Kontamination von Gewässern

Präsentation zum Thema: "Kontamination von Gewässern"—  Präsentation transkript:

1 Kontamination von Gewässern
Einleitende Fragen nach Einleiten von Trichlorbenzol ins Waschbecken: - Wird das Osnabrücker Klärwerk damit fertig? - Muß der Schlammröhrenwurm um sein Überleben ringen? - Sollten Kanuten auf der Hase zukünftig auf Eskimorollen lieber verzichten? als Anekdote (Folge des Gebrauchs von Schaumwaschmitteln in den 70er Jahren): "Daher waren unsere Flüsse oft auf langen Strecken [...] mit mehrere Dezimeter dicken Schaumschichten bedeckt. [...] Außerdem kam es sogar zu einigen Todesfällen von Faltbootfahrern und Binnenschiffern, die unter den Schaummassen versanken und nicht mehr rechtzeitig gefunden und gerettet werden konnten.“(ENGELHARDT S.89) Kontamination von Gewässern Seminar Limnologie

2 Wegweiser Arten der Kontamination rechtliche Aspekte Eutrophierung
Gewässertherapie Abbauprozesse Gewässergüte in Deutschland Simulation mit GREAT-ER Auswirkungen auf Organismen

3 Arten der Kontamination
Was für Arten der Kontamination fallen euch ein? (an der Tafel sammeln) - sind limitierender Faktor (aus 1 g Phosphor kann 1 kg Algen-Naßmasse gebildet werden, die zu ihrem vollständigen Abbau 150 g O2 benötigt; KOMMISSION S.107) - Reihenfolge aus SCHÖNBORN S.267, Dichte größer als 4,6 g/cm³, blockiert Schlüssel-Schloß-Prinzip im Enzym, es existieren aber auch essentielle (Ni nur für Pflanzen giftig; HEINRICH u. HERGT S.174) - kommen aus Bergwerken und winterlichem Streuen - Cyanide entstehen in Galvanisierungsbetrieben und Kokereien, enthalten Blausäure, Phenole sind Teerverbindungen aus Raffinerien (ENGELHARDT S.89) - Geruch von Microcystis verursacht Kopfschmerzen (KOMMISSION S.139) - in einen Milliliter passen 10 Mio. Keime (SCHÖNBORN S.255), zu water borne diseases SCHWOERBEL S.299 - Wärmelastplan hat 1973 für den Neckar eine Temperatur von 45 °C vorhergesehen, falls man alle Kraftwerke mit Durchlaufkühlung realisiert hätte (ENGELHARDT S.102, für den Rhein HEINRICH u. HERGT S.178), erlaubt sind nur 28 °C - durch Versauerung können Metalle im Boden mobilisiert werden (falls Pufferkapazität überschritten) (KOMMISSION S.32) ferner: Radionuklide, Sperrmüll Einteilung in physikalische, chemische, (mikro-)biologische und radiologische Kontamination Nährstoffe (N, P) Schwermetalle (sortiert nach Giftigkeit: Hg, Cd, Cu, Zn, Ni, Co) Salze (Chlorid, Sulfat) Pestizide, Cyanide, Phenole ... Blaualgentoxine Keime und Krankheitserreger (Bilharziose) thermische Belastung Versauerung

4 Gesetzgebung in der EU Baderichtlinie 1975
- FRIMMEL S.200 - TCB steht auf Schwarzer Liste: Einleitung nur mit Genehmigung der zuständigen Behörde, Emissionsgrenzwerte gelten auch für Indirekteinleiter (erst über öffentliche Kanalisation) (MATTHIES) - R. ü. k. A. schreibt in empfindlichen Gebieten (ganz Dtld.) eine dritte Reinigungsstufe vor zur P- und N-Reduzierung (FRIMMEL S.41) Gesetzgebung in der EU Baderichtlinie 1975 Gewässerschutzrichtlinie 1976 Grundwasserrichtlinie 1979 werden 2013 von der WRRL abgelöst Richtlinie über kommunales Abwasser 1991 Nitratrichtlinie 1991 Pflanzenschutzmittelrichtlinie 1991

5 Gesetzgebung in Deutschland
- WHG hat viele Novellierungen erfahren, Vorsorgeprinzip (Umweltgefahren und -schäden soweit wie möglich vermeiden) als Minimierungsgebot verankert, Gewässerschutzbeauftragter der Uni dürfte aufgrund der TCB-Kontamination ein Problem haben, oder ich: „Nach § 324 des Strafgesetzbuches wird mit Freiheitsstrafe bis zu fünf Jahren oder mit Geldstrafe derjenige bestraft, der unbefugt ein Gewässer verunreinigt oder dessen Eigenschaften nachteilig verändert. Der Versuch ist auch strafbar.“ (FRIMMEL S.46) Bis 1993 wurden 1300 Stoffe in Wassergefährdungsklassen eingestuft (FRIMMEL S.464), TCB in die gefährlichste wurden 2785 Unfälle mit wassergefährdenden Stoffen gemeldet (Dunkelziffer?) (BUNDESAMT). Ich weiß nicht, wieviele es 2004 schon waren, heute ist jedenfalls einer dazugekommen. Aufzählung aus UMBACH S.110 Gesetzgebung in Deutschland Wasserhaushaltsgesetz 1957 Detergentiengesetz 1961 DDT-Gesetz 1972 Bundesimmisionsschutzgesetz 1974 Waschmittelgesetz 1975 Abwasserabgabengesetz 1976 Pflanzenschutzgesetz 1986

6 Abwasserabgabengesetz
AbwAG gilt nur für Direkteinleiter, seit 1997 werden 70 DM pro Schadeinheit berechnet (FRIMMEL S.60); es macht Kontaminationen vergleichbar Was ist teurer: 3 kg Phosphor oder 1 kg Chrom einzuleiten? CSB als Summenparameter wird im Kaliumdichromat-Verfahren ermittelt BSB5 ist der biochemische Sauerstoffbedarf innerhalb von 5 Tagen, stets kleiner als der CSB der Quotient aus BSB und CSB kann zur Einschätzung der biologischen Abbaubarkeit dienen (UMBACH S.44) Bewertete Schadstoffe und Schadstoffgruppen einer Schadeinheit entsprechen jeweils folgende volle Messeinheiten Oxidierbare Stoffe in chemischem Sauerstoffbedarf (CSB) kg Sauerstoff Phosphor kg Stickstoff kg Organische Halogenverbindungen kg Halogen, als adsorbierbare organisch gebundene Halogene (AOX) berechnet als organisch gebundenes Chlor Metalle und ihre Verbindungen: • Giftigkeit gegenüber Fischen Quecksilber 20 g Kubikmeter Abwasser Cadmium 100 g geteilt durch Verdünnungsfaktor GF, Chrom 500 g bei dem Abwasser im Fischtest Nickel 500 g nicht mehr giftig ist. Blei 500 g Kupfer g Metall

7 Einwohnergleichwerte
SCHWOERBEL S.246 EGW als Bezugswert: diejenige Sauerstoffmenge, die zum Abbau der organischen Schmutzstoffe erforderlich ist, die ein Stadtbewohner während eines Tages ableitet (in der BRD BSB5 = 54 g O2, in den USA 75 g) Frage: Hefefabrik mit einer monatlichen Produktion von 600 t, wie groß muß die Kläranlage bemessen sein? 600 t : 30 Tage = 20 t/Tag 20 * 5000 EGW = EGW, 20 * 7000 EGW = EGW (etwa Osnabrücker Bevölkerung) eine ältere Tabelle aus ENGELHARDT S.88 Industriezweig für ... diese Belastung Brauerei l Bier Stärkefabrik 1 t Weizenmehl 1000 Molkerei mit Käserei 1000 l Milch Papierfabrik 1 t Papier Zellstoffwerk (Sulfitbasis) 1 t Zellstoff Wäscherei 1 t Wäsche Vergleich: höchstens 925 EGW machen eine Schadeinheit aus

8 Eutrophierung Saprobie: Abbau der organischen Substanz durch Heterotrophe (s. Saprobienindex für Fließgewässer) Trophie: Versorgung eines Ökosystems mit organischer Substanz (Primärproduktion) durch Autotrophe Fuzzyansatz von Vollenweider in SCHWOERBEL S.286 und FRIMMEL S.469 Der natürliche Prozeß der Seenalterung wird durch anthropogene Nährstoffzufuhr extrem beschleunigt. Phytoplankton im Epilimnion (Algenblüte) läßt kein Licht durch und verhindert Photosynthese in tieferen Schichten. Algen kommen 2 Tage ohne O2 aus, Blaualgen (können N aus der Luft binden) auch 10 Tage (SCHÖNBORN S.258). Sediment-Bakterien kommen auch anaerob zurecht und bilden u.a. giftigen Schwefelwasserstoff. Besonders in den Nachtstunden der Sommermonate (stabile Schichtung) besteht die Gefahr, daß der Teich "umkippt“. van't Hoffsches Gesetz: Temperaturerhöhung um 10 °C verdoppelt etwa Enzymaktivität (ab °C Denaturierung) (GREENPEACE S.86)

9 Gewässertherapie Hypolimnische Belüftung
epilimnisches Wasser wird runtergepumpt damit auch Düngung von Reisfeldern chemische Zeitbombe; etwa 5-15 cm (in Rotterdam werden jährlich 20 Mio. m³ Schlick aus der Rheinmündung ausgebaggert, also Würfel mit einer Kantenlänge von 270 m, FRIMMEL S.273) mit Plastikfolien, Asche, Ton hiermit keine Langzeiterfolge (SCHWOERBEL S.288) Gewässertherapie Hypolimnische Belüftung Ableitung von hypolimnischen Wasser Entfernen von Sediment aus dem See Abdecken der Sedimentoberfläche seeinterne Phosphatfällung

10 Abbauprozesse Elimination in Kläranlagen biologische Selbstreinigung
- eine nordamerikanische Teichmuschel kann 42 l Wasser /h filtrieren (ENGELHARDT S.95) - Stoff „fühlt sich im Wasser gar nicht wohl“, abhängig von Dampfdruck und Wasserlöslichkeit (Phänomen bei hoher Volatilität und Persistenz: DDT in der Arktis) - bei Photoabbau durch Licht entstehen manchmal noch giftigere Substanzen (SCHWOERBEL S.310) (wenn Presse kommt, um die tote Hase mit Blitzlicht zu fotografieren, findet auch Fotolyse statt) - ist pH-abhängig - nur Verlagerung des Problems Abbauprozesse Elimination in Kläranlagen biologische Selbstreinigung Ausgasung Photolyse Hydrolyse Sedimentation

11 Entwicklung in Deutschland
Güteklasse II ist erklärtes Ziel. Innerhalb von fünf Jahren stieg der Anteil der Klassen I-II von 47 auf 65 % (UMWELTBUNDESAMT).

12 Die Gewässergütekartierung wird seit 1960 alle fünf Jahre vorgenommen
Die Gewässergütekartierung wird seit 1960 alle fünf Jahre vorgenommen. Im Kartenausschnitt: Die komplette Emscher wird geklärt, darum juckt es den Rhein kaum (früher "Opferstrecken" genannt: direkt unterhalb von Einleiter). Der Rhein war früher Klasse IV, ist wegen hohem Abfluß größter Verschmutzer der Nordsee, Artenzahl wieder wie um 1900 (allerdings auch andere). Hier ist grenzüberschreitender Gewässerschutz notwendig (IKSR Internationale Komission zum Schutz des Rheins). Im Oberlauf der Ruhr sogar ein gering belasteter Abschnitt. In der Weser herrscht durch den Kalibergbau ein Salzgehalt wie im Meer vor. Die Ems ist stark mit Nitrat belastet (diffuse Einträge aus der Landwirtschaft sind nach wie vor schlecht kontrollierbar) und wird für die Werft in Papenburg regelmäßig ausgebaggert. Zum Zustand der Hase siehe STADT S.131. Nicht im Kartenausschnitt: Die Donau ist von den großen Strömen am geringsten belastet (teilweise noch Nitrat und Hg). In der Oder vor allem Chlorid. Der Elbe geht es seit der "Wende" besser, die Sedimente sind aber noch stark mit chlorierten Kohlenwasserstoffen wie HCB (Hexachlorbenzol) und TCB belastet. (LÄNDERARBEITSGEMEINSCHAFT) Gewässergütekarte 2000

13 Abk. GREAT-ER basiert auf GIS, Flußabschnitte (stretch) mit individueller Abbaurate, nur punktuelle Einleiter (discharge site), ohne Berücksichtigung der Morphologie (wie Prall- und Gleithang), bloß Baumstruktur Aufwendige Berechnung des Oberflächenabflusses in die Flüsse über Niederschlagsmenge (okay) und das Einzugsgebiet (catchment area - hier Calder in England). Hierzu müssen von Hand anhand eines 3D-Geländemodells die Wasserscheiden eingezeichnet werden. Oft liegen nur die Koordinaten der Kläranlagen vor, nicht aber die der Stellen, wo eingeleitet wird (wird lotrecht abgeschätzt - Beispiel an der Tafel) (KLASMEIER) Geography-referenced Regional Exposure Assessment Tool for European Rivers

14 Vergleich der Simulation mit Monitoring-Daten
LAS: lineare Alkylbenzolsulfonate (ein Waschmittelzusatz) probabilistischer Modellansatz (Monte-Carlo-Simulation) ergibt eine typische Sägezahnkurve (mit 90-%iger Wahrscheinlichkeit soll der tatsächliche Wert unter der grünen Kurve liegen), könnte kostspielige Probennahme ersetzen (auch diese hat Unsicherheiten, siehe Fehlerbalken), kritisch ist hier der Ort der Probenahme (eine 95%-ige Durchmischung im Querprofil von Rhein und Mosel ist erst 35 km hinter dem Deutschen Eck in Koblenz gegeben - anzeichnen) (TRAPP S.75)

15 Bioakkumulation in der Nahrungskette
Bioakkumulation findet vor allem bei lipophilen Substanzen im Fettgewebe statt und umfaßt Biomagnifikation (enterale Aufnahme) und Biokonzentration (parenteral). BCF bei TCB bis Falls jemand eine suizidale Absicht hat oder sich als Giftmischer betätigen will: Anstatt 2 m³ Hasewasser trinken/destillieren, reicht es 1 kg Fisch zu essen/servieren. DDT-Konzentration im Wasser 3 ng/kg Fischadler 25 mg/kg, d.h. BCF > 1 Mio.! Zooplankton 0,04 mg/kg Elritze 0,5 mg/kg Hornhecht 2 mg/kg

16 Toxizität Dosis-Wirkungsbeziehung Gesamtzahl 50 Tiere Versuchsergebnis
mögliche end points: Wachstum, Exkretion, Mobilität, Fertilität, Kanzerogenität, Mutagenität müssen nicht unbedingt negativ sein (wenn Wasserfloh plötzlich Purzelbäume schlägt, aber das sein Überleben nicht gefährdet, ist das auch ein brauchbarer end point) Beispiel für Mutagenität: Ames-Test mit einem schon mutierten Bakterienstamm (Salmonella typhimurium), der die essentielle Aminosäure Histidin nicht mehr bilden kann, nun durch Giftwirkung "Rückmutation" möglich, Nachweis auf histidinfreien Nährboden (FRIMMEL S.135) TCB soll keine mutagene Wirkung haben (wir brauchen uns also nicht vor Mutanten, die Osnabrück unsicher machen, zu fürchten) aktuell: endokrin wirksame Stoffe (Tributylzinn TBT) statt Effektdosis ED, letale Dosis LD auch EC, LC: Konzentration bezieht sich auf umgebendes Medium, läßt sich über BCF ineinander umrechnen (MATTHIES) Dosis-Wirkungsbeziehung Gesamtzahl 50 Tiere Versuchsergebnis 50 % ED50 = 7 mg/kg

17 Grenzwerte Sicherheitsfaktoren zur Berechnung der
Falls für alle drei Trophie-Stufen (Alge, Krebs, Fisch) eine No-Observed-Effect-Concentration (NOEC) vorliegt: niedrigste NOEC *10, sonst niedrigste EC50 oder LC50 *100, falls weniger Arten *1000 PEC läßt sich nun über Messungen oder Modelle wie GREAT-ER ermitteln. Grenzwert bedeutet nicht: wenn drunter auf der sicheren Seite (besser Fuzzy) Synergistische Effekte mehrerer Schadstoffe wurden bislang kaum untersucht (quadratischer Aufwand bei der Kombination zweier Stoffe usw.). der Grenzwert für TCB wurde mit 0,4 μg/l festgesetzt Grenzwerte Sicherheitsfaktoren zur Berechnung der Predicted No Effect Concentration (PNEC) Predicted Environmental Concentration (PEC) PEC > PNEC Risiko!

18 Datenverfügbarkeit der Gesundheitsgefährlichkeit
Bedenklich: zu 46 % der Lebensmittelzusatzstoffe liegen keine Informationen zur Gesundheitsgefährlichkeit vor. „Toxicity testing“ US National Research Council 1984

19 Wegweiser Arten der Kontamination rechtliche Aspekte Eutrophierung
Literaturverzeichnis BUNDESAMT für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit u. Umweltbundesamt: Umwelt Deutschland (auf CD-ROM) ENGELHARDT, Wolfgang (1976): Umweltschutz. München FRIMMEL, Fritz H. (Hrsg.) (1999): Wasser und Gewässer. Heidelberg GREENPEACE (1992): Die Ostsee. Hamburg HEINRICH, Dieter u. HERGT, Manfred (1990): dtv-Atlas Ökologie. München KLASMEIER, Jörg (2003): Skript zur Vorlesung Umweltsystemanalyse und persönliche Mitteilungen. Osnabrück KOMMISSION für Wasserforschung (1982): Schadstoffe im Wasser - Metalle - Phenole - Algenbürtige Schadstoffe. Bonn LÄNDERARBEITSGEMEINSCHAFT Wasser (1997): Die Beschaffenheit der großen Fließgewässer Deutschlands. Berlin MATTHIES, Michael (2003): Skript zur Vorlesung Umweltrisikoanalyse. Osnabrück SCHÖNBORN, Wilfried (1992): Fließgewässerbiologie. Stuttgart SCHWOERBEL, Jürgen (1993): Einführung in die Limnologie. Jena STADT Osnabrück (1992): Landschaftsrahmenplan. Osnabrück TRAPP, Stefan u. MATTHIES, Michael (1996): Dynamik von Schadstoffen. Berlin UMBACH, Eberhard (2001): Skript zur Vorlesung Umweltsysteme. Osnabrück UMWELTBUNDESAMT (2001): Jahresbericht (auf CD-ROM) Arten der Kontamination rechtliche Aspekte Eutrophierung Gewässertherapie Abbauprozesse Gewässergüte in Deutschland Simulation mit GREAT-ER Auswirkungen auf Organismen