SiWaWi - Vorlesung 3 - 22.4.08 - Wasser- Abwasser- und Abfallparameter

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1) Deckblatt

2) Ziele der Lehrveranstaltung

• Bedeutung verschiedener Wasser-, Abwasser- und Abfallinhaltsstoffe verstehen,
• Parameter zur Beschreibung von Wasser-, Abwasser- und Abfallinhaltsstoffen kennen lernen,
• Einfache Analysenmethoden kennen lernen und verstehen,
• Grössenordnung der Frachten (Massenströme) und Konzentrationen in kommunalem Abwasser kennen lernen,
• Grössenordnung der Konzentrationen im gereinigten Abwasser (Einleitungsbedingungen) kennen lernen

• Parameter: charakterisierende Eigenschaft, Kenngröße eines Stoffes

3) Wasser-, Abwasser- und Abfallparameter

Trinkwasser (TrinkwV 2001):

• Trinkwasser ist so beschaffen, dass bei lebenslangem Genuss die menschliche Gesundheit nicht beeinträchtigt wird. (Landwirte würden hier auch noch die Nutztiere mit einbeziehen wollen, denn was nützt die Milch einer Kuh, wenn durch mit Schwermetallen belastetes Wasser, sie nicht verkauft werden kann)
  

Abwasser (DIN 4045):

• Durch Gebrauch verändertes abfließendes Wasser und jedes in die Kanalisation gelangende Wasser.

Abfall (KrW-/AbfG):

• Abfall ist eine bewegliche Sache, die für ihren Besitzer wertlos oder gar gefährlich geworden ist, so dass er sich ihrer entledigen will.

4) Beispiel einer Parameterliste

Bestimmungen für

• Grundwasser
• Sickerwasser
• Oberflächenwasser
• Trinkwasser
• Abwasser

Parameter

1. Organoleptisch

• Geschmack
• Geruch, Färbung, Trübung

2. Physikalisch, chemisch

• Temperatur, ph-Wert
• Leitfähigkeit
• Redoxpotential

3. Gruppen- und Summenparameter

• Trockenrückstand, Glührückstand
• Absetzbare Stoffe
• Oxidierbarkeit
• chemischer Sauerstoffbedarf (CSB)
• biochemischer Sauerstoff bedarf (BSB)
• org. gebundener Kohlenstoff (DOC, TOC)
• Phenol-Index
• Härte

5) Beispiel einer Parameterliste

4. Kationen, Anionen, undissoziierte Stoffe

• Natrium, Kalium
• Ammonium, Nitrit, Nitrat
• Calcium, Magnesium
• Eisen, Mangan
• Hydrocarbonat
• Chlorid, Fluorid, Sulfat
• Sulfid
• Cyanid
• Phophat
• Kieselsäure
• Sauerstoff
• Kalkaggressive Kohlensäure

6) Beispiel einer Parameterliste

5. Anorgansische Spurenstoffe

• Arsen, Antimon, Selen
• Blei, Barium, Bor
• Cadmium, Chrom, Quecksilber
• Kupfer, Nickel, Zink
• Schwermetalle nach Abwasserherkunft

6. Organische Spurenstoffe

• AOX
• Flüchtige Halogenkohlenwasserstoffe
• Mineralöl- Kohlenwasserstoffe
• PCB, PCT, PSM
• PAK
• Tenside

7. Biologische Parameter


8. Welcher Parameter bei welchem Stoff ?

Beispiel: Einordnung von abwasserbelastetem Flusswasser

Einordnung nach dem physikalischen Verhalten

• absetzbare Schwebstoffe; gemessen nach 2 Std.
• nicht absetzbare Schwebstoffe
• gelöste Stoffe

Einordnung nach dem chemischen Verhalten

• pH-Wert (potentiometrisch, Farbindikatoren)
• Gesamt-Stickstoff
• Ammonium-Stickstoff (NH4-N)
• Gesamt-Phosphor
• PAK-Wert (polycyclische aromatische Kohlenwasserstoffe)
• CSB (chemischer Sauerstoffbedarf)
• Sauerstoffgehalt [mg/l, % der Sättigung]

Einordnung nach mikrobiologischen Kriterien

• BSB (biochemischer Sauerstoffbedarf)
• Coliforme Mikroorganismen / MO

Quelle: Frimmel, "Wasser und Gewässer"

8) Parameter und Parametergrenzwert

Beispiele gesetzlicher und technischer Regelungen im Bereich Wasser und Abwasser
s.a. Hierarchietabelle EU-Recht bis technische Regelwerke


9) Hirarchie der Abfallgesetzgebung

Beispiele gesetzlicher und technischer Regelungen im Bereich Abfall
s.a. Hierarchietabelle der EU-Recht bis technische Regelwerke für

10) Probennahme

Stichprobe:

• Eine oder mehrere Einheiten, die aus einer Grundgesamtheit oder einer Teilgesamtheit entnommen werden. Eine Stichprobe im Sinne der Norm ist eine oder sind mehrere Einzelproben zur Beurteilung des momentanen Zustandes.

Stichwörter:

• Probenschöpfer
• Probennahme
• Abfüllen der Stichprobe in Probenflaschen

11) Probenahme

Qualifizierte Stichprobe:

• Eine aus mindestens fünf Stichproben bestehende Mischprobe, die in einem Zeitraum von höchstens zwei Stunden im Abstand von nicht weniger als zwei Minuten entnommen und gemischt wird.

2-Stunden-Mischprobe (24-Stunden-Mischprobe):

• Zeitproportionale Probenahme: Bei dieser Probenahme werden in gleichen Zeitabständen gleiche Volumina entnommen.

Durchflussproportionale Probenahme:

Bei der durchflussproportionalen Probennahme wird mittels eines Messsignals des Durchflusses eine diskontinuierliche Probenahme aus dem Abwasserstrom vorgenommen.

Dabei werden:

• 1. in gleichen Zeitabständen variable, dem jeweiligen durchflussproportionale Volumina entnommen,

• 2. in variablen, dem Durchfluss proportionalen Zeitabständen, gleicheVolumina entnommen werden.

Quelle: LUA -Merkblätter Nr.31, Leitfaden zur Durchführung der Abwasserprobennahme in NRW


12) Untersuchungsmethoden

Bestimmung von Summenparametern:

• Ein Summenparameter erfasst eine Teilmenge gleichartiger Schmutzstoffe in einem Abwasser. Die erfasste Teilmenge ist abhängig vom Ziel der Analytik und von den Analyseverfahren.

Beispiele: CSB, BSB5, AOX

Bestimmung von Einzelparametern:

• Ein Einzelstoff ist ein Element der Menge der Schmutzstoffe.

Beispiele:

• Anionen (SO4 2-, Cl-, NO3-,NO2-, PO4 3-)

• oder

• Kationen (Fe2+, Fe3+, Ca2+, Mg2+,Hg+, Cd+, NH4+)
  

Durch die Bestimmung von Einzelstoffen und Summenparameter kann der Zustand eines Mediums (Wasser, Abwasser, Abfall) sowie das davon ausgehende Gefährdungspotential für einen Organismus und seine Umgebung eingeordnet werden kann.


13) Einteilung der Parameter

physikalisch-chemische Parameter

• Temperatur,
• pH-Wert,
• Leitfähigkeit,
• Puffervermögen (Säurekapazität)
• Feststoffe TS
• Glühverlust GV,
  
• Glührückstand GR
• Stickstoffverbindungen
• Phosphorverbindungen

Summenparameter

• Chemischer Sauerstoffbedarf (CSB)
• Biochemischer Sauerstoffbedarf (BSB5)
• Kohlenstoffverbindungen (TOC, DOC)
• organische Schadstoffe (z. B. AOX, PCB)
• anorganische Schadstoffe (z. B. Schwermetalle)

Biologische Parameter

• Keimzahl, Bakterien, Viren
• Testverfahren z. B. Fischtest
• biologische Gewässergüte

14) Temperatur

• Temperatur [° C]: Bestimmt die Löslichkeit von Gasen (Sauerstoff) und die Aktivität und Leistungsfähigkeit der Bakterien.

• Je tiefer die Temperatur, desto langsamer ist im allgemeinen deren Aktivität.

• Dies gilt besonders für die Nitrifikanten bei der biologischen Entfernung des Ammonium-Stickstoff.

• Temperaturbereich für Trinkwasser (TWVO): Tmax = 25 °C
• Temperaturbereich kommunalen Abwassers: T = 10 bis 20 °C

Wachstumrate ymax der Nitrifikanten [d^-1]

• von 4 bis 16 °c aufsteigend nimmt die Aktivität zu

15) Temperatur und Sauerstofflöslichkeit

Sauerstoffkonzentration in mg/l Wasser (Luftdruck 1013,25 hPa)

• im Bereich von 0 bis 40°C nimmt sie von ca. 14 mg/l auf ca. 6,7 mg/l ab

16) ph-Wert

• pH-Wert [ - ]: Negativer dekadischer Logarithmus der Wasserstoffionenkonzentration.
  

• Beeinflusst u. a.
  

• die Löslichkeit von Salzen,
• die Aktivität von Mikroorganismen,
• Reaktionsgeschwindigkeiten
  
• Fällungsreaktionen

• pH-Wert-Bereich Trinkwasser (TWVO): pH = 6,5 bis 9,5 [ - ]
• pH-Wert-Bereich kommunalen Abwassers: pH = 6,5 bis 8,5 [ - ]
• (warum ist der Toleranzbereich für TW höher als bei komm. Abwasser ?)
  

• Neutralwert: pH = 7
• saures Abwasser: pH <>
• alkalisches Abwasser: pH > 7

Beispiel für die pH-Wert-Abhängigkeit chemischer Reaktionen:

• Das Ammonium-Ammoniak-Gleichgewicht verschiebt sich mit abnehmendem pH-Wert auf die Seite des toxischen Ammoniaks (NH3). (=> qualitative Aussage => hat Ähnlichkeiten mit der Hysteresekurve der Sauerstoffaufnahmefähigkeit des Hämoglobins bei verändertem ph-Wert !!!)

17) Leitfähigkeit

Leitfähigkeit L [S/cm]:

• Ist als Summenparameter ein Maß für die Ionenkonzentration einer Lösung.

• Dabei handelt es sich im Wesentlichen um anorganische Stoffe wie z. B. Salze.

• Nach IMHOFF (2007) wird die elektrische Leitfähigkeit von a μS/cm von einem Salzgehalt von ca. a mg/l verursacht.

Leitfähigkeit von Trinkwasser:

• Lmax = 2.500 μS/cm bei 20 °C (TWVO)

Leitfähigkeit von kommunalem Abwasser:

• L = 500 bis 1.500 μS/cm

Leitfähigkeitsbereiche wässriger Lösungen [yS/cm] => aufsteigend von 0,1 bis 1000

• Hochdruck-Kesselspeisewasser
• Vollentsalzung Ionenaustauscher
• einfachere Entsalzung
• Trinkwasser
• Abwasser
• Oberflächenwasser
• Brackwasser, Meerwasser
• industrieelle Prozesswasser
• konzentrierte Lösungen und Laugen

Bildquelle: WTW


18) Definition des Begriffes Abwasser

Definition gemäß § 51 Abs. 1 LWG NRW:

• Abwasser im Sinne des Gesetzes sind das durch häuslichen, gewerblichen, landwirtschaftlichen oder sonstigen Gebrauch in seinen Eigenschaften veränderte und das bei Trockenwetter damit zusammen abfließende Wasser (Schmutzwasser) sowie das von Niederschlägen aus dem Bereich von bebauten oder befestigten Flächen abfließende und gesammelte Wasser (Niederschlagswasser).

Definition nach DIN 4045:

• Abwasser: Durch Gebrauch verändertes abfließendes Wasser und jedes in die Kanalisation gelangende Wasser.

Definition nach ATV-Arbeitsblatt A 118:

• Abwasser: In einer Abwasserleitung oder einem Abwasserkanal abgeleitetes Schmutz und / oder Regenwasser.

19) Abwasserarten (nach ATV - A 118)

Betriebliches (gewerbliches) Schmutzwasser QG

• Schmutzwasser aus Industriebetrieben, Gewerbebetrieben

Fremdwasser QF

• Unerwünschter Abfluss in einem Entwässerungssystem

Niederschlagswasser (Regenwasser) QR

• Niederschlagswasser, das auf einer Oberfläche in ein Entwässerungssystem oder einen Vorfluter abfließt.

• behandlungsbedürftiges Niederschlagswasser (Straßen, Parkplätze) nicht behandlungsbedürftiges Niederschlagswasser (Dach- und Hofflächen, Wohnstraßen, Fußwege)

• behandlungsbedürftig: Verschmutzung höher als geforderter Ablauf der Kläranlage

20) Aufteilung der Abwassermengen (ohne Kühlwasser)

Skizze:

Quelle: Statistisches Bundesamt (2006)


21) Abwasseranfall in Deutschland (2004)

Abwasserart [% / Mrd.m³/a]

• Kommunales Abwasser: 59,9 / 7,016

• Regenwasserabfluss aus kanalisiertem Gebiet: 20,4 /2,394
  

• Industrieabwasser: 19,7 / 2,302
  

• behandeltes Industrieabwasser: 1,082
• davon in kommunalen Kläranlagen behandelt: 0,865
• unbehandeltes Industrieabwasser (ink.Abwasser, das mit einfachen Verfahren behandelt wurde: 1,220
• davon Produktionswasser: 0,682
• davon sonstiges Abwasser: 0,538
  

Gesamtabwasseranfall: 100 / 11,712


22) Abwasseranfall in Deutschland (2004)

23) Abwasserinhaltsstoffe

24) Einteilung de Abwasserinhaltsstoffe

25) Einteilung de Abwasserinhaltsstoffe

26) Einteilung de Abwasserinhaltsstoffe

28) Einteilung de Abwasserinhaltsstoffe

29) Einteilung de Abwasserinhaltsstoffe

30) Verfahrensschema einer Kläranlage

31) Verfahren der Abwasserreinigung

32) Veränderungen des Abwassers in Kläranlagen

33) Indizes zum Ort und Zweck der Probennahme

34) Probenahmestellen

35) Dispersität

36) Auftrennen von gelösten und suspendierten Stoffen

37) Feststoffe im Abwasser

38) Absetzbare (AS) und abfiltrierbare Stoffe (AFS)

39) Abwasserinhaltsstoffe

40) Absetzversuche mit Abwasser und Schlamm

41) Trockenrückstand und Wassergehalt

42) Bestimmung des Trockenrückstandes

43) Glühverlust und Glührückstand

44) Bestimmung des Glühverlustes

45) Biochemischer Sauerstoff BSB5 [mg / l]

46) Verlauf des BSB in Abhängigkeit von der Temperatur

47) Biochemischer Sauerstoffbedarf BSB in der 1.Stufe

48) BSB5-Bestimmung

49) Chemischer Sauerstoffbedarf CSB [mg O2/l]

50) CSB-Bestimmung

51) Organisch gebundener Kohlenstoff TOC [mg/l]

52) Stickstoffverbindungen

53) Anorganische Stickstoffverbindungen

54) Phosphorverbindungen

55) Bestimmung des Schlammindex

56) Bestimmung des Schlammindex

57) Konzentration verschiedener Parameter

58) Ausgangsgrößen für die Bemessung

59) Anforderungen an die Abwasserreinigung

60) Bakterien

61) Eliminationsgrade (Größenklasse 5)

62) Bestimmung von Krankheitserregern im Wasser

63) Bestimmung der Koloniezahl

64) Mesophile Keime auf Endo Agar

65) Bestimmung der Coliformen

66) Coliforme Keime auf Endo Agar

67) Bestimmung von Escherichia Coli


Check up:

• Möglichkeiten der Probenahme.

• Begriffe Stichprobe, qualifizierte Mischprobe, zeit- und mengenproportionale Mischprobe erläutern.

• Indices zum Ort und Zweck der Probenahme.

• Einteilung der Abwasserinhaltsstoffe.

• Entfernung der Abwasserinhaltsstoffe.

• Herkunft der Verschmutzung im häuslichen Abwasser.

• Bestimmung der gelösten und ungelösten Stoffen des Abwassers.

• Bestimmungsmethode für die absetzbaren Stoffe (AS).

• Erläuterung des Begriffes „Summenparameter“ anhand des BSB.

• Definition BSB und CSB.Bestimmungsmethoden BSB5 und CSB erläutern.

• Verhältnis CSB/BSB5.

• Zusammensetzung des TKN im Zufluss einer kommunalen Kläranlage.

• Anteile des Gesamtstickstoffs im Zu- und Abfluss einer Kommunalen Kläranlage.

• Wirkung der anorganische Stickstoffkomponenten auf die Umwelt und auf den Menschen.

• Trockenrückstand (Trockensubstanz) und Glühverlust.

• Schlammvolumen und Schlammindex bestimmen. Typische spezifische Massenströme in g/(E * d) und Konzentrationen in mg/l des BSB5, CSB, AFS, TKN und P in unbehandeltem Rohabwasser bei einem Abwasseranfall von 200 l/(E * d).