterer weg fließt über ober- und unterirdische Wasserläufe dem Meer zu (oberirdischer Abfluss). Ein weiterer Teil wird an der Erdoberfläche gespeichert, z. B. in stehenden Gewässern oder an der Oberfläche von Pflanzen.
5. Abwasserreinigung
Rund 11.000 Kläranlagen unterschiedlicher Größe sorgen in Deutschland für die Reinigung des kommunalen Abwassers. Die Größe einer Kläranlage ist abhängig von der Menge und der Schmutzfracht des Abwassers, der Besiedlungsdichte und den lokalen Rahmenbedingungen.
Pro Tag fallen in der Bundesrepublik Deutschland rund 10 Millionen Kubikmeter Abwasser an. Dieses stammt überwiegend aus den Bereichen Haushalte, Straßenentwässerung sowie Gewerbe und Industrie.
87,5 % der Kläranlagen sind mit einer modernen biologischen Reinigung. Der hohe Reinigungsstandard in Deutschland im internationalen Vergleich hat zu einer enormen Verbesserung der Gewässerqualität geführt. Abwasserreinigung ist Umweltschutz, der selbstverständlich auch seinen Preis hat (Abwasserentgelte).
Im Klärwerk durchläuft das Abwasser unterschiedliche Klärstufen wie Rechenanlage, Sandfang, Vorklärung, Belebung und Nachklärung. Bei der mechanischen Reinigung werden aus dem Abwasser die nicht gelösten, festen Stoffe entfernt. In der Biologischen Stufe des Klärwerkes entzieht man dem Abwasser mit Hilfe spezieller Bakterien die gelösten Verunreinigungen (Kohlenstoff, Phosphor und Stickstoff). Der anfallende Klärschlamm wird im Faulturm weiter behandelt.
Mechanische Reinigung
Die Rechenanlage: Bild 1
Die Rechenanlage entfernt feste Gegenstände aus dem Abwasser. Meist sind mehrere Rechen hintereinander geschaltet, deren Durchlaßweite (Abstände der Rechenstäbe) immer geringer wird. Im Grobrechen (Stababstand von ca. 7 cm) bleiben größere Objekte hängen - etwa Holzstücke und Plastiktüten. Der Fein- und Feinstrechen hält Fremdkörper bis etwa Streichholzgröße zurück. Regelmäßig wird der Rechen automatisch geräumt. Ein Transportband befördert das Rechengut in einen Container, wo es gesammelt wird.
Der Sandfang: Bild 2
Bei Niederschlägen wird von befestigten Straßen und Plätzen Sand und Erdreich abgespült und gelangt in die Kanalisation. Der Sandfang trennt diese Stoffe vom Abwasser durch eine deutliche Verringerung der Fließgeschwindigkeit. Stoffe, die schwerer sind als Wasser, sinken zu Boden, um dort kontinuierlich entfernt zu werden. Zum Teil können ungelöste Öle und Fette, die sich an der Oberfläche ansammeln, entfernt werden.
Das Vorklärbecken: Bild 3
In den Vorklärbecken setzen sich im Abwasser schwebende Feststoffe am Boden als Klärschlamm ab. Automatische Räumer schieben den Schlamm in eine Vertiefung des Beckens, von wo er zur weiteren Behandlung Richtung Faulturm gepumpt wird. Das Abwasser ist nun von den meisten ungelösten Schmutzstoffen befreit. Bis in die sechziger Jahre beschränkte sich die Reinigung auf die bis hier gezeigte mechanische Klärung.
Biologische Reinigung
Belebungsbecken:
Im Belebungsbecken, der 1.Stufe der biologischen Reinigung, werden den Bakterien im Abwasser unter Zufuhr von Sauerstoff ideale Vermehrungsbedingungen geschaffen. Es entsteht ein Heer von Mikroorganismen, die als Schlamm eine große Oberfläche besitzen. Hier werden organische Schmutzstoffe, wie zum Beispiel gelöste Kohlenstoffe, Phosphor- und Stickstoffverbindungen, angelagert und durch die Bakterien abgebaut.
Nachklärbecken:
Das Abwasser-Schlamm-Gemisch aus dem Belebungsbecken wird im Nachklärbecken getrennt. Der Schlamm sinkt zu Boden und wird mittels eines Räumers gesammelt. Das gereinigte Abwasser, das einen hohen Reinigungsgrad hat, verläßt das Belebungsbecken über die Überlaufleisten am oberen Beckenrand. Ist mit der Nachklärung ein ausreichendes Reinigungsniveau erreicht, fließt das Wasser in einen angrenzenden Fluß oder See (Vorfluter).
Bild 4
Der Faulbehälter:
Im Faulbehälter zersetzen Bakterien die im Klärschlamm enthaltenen organischen Stoffe. Dabei tritt eine erhebliche Volumenminderung ein. Während des Faulprozesses, der unter Luftabschluß stattfindet, entsteht Faulgas. Das Gas kann gesammelt und zur Energiegewinnung genutzt werden.
Bild 5
6. Trinkwassergewinnung
Förderbrunnen
Erster Teil der Wassergewinnung ist die Einrichtung einer ausreichenden Anzahl von Brunnen, die meist in einer Reihe - einer sogenannten Brunnengalerie - angelegt werden. Mit Motorpumpen wird das Wasser aus der Tiefe gehoben oder mit einem Heber gefasst und in einen Sammelbrunnen geleitet. Das geförderte Rohwasser ist klar und arm an Keimen, enthält allerdings Stoffe, die später den Wasserleitungen schaden können.
Zum einen ist im Grundwasser Kohlendioxid gelöst - aus Sprudelgetränken als Kohlensäure bekannt - und bildet eine schwache Säure, die die Rohre angreifen kann. Zum anderen enthält das Rohwasser häufig Eisen und Mangan, die mit dem Material der Leitungen reagieren können. Im Grundwasser vorkommendes Kalk bildet dagegen einen schützenden Mantel in den Rohrleitungen, der Rost und Korrosion verhindert.
Um die unerwünschten Stoffe aus dem Rohwasser zu entfernen, wird es zunächst in einer Verdüsungsanlage versprüht oder aber über eine Kaskade geleitet. Bei dieser ersten Aufbereitungsstufe entweicht die Kohlensäure aus dem Wasser und Sauerstoff aus der Luft mischt sich hinein. Der Sauerstoff verbindet sich mit dem Eisen. Die neue Verbindung fällt aus dem Wasser aus. Das Gleiche geschieht mit dem Mangan während der Oxydation.
Das nun trübe Wasser wird zur Trinkwasseraufbereitung durch einen Filter aus verschiedenen Filterschichten geleitet, in denen eisen- und manganhaltige Partikel hängen bleiben. Ist der Filter nicht mehr in der Lage, weitere Partikel aufzufangen, wird zur Reinigung erst Luft, dann ein Wasser-Luft-Gemisch und schließlich Wasser in umgekehrter Richtung durch die Filterschichten gedrückt, wodurch der Filter gespült wird.
Durch das Spülen des Filters fällt Schlammwasser an, das in ein Klärbecken fließt. Dort setzen sich die Inhaltsstoffe als Schlamm ab, der eingedickt, entwässert und auf einer Abfalldeponie entsorgt wird.
Im Reaktionsbecken wird der PH-Wert des Wassers eingestellt.
Im Reinwasserbehälter wird das Wasser gespeichert.
Nach der Reinigung ist das Wasser wieder
glasklar. Es wird in einem Reinwasserbecken gesammelt und von dort über eine
Pumpe in das öffentliche Trinkwassernetz gepumpt. Bevor es das Wasserwerk
verlässt, wird jedoch noch Chlor zugesetzt, um einer Infektion durch
Krankheitskeime vorzubeugen. Da das Reinwasser nahezu keimfrei und auch kühl
ist, genügen geringe Mengen Chlor. Je höher die Wassertemperatur, desto
schneller breiten sich Keime darin aus. Während der Aufbereitung im Wasserwerk
hat die Temperatur des Wassers aber nur um etwa 1 Grad Celsius zugenommen.
Das Fördern, Belüften, Filtern und keimfreie ins-Netz-Pumpen sind die Stufen
der Aufbereitung von klarem, sauberem Grundwasser zu Trinkwasser. Sie genügen,
wenn das Wasser durch einen Boden gesickert ist, der nicht mit Schadstoffen
verunreinigt war.
8. Wasserverschmutzung
Die Hauptschadstoffe im Wasser sind folgende:
Abwässer und andere Sauerstoff verbrauchende Abfälle (größtenteils kohlenstoffhaltige organische Substanzen, deren Zersetzung zur Verminderung des Sauerstoffs führt);
infektiöse Erreger;
pflanzliche Nährstoffe, die das Wachstum von Wasserpflanzen anregen können, welche die Wassernutzung behindern und - beim Eintreten von Fäulnis - den gelösten Sauerstoff aufbrauchen und Geruchsbelästigungen zur Folge haben;
fremde organische Chemikalien, einschließlich Pestiziden, verschiedene industrielle Produkte, oberflächenaktive Reinigungsmittel sowie die Verfallsprodukte anderer organischer Verbindungen;
Erdöl, insbesondere durch Ölunfälle;
anorganische Mineralien und chemische Verbindungen;
Sedimente aus Böden und mineralischen Partikeln, die durch Stürme und Überflutungen von Ackern, ungeschützten Böden, Bergwerken, Straßen und planierten Flächen abgetragen werden;
radioaktive Substanzen von Abfällen des Abbaus und der Veredelung von Uran und Thorium, aus Kernkraftwerken sowie aus der industriellen, medizinischen und wissenschaftlichen Nutzung radioaktiver Substanzen.
Hitze kann ebenfalls als Schadeintrag betrachtet werden, wenn das Ablassen von Kühlwasser aus Fabriken oder Kraftwerken ein Ansteigen der Wassertemperaturen verursacht.
Die schwersten Folgen der Wasserverschmutzung treten durch Beeinträchtigungen der menschlichen Gesundheit auf. Nitrate (die Salze der Salpetersäure) im Trinkwasser können bei Kindern tödliche Krankheiten auslösen. Cadmium, das aus Düngemitteln von Klärschlämmen stammt, kann sich im Getreide ablagern. Wird es in größeren Mengen verzehrt, können akute Diarrhöe und eine Schädigung von Leber und Nieren verursacht werden. Die gefährliche Wirkung anorganischer Substanzen wie Quecksilber, Arsen und Blei ist seit langem bekannt. Auch auf die Tier- und Pflanzenwelt wirkt sich die Wasserverschmutzung nachteilig aus. So kann es an stark verschmutzten Gewässern und deren Ufer- und Küstenzonen zum Aussterben zahlreicher Arten kommen.
Stehende Gewässer sind für Verschmutzung besonders anfällig. Ein häufig auftretendes Problem ist die Eutrophierung. Sie entsteht, wenn das Seewasser künstlich mit Nährstoffen angereichert und dadurch anomaler Pflanzenwuchs verursacht wird. Dies geschieht u. a. durch das Einsickern chemischer Düngemittel von bewirtschafteten Feldern. Die Eutrophierung bewirkt üblen Geschmack und Geruch, grüne Klumpen von Algen sowie einen dichten Bewuchs von Wurzelpflanzen, die Erschöpfung des Sauerstoffs in den tieferen Wasser- und Bodenschichten des Sees und weitere chemische Veränderungen wie das Ausfällen von Calciumcarbonat in hartem Wasser. Ein Problem, das in den letzten Jahren wachsende Sorgen bereitete, ist der saure Regen, der in vielen Seen in Nord- und Osteuropa und im Nordosten Amerikas jegliches Leben vernichtet hat.
Die Hauptquellen der Wasserverschmutzung sind Kommunen, Industrie und Landwirtschaft.
Die von den Städten und Gemeinden ausgehende Wasserverschmutzung besteht aus Abwässern von Privathaushalten und Wirtschaftsunternehmen. Viele Jahre war das Hauptziel der kommunalen Abwasserentsorgung die Reduzierung von festen Abfallbestandteilen, von Sauerstoff zehrenden Substanzen, gelösten anorganischen Stoffen (besonders Phosphor und Stickstoff) und schädlichen Bakterien. In den letzten Jahren wurden die Mittel zur Beseitigung der festen Bestandteile in kommunalen Abwasserreinigungsanlagen verbessert. Die Behandlung kommunaler Abwässer findet in drei Stufen statt: 1. Beseitigung von Grobstoffen, Zermahlen, Flockung (Aggregation der Festbestandteile) und Ablagerung; 2. Oxidation gelöster organischer Stoffe mittels biologisch aktivem Schlamm, der dann abgefiltert wird; 3. fortgeschrittene biologische Methoden zur Stickstoffbeseitigung und chemische bzw. physikalische Methoden wie Granulat-Filtrierungen und Aktivkohle-Absorptionen kommen zur Anwendung. Behandlung und Lagerung der Festbestandteile machen 25 bis 50 Prozent der Betriebskosten einer Kläranlage aus.
Die Zusammensetzung industrieller Abwässer kann sowohl innerhalb einer Industrieform als auch zwischen verschiedenen Industrieformen differieren. Die Auswirkungen industrieller Abwässer hängen nicht nur von allgemeinen Eigenschaften wie biochemischem Sauerstoffbedarf oder dem Anteil von Festbestandteilen ab, sondern ebenso von dem Gehalt an spezifischen anorganischen und organischen Substanzen. Es gibt mehrere Möglichkeiten, um industrielle Abwässer zu entsorgen: Die Abwässer können vorgereinigt werden, bevor sie ins kommunale Reinigungssystem eingeleitet werden; die Abwässer können in der Betriebsanlage, wo sie entstehen, vollständig gereinigt und wieder verwendet werden; oder sie können direkt in Aufnahmegewässer eingeleitet werden.
Die Landwirtschaft, einschließlich Viehhaltung und Hühnerfarmen, ist Quelle vieler organischer und anorganischer Verschmutzungen des Oberflächen- und Grundwassers. Zu diesen Schadstoffen gehören Pflanzen- und Insektengifte, Sedimente von erodiertem Ackerland und Verbindungen von Phosphor und Stickstoff, die aus tierischen Ausscheidungen und Kunstdüngern stammen. Oft enthalten sie Krankheitserreger. Abwässer aus der Tierhaltung werden in Behältern aufgefangen und auf dem Land ausgebracht; hier ist die Hauptgefahr das Abfließen und Versickern. Kontrolle und Schutzmaßnahmen umfassen den Bau von Gruben für Flüssigkeiten, begrenzte biologische Reinigung in aeroben oder anaeroben Reifungsbecken sowie eine Reihe weiterer Maßnahmen. Als Hauptziel gilt generell zu vermeiden, dass Pflanzen- und Insektengifte oder Mineraldünger in das Grundwasser gelangen.
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