Trinkwasserverordnung und Verteilung von Bacs in der Umwelt Tag 2

Wasser Knappheit auf der Welt

Vorraussagen für Wasserressourcen in Europa 2100 2003

Wasser als strategisches Zukunftsthema Wasser essentielle Ressource für Mensch, Gesundheit, Gesellschaft Nutzung als Trinkwasser, Landwirtschaft, Industrie Wirtschaftsfaktor lokal und global (‚virtuelles Wasser‘) Quantitative und qualitative Verfügbarkeit zunehmend bedroht Klimawandel, geänderte Land-nutzung, Umweltverschmutzung, Bevölkerungswachstum

Wasserdargebot und Wassernutzung in Deutschland Quelle: Umweltbundesamt http://www.umweltdaten.de/wasser/broschuere_wasserwirtschaft_teil1.pdf

Entwicklung spezifischer Wasserverbrauchs ausgewählter Verbraucher Quelle: UBA http://www.umweltbundesamt.de/wasser/wsektor/wasserdoku/german/doku.pdf WASSERVERSORGUNG

Wasserverluste nach UN-Daten Quelle: UBA http://www.umweltbundesamt.de/wasser/wsektor/wasserdoku/german/doku.pdf WASSERVERSORGUNG

Sources of Drinking Water U.S. Environmental Protection Agency http://www.epa.gov/safewater/dwh/dw-health.pdf

Die Bedeutung des Grundwassers >70 % des Trinkwassers in D wird aus Grundwasser gewonnen ‚Verstecktes‘ Ökosystem im Untergrund ‚Ecosystem Services‘: Abbau & Rückhalt von Schadstoffen Reinigung und Speicherung des Wassers Erhalt von Ökosystemen an Oberfläche Thermische Energie, Wärme & Kühlung

Nitrat

Überblick über die Nitratgehalte im Grundwasser der Bundesrepublik Deutschland für das Jahr 2002 Quelle: BMU http://www.umweltdaten.de/wasser/broschuere_wasserwirtschaft_teil1.pdf Nitratgehalt im Grundwasser

Verteilung der Nitratgehalte im Grundwasser gegliedert nach der dominierenden Landnutzung im Umfeld von Grundwassermessstellen Quelle: Umweltbundesamt http://www.umweltdaten.de/wasser/broschuere_wasserwirtschaft_teil1.pdf Nitratbericht an die EG

Häufigkeitsverteilung der Veränderungen der Mittelwerte der Nitratgehalte zwischen dem Überwachungszeitraum 1992 bis 199446 und dem Überwachungszeitraum 2000 bis 2002 Quelle: BMU http://www.umweltdaten.de/wasser/broschuere_wasserwirtschaft_teil1.pdf Nitratbericht an die EG

Entwicklung des Nährstoffüberschusses auf der landwirtschaftlichen Nutzfläche in Deutschland 1950 - 2000 (Hoftorbilanz) UBA http://www.umweltbundesamt.de/wasser/themen/ow_s5_2.htm <Nährstoffe> Stand: 15.09.2004

Trends in water quality in the Lake Constance Source: Federal Environment Agency 2004

Gesamt-Phosphor-Konzentration im Bodensee (Obersee) während der Durchmischungsphase (1951-2005) Quelle: Internationale Gewässerschutzkommission für den Bodensee http://www.umweltdaten.de/wasser/broschuere_wasserwirtschaft_teil1.pdf Binnengewässer

Pestizide

Häufigkeitsverteilungen der PSM-Befunde in oberflächennah verfilterten Messstellen im Grundwasser Deutschlands in den Zeiträumen 1990 bis 1995 und 1996 bis 2000 Quelle: „ 2. Bericht zur Grundwasserbeschaffenheit – Pflanzenschutzmittel“ (LAWA, 2004) http://www.umweltdaten.de/wasser/broschuere_wasserwirtschaft_teil1.pdf Pflanzenschutzmittelfunde im Grundwasser

Häufigkeitsverteilungen von Atrazin im oberflächennahen Grundwasser Deutschlands (BG = Bestimmungsgrenze) Quelle: „ 2. Bericht zur Grundwasserbeschaffenheit – Pflanzenschutzmittel“ (LAWA, 2004); http://www.umweltdaten.de/wasser/broschuere_wasserwirtschaft_teil1.pdf Entwicklung der Grundwasserbelastung durch Pflanzenschutzmittel

Untersuchungsergebnisse 2003 Quelle: Umweltbundesamt http://www.umweltdaten.de/wasser/broschuere_wasserwirtschaft_teil1.pdf Entwicklung der Grundwasserbelastung durch Pflanzenschutzmittel

Organische Schadstoffe

The discovery and production of new organic chemicals has grown exponentially

Nr. 50 000 000 der in CAS registrierten organischen Verbindungen Chemical Engineering News 09/09

Contaminant cycles: River-drinking water

Contaminant cycles: River-drinking water

Enrichment of transformation products along a german river Why Bayern? We are at the beginning of the chain But we are part of it! Scientific demand: how can we brake up the cycle?

Zukünftige Gefahren Diffuse Quellen Nitrat Pestizide Micropollutants (Pharmaka, Röntgenkontrastmittel) Punktquellen BTEX (Benzen, Toluen, Ethylbenzen, Xylen) Chlorierte Kohlenwasserstoffe

Frage? Welche Bedingungen würden sie an Trinkwasserqualität stellen?

Meine Bauchantwort Welche Bedingungen würden sie an Trinkwasserqualität stellen? Oxisch (aerob?) Kein Eisen, Mangan etc. Niedriger DOC Keimfrei? (keine pathogenen Mikroorganismen und Viren) Geruch und Geschmack einwandfrei Keine Schadstoffe pH Normaler Gehalt an gelösten Mineralien (Carbonat etc.)

Trinkwasserverordnung (BGB Stand 2001) Nachweisprinzip Indikatorprinzip Auszug der einzelnen Grenzwerte aus der TW-Verordnung

Grenzwert (Anzahl(100 ml) Mikrobiologische Parameter Teil I: Allgemeine Anforderungen an Wasser für den menschlichen Gebrauch Parameter Grenzwert (Anzahl(100 ml) Escherichia coli (E. coli) Enterokokken Coliforme Bakterien Teil II: Anforderungen an Wasser für den menschlichen Gebrauch, das zur Abfüllung in Flaschen oder sonstige Behältnisse zum Zwecke der Abgabe bestimmt ist Grenzwert 0/250 ml Pseudomonas aeruginosa Koloniezahl bei 22 Grad C 100/ml Koloniezahl bei 36 Grad C 20/ml

Chemische Parameter Teil I Chemische Parameter, deren Konzentration sich im Verteilungsnetz einschließlich der Hausinstallation in der Regel nicht mehr erhöht Parameter Grenzwert /Anforderung Bemerkungen Benzol 0,001 mg/l Cyanid 0,05 mg/l 1,2-Dichlorethan 0,003 mg/l Fluorid 1,5 mg/l Nitrat 50 mg/l Die Summe aus Nitratkonzentration in mg/l geteilt durch 50 und Nitritkonzen-tration in mg/l geteilt durch 3 darf nicht größer als 1 mg/l sein Pflanzenschutz-mittel und Biozid- Produkte 0,0001 mg/l Produkte insgesamt 0,0005 mg/l Quecksilber Tetrachlorethen und Trichlorethen 0,01 mg/l Arsen Benzo-(a)-pyren 0,00001 mg/l

Parameter Grenzwert /Anforderung Bemerkungen Blei 0,01 mg/l Cadmium 0,005 mg/l Kupfer 2 mg/l Nitrit 0,5 mg/l Polyzyklische aromat- ische Kohlenwasser- stoffe 0,0001 mg/l Vinylchlorid 0,0005 mg/l Ammonium Eisen 0,2 mg/l Färbung (spektraler Absorptionskoeffizient Hg 436 nm) Geruchsschwellenwert 2 bei 12 Grad C 3 bei 25 Grad C Geschmack Für den Verbraucher annehmbar und ohne anormale Veränderung Elektrische Leitfähigkeit 2.500 myS/cm bei 20 Grad C Mangan 0,05 mg/l Oxidierbarkeit mg/l O2 Sulfat 240 mg/l

Aufbereitungsziele und Gegenstände konkreter Maßnahmen Quelle: Umweltbundesamt http://www.umweltdaten.de/wasser/broschuere_wasserwirtschaft_teil1.pdf Wasseraufbereitung

Zusammenstellung der eingesetzten Verfahren und der Aufbereitungsziele Quelle: Umweltbundesamt http://www.umweltdaten.de/wasser/broschuere_wasserwirtschaft_teil1.pdf Wasseraufbereitung A = Austausch an Grenzflächen; B = Biologische Verfahren; D = Dosierung von Stoffen; F = Fällung/Flockung; S = Separation; BS = Bestrahlung

Die letzten Meter bis zum Wasserhahn Hans-Curt Flemming Biofilm Centre, Universität Duisburg-Essen Biofilm Centre 36 36

Wie kommt das Trinkwasser ins Haus? Endverbraucher Dr. C. Donner, RWW Mülheim Biofilm Centre 37

Multi-Barrieren-Prinzip in der Aufbereitung „Mülheimer Verfahren“, entwickelt zur Aufbereitung belasteter Rohwässer Inzwischen weltweit für ähnliche Situationen angewandt Man kann aus jedem Wasser Trinkwasser machen Das ist nur eine Frage des Aufwands (s. Raumfahrt) Abbildung: Dr. C. Donner, RWW Mülheim Biofilm Centre 38

1. Desinfektion (Chlor, Ozon, UV) Probleme: Desinfektionsnebenprodukte Kilometerlanges Verteilungsnetz – wie kann eine Aufkeimung verhindert werden? 1. Desinfektion (Chlor, Ozon, UV) Probleme: Desinfektionsnebenprodukte Geschmack/Geruch, Resistenz Cl2 + H2O  HOCl + HCl 2. „Ohne Chemie“: Nährstoff-Elimination durch Biofiltration Probleme: Neue Nährstoffe (z.B. Werkstoffe) aufwendiger Langsamsandfilter Schmutz-decke Bakterien auf Sand Biofilm Centre 39

Entfernung von assimilierbarem organischem Kohlenstoff während der Aufbereitung AOC-Entnahme durch Langsamsandfilter Gimbel, 1995 Biofilm Centre 40 40

Das Innere von Wasserleitungen Korrosionspustel, Gussrohr 15 Jahre Innere Oberfläche Gussrohr, 99 Jahre PVC, 28 Jahre Prof. U. Szewzyk, TU Berlin Biofilm Centre 41

Wie viele Mikroorganismen sind in unserem Trinkwasser? Trinkwasser ist nicht steril – und muss es auch nicht sein! Bakterien-Zahlen in Trinkwasser: abhängig von Methode  DEV-Methode: 1-10 KBE/ml (20/37 °C, 1 d) HPC auf R2A: 10-1.000 KBE/ml (20 °C, 7 d) Gesamtzellzahl mit DAPI, Acridin-Orange: 103 – 104/ml Anzahl der KBE: Teilmenge der Gesamtzellzahl Biofilm Centre 42

Verantwortung bei der Wasserverteilung Trinkwasser-Gewinnung, -Aufbereitung, -Verteilung Trinkwasser-installation Hausanschluss Verantwortlich: Wasserversorgungs-unternehmen (WVU) § 14 (1) TrinkwV Verantwortlich: Betreiber (Hausbesitzer) § 8 TrinkwV Wasseruhr AVBWasserV: Störende Rückwirkungen von einer Hausinstallation auf das öffentliche Netz sollen verhindert werden. Nach AVBWasserV können die Grundstücksanschlüsse (Leitung von Hauptleitung bis zur privaten Grundstücksgrenze) und Hausanschlüsse (Leitung von privater Grundstücksgrenze bis ins Haus/Wasserzähler) komplett der öffentlichen Trinkwasserversorgung zugerechnet werden. Aber: Image des WVU hängt von Wasserqualität am Zapfhahn ab! Dr. B. Bendinger, Außenstelle DVGW, TU Hamburg-Harburg Biofilm Centre 43

Häufigste Reaktion: „So genau will ich´s gar nicht wissen…“ Biofilm Centre 44

Trinkwasser-Installation: Grauzone der Überwachung Risikofaktoren: Viele verschiedene, oft ungeprüfte Werkstoffe Totstellen Unregelmäßige Verbrauchs- Charakteristik Viel weniger Kontrolle: 4 Jahre nach Einführung der neuen TrinkWV sind immer noch weniger als 50 % der öffentlichen Gebäude überprüft Biofilm Centre 45 45

Beispiele für Kontaminationsfälle  Schule, Neuinstallation: P. aeruginosa: > 1.000 KBE pro 100 mL  Schule, alte Installation Legionella: > 10.000 KBE pro 100 mL  Verwaltungsgebäude, Neuinstallation P. aeruginosa: ~ 200 KBE pro 100 mL  Sporthalle, alte Installation  Asyl, alte Installation Legionella: > 10.000 KEB pro 100 mL  Zahlreiche Fälle aus Krankenhäusern  Betrifft nicht nur Kunststoff, sondern auch Metalle! Biofilm Centre 46 46

Verteilung von Bacs in der Umwelt

Transport & Fate of Microorganisms Figure 1. The subsurface microbial cycle as introduced by Stevens (1997). Geological and hydrological processes, operating on multiple time-scales, move microorganisms into the subsurface, transport them through the subsurface, and may return them to the surface environment. In the subsurface, selective pressures constrain the types of organisms that can survive there.

Where are the bacteria ? Suspended cells Attached cells Reference 20% 80% Wolters & Schwartz, 1956 Matthess, 1973 <1% >99% Marxsen, 1982 0-3.2% 96.8-100% Harvey, et al. 1984 1 101-102 Köbel-Boelke et al., 1988b 102-103 Hazen et al., 1991 103 – 105 * Pedersen & Ekendahl, 1992 <10% >90% Godsy et al., 1992 0.01% 99.99% Albrechtsen, 1994 103 Alfreider et al., 1997 103-104 DVWK, 1997

Biofilms – a complex habitat

Eine Mikrokolonie aus einem Abwassersandfilter

Besiedelung eins Sedimentkorns Der gleiche Partikel aus einem Tiefseesediment einmal im Phasenkontrast und einmal im Fluoreszenzbild. Entnommen aus www.mikrobiologischer-garten.de In einem oligotrophen Sediment gibt es keinen klassischen Biofilm!

c) Topsoil 0,2 GRAVEL 1,6 SAND 3,0 CLAY 4,3 12,4 15,6 SILT 16,0 21,6 22,2 27,4 30,00 0,0 2,0 4,0 6,0 8,0 10,0 12,0 14,0 18,0 20,0 22,0 24,0 26,0 28,0 30,0 3,7

An example from ecology An example from ecology. What drives and limits natural attenuation processes in aquifers? Toluene [mg l-1] Sulfate [mg l-1] bssA/16S rRNA genes Oil 10 20 30 40 50 50 100 150 200 250 6 6.5 7 7.5 8 8.5 9 9.5 10 0.0 0.25 0.5 0.75 Upper plume fringe Plume core Lower plume fringe Degradation hot spots Depth [m bls] 16S rRNA catabolic gene ratios Toluene d13C SO42- A A B B C -25 -24 -23 -22 -21 103 105 107 109 δ 13C [‰] Bacterial 16S rRNA genes [cp g-1] High resolution multi-level well

Number of microbes Group Habitat Trophy Abundance [cm-3] Bacteria Caves, Karstic systems - 102 – 104   Sediments in caves 104 – 108 Groundwater from deep granitic and basalt systems -/+ 103 - 106 Groundwater from porous aquifers + up to 107 Sediments saturated zone 106 - 108 up to 1010 Sediments unsaturated zone 104 - 108 Archaea present Flagellates 100 – 102 up to 105 103 - 105 up to 108 Amoebae 10-1 – 100 Ciliates rare Fungi Viruses

Microbial communities Adaptations & Strategies r-stragegists high low changing K-stragegists low high constant reproduction rate resource utilization efficiency migratory tendency population size i-type strategy Based on species richness and functional redundancy s-type strategy Individuals react on environmental changes

Hausaufgabe Suchen sie bitte diese Publikation raus D'Hondt, S., B. B. Jorgensen, et al. (2004). "Distributions of microbial activities in deep subseafloor sediments." Science 306(5705): 2216-2221. Interpretation: Was sind die entscheidenden Aussagen des Papers? Wo sehen sie die Relevanz? Entdecken sie Fehler? Was ist die wichtige Aussage für unsere Vorlesung?