Stickstoff und Phosphor in der aquatischen Umwelt

Präsentation zum Thema: "Stickstoff und Phosphor in der aquatischen Umwelt"—  Präsentation transkript:

1 Stickstoff und Phosphor in der aquatischen Umwelt
W. Kinzelbach Grundzüge Wasserhaushalt

2 Verhalten von N und P N als Nitrat gut löslich, mobil, Transport über Grundwasser und in Oberflächenabfluss P als Phosphat stark adsorbierend, Transport an Partikeln durch Erosion, kein Grundwasserpfad Nitrat unter anaeroben Bedingungen denitrifiziert, unter aeroben Bedingungen persistent Phosphat an Gewässersohle unter anaeroben Bedingungen freigesetzt, unter aeroben Bedingungen festgelegt N hat gasförmige Verbindungen, grosser Kreislauf P hat keine gasförmigen Verbindungen, kleine Kreisläufe N und P sind essentielle Nährstoffe für das Pflanzenwachstum

3 Eutrophierung Eutrophierung ist der Übergang von geringer zu hoher biologischer Produktivität in Seen Eutrophierung ist ein natürlicher Vorgang über geologische Zeitspannen, der aber durch den Menschen stark beschleunigt wird, indem Nährstoffe in grossen Mengen in die Seen eingebracht werden Eutrophierung bedeutet verminderte Wasserqualität für Fische und Trinkwasser

4 Photosynthese der Algen
Durchschnittliche Zusammensetzung des Phytoplanktons C106H263O110N16P1 Phytoplanktonmasse wird aus CO2, H2O, NO3-, HPO42- und Spurenelementen unter Verwendung der Energie des Sonnenlichts gebildet: Photosynthese Die Umkehrreaktion ist die Respiration Verhältnis C:N:P = 106:16:1 in Algenbiomasse (Redfield-Verhältnis) P ist meist der limitierende Wachstumsfaktor in Binnenseen

5 Limitierung durch Phosphor
Liebigsches Prinzip des Minimums Ideales Verhältnis C:N:P = 106:16:1 Tatsächliche Verhältnisse in Schweizer Seen: Z. B. Vierwaldstättersee C:N:P=2600:50:1 Damit ist P limitierender Faktor Auch Licht und Temperatur können limitieren

6 Relevante Phosphorverbindungen
In Algen In Abwasser Waschmittel In Sediment Quelle: Stumm

7 Stöchiometrie Quelle: Stumm

8 Produktivität und Phosphor in Alpenrandseen
Quelle: Stumm

9 Kriterium nach Vollenweider
Quelle: Benndorf Kann verwendet werden zur Klassifizierung und Sanierungsplanung, aber auch zur Prognose, der Wasserqualität in einem zukünftigen Stausee.

10 Phosphatquellen Abwasser Landwirtschaftliche Düngung Atmosphäre
P-Abgabe pro EW und d vor 1987: 3 g P (1.5 g aus Fäkalien, 1.5 g aus Waschmitteln) C-Abgabe pro EW und d: 35 g C P vor allem in Fäkalien, N in Urin Landwirtschaftliche Düngung Mit Dünger wird N, P und K zugeführt Atmosphäre P in Staub 1980: Abwasser 4800 t/a, Dünger 700 t/a, Atmosphäre und unbewirtschafteter Boden 500 t/a Heute liefert die Landwirtschaft den grössten Teil. Weitere Minderung muss aus vor allem aus diesem Sektor kommen.

11 Beispiel Bodensee Austrag aus Einzugsgebiet Quelle: IKBG

12 Beispiel Bodensee Austrag aus Einzugsgebiet

13 Prozesse im See GP gelöster Phosphor
Imboden, Gächter, 1980 GP gelöster Phosphor PP partikulärer Phosphor (Biomasse) Bis zu 2/3 des zur Photosynthese verwendeten P werden intern zirkuliert

14 Massnahmen zur Minderung der Eutrophierung
Massnahmen im Einzugsgebiet Biologische Klärung (ohne P-Fällung) beseitigt 33% von P gegenüber 92% von C Biologische Klärung plus P-Fällung Verbot von phosphathaltigen Waschmitteln (weniger effizient als P-Fällung!) Abwasser in Ringleitung um See Fernhaltung von sauberem Regenwasser von der Kanalisation (bessere P-Fällung) Massnahmen in der Landwirtschaft (Düngebeschränkung)

15 Massnahmen zur Minderung der Eutrophierung
Massnahmen im See (Symptombekämpfung) Belüftung (Pressluft oder Sauerstoff) Selektive Ableitung von Tiefenwasser Tiefeneinschichtung von Abwasser zur Verminderung der Photosynthese (Vorsicht Kurzschluss zur Trinkwasserversorgung) Fällung von Phosphat in Zuflüssen (durch Zugabe von Eisen- und Aluminiumsalzen) Oxidation von Sedimenten Mechanische Entfernung von Sedimenten Aussetzen von Graskarpfen (und Abernten) Spülung

16 Belüftung (Pressluft oder Sauerstoff)
Winterbetrieb: Lufteinpressung zur Erzeugung von Walzen, Belüftung an Seeoberfläche Sommerbetrieb: Oxigenierung des Hypoliminions, Wahl der Blasengrösse so, dass Auflösung vor Erreichen der Thermokline erfolgt (Schichtung soll nicht gestört werden) Wasseroberfläche Sauerstoffeintrag Epilimnion Walze . Hypolimnion Pressluft reiner Sauerstoff Belüfter

17 Selektive Ableitung von Tiefenwasser
Bei temperaturgeschichteten Seen: Höhere P-Gehalte in Tiefenwasser, Syphonausfluss kann mehr P austragen als Oberflächenausfluss

18 Einschichtung von Abwasser
Bei temperaturgeschichteten Seen: Zufluss sucht Schicht gleicher Temperatur. Durch Beimischung von Tiefenwasser kann Temperatur des Zulaufs gesteuert werden.

19 Lösung des Problems Angestrebt: Maximal 30 mgP/l Grossteil ist durch
Massnahmen im Abwasserbereich erreicht. Jetzt müssen Massnahmen in Land- wirtschaft und beim atmosphärischen Eintrag ergriffen werden. Problem: N immer noch hoch. Neue bisher nicht dage- wesene Situation Quelle: Gächter, EAWAG

20 Beispiel: Der Greifensee
See auf dem Weg der Besserung. Aber Stickstoff noch ansteigend. Quelle: EAWAG

21 Ursachen der Nitratbelastung
Intensive landwirtschaftliche Produktion Überdüngung (Zugabe > Entzug) Nettoimport von Futtermitteln Gülleausbringung Grünlandumbruch (BRD /12 der LNF) Trockenlegung von Feuchtgebieten Einträge aus der Atmosphäre Abtrag von „Altlasten“

22 Entwicklung der Bodennutzung
1890 Pflanzenschutzmittel keine Düngemittel 17 kgN/ha LNF Produktion 13 dt GE/ha LNF 1951 Pflanzenschutzmittel 0.7 kg/ha LNF Düngemittel 50 kgN/ha LNF Produktion 30 dt GE/ha LNF 1987 Pflanzenschutzmittel 2.6 kg/ha LNF Düngemittel kgN/ha LNF Produktion 56 dt GE/ha LNF LNF Landwirtschaftliche Nutzfläche, GE Getreideeinheiten, dt Dezitonnen

23 Stickstofffixierung (Flüsse in 106 tN/a)
Atmosphäre N2 (80) 32 (16) 8 (4) 80 190 (150) Verbrennung NO→NO2→NO3- Biol. Fixierung NH4+ (Land und Ozean) Blitze NO→NO2→NO3- Düngerproduktion NH4+, NO3- (Quellen: Jenkins,1990 McElroy et al. 1976, Daffre, 1992) In Klammern: N-Flüsse auf Landfläche

24 Stickstoffbilanz BRD1990 (Zahlen in kgN/ha LNF) INPUT OUTPUT
ÜBERSCHÜSSE Mineraldünger Tierproduktion Akkumulation Nat. N-Fixierung Pflanzenproduktion: Atmosphäre Futtermittelimport 67 Nahrungsmittel Grundwasser Atmosphäre Futtermittel Oberflächengew. 10 Summe Summe Summe

25 BRD: Potentielle Nitratkonzentration (mg/l)
BRD: Jährlicher N-Überschuss (t) 1993 Nitratatlas BRD

26 Charakteristika des Nitrattransports in Boden und Grundwasser
Grosse Mobilität des Nitrations (keine Adsorption) Bei üblichen Konzentrationen Dichteeffekte vernachlässigbar Unter aeroben Verhältnisse praktisch keine chemische Umwandlung Unter anaeroben Verhältnissen Denitrifikation möglich Heterotroph (mit org. Kohlenstoff) Autolitotroph (mit FeS zu Sulfat und N2)

27 Massnahmen Massnahmen für Zeitgewinn Wirkliche Lösungen
Tiefere Brunnen Selektive Entnahme Alternative Trinkwasserbeschaffung (Oberflächenwasser, Flaschen) Nitratentfernung im Wasserwerk Wirkliche Lösungen Abstellen von groben Missständen (Gülle, Sonderkulturen) Extensivierung mit Flächenstilllegung (mit Nettoproduktionsminderung und Entzug) Reglementierung der Düngung in Einzugsgebieten Im Prinzip instantan wirksam Lange Zeitspanne bis zur Wirkung an Wasserfassung

28 Selektive Grundwasserentnahme
Das Konzentrationsprofil von Nitrat fällt in der Regel mit der Tiefe ab.

29 Strategie Die Wasserwirtschaft setzt auf Kooperation
Aufkauf von Flächen in Einzugsgebieten Belohnung von Landwirten mit Ausgleichzahlungen für Produktionsausfälle bei nachweislich schonender Düngepraxis (Nmin-Test) Methoden zur Abgrenzung von Einzugsgebieten existieren und die Ausweisung des „Zuströmbereichs“ ist jetzt auch in der Schweiz Gesetz Zeitskala bis zur Wirkung von Massnahmen ist generell gross: Jahre bis Jahrzehnte

30 Nahrungsmittelexporte
Stickstoffhaushalt der Schweiz 1990 in t N/a 7 Atmosphäre Export Import Nahrungsmittelexporte 169 180 61 62 13 4 13 Pedosphäre Hydrosphäre 49 Antroposphäre Oberflächenwasser Grundwasser 66 5 27 Import 29 97 (Dünger etc.) Export Import 104 21