Erd- und Produktionssysteme Wasser-Ressourcen/Wehrli
Fach: Erd- und Produktionssysteme, ETHZ, UWIS, 1. Semester, Basisprüfungen 2013
Fach: Erd- und Produktionssysteme, ETHZ, UWIS, 1. Semester, Basisprüfungen 2013
Beschreiben Sie die ökologische Sanierung der Schweizer Wasserkraft
Problem: Flüsse die zur Stromproduktion genutzt werden führen oft wenig bis gar kein Wasser mehr.
Massnahme 1: Restwasser
Deshalb wurde in der Bundesverfassung festgeschrieben, dass die Flüsse immer eine Restwassermenge führen müssen. 1991: revidiertes Gewässerschutzgesetz mit Sanierungsfrist 2007 (seit 2003 verlängert auf 2012).
Die Restwassermengen welche erreicht werden wollen basieren auf Abflussdauerkuven und Q347 (legt fest, dass ein Abfluss einen bestimmten Wert an 347 Tagen im Jahr überschreiten muss.)
Nennen Sie die wichtigsten Kennzahlen im Bezug auf Wasserverbrauch (Zusammenfassung)
Globaler Wasserverbrauch wächst um 2% pro Jahr:
70%Bewässerungslandwirtschaft, 20%Industrie, 10%Haushalte
Wasserknappheit 500-1000 m^3/person und Jahr entspricht minimal nötiger Nahrungsproduktion
Wasserfussabdruck 500-2500 m^3/Person und Jahr
Nennen Sie 3 Schadstoffe und erklären Sie das Verhalten
DDT: Dichlordiphenytrichlorethan-> Insektizid das in 60er Jahren die Singvögel der USA gefährdet (silent spring), hat sich in Nahrungskette angereichert, Vögel frassen kontaminierte Insekten.
Benzpyrene (in Sedimenten im Zürichsee von altem Gaswerk Thalwil): krebsfördernde Nebenprodukte von Verbrennungsprozessen, finden sich in Altlasten von Gaswerken und Städtischen Aerosolen.
Dimethylquecksilber (Kann sich in Speisefischen anreichern, je grösser der Fisch, desto mehr drin): entsteht anaerob mikrobiell aus Hg-Ionen, Substanz kann die Blut-Hirnschranke passieren: Nervengift
Umweltverhalten (Verteilung, Reaktivität, Toxizität) hängt von thermodynamischen Eigenschaften ab: diese 3 Substanzen sind hydrophob und schlecht abbaubar: hohes Risiko der Anreicherung in der Nahrungskette.
Beschreiben Sie die Problematik der Goldförderung
Es braucht sehr viel Material um reines Gold zu erhalten (riesige Abraumhalden und grosser Ressourcenverbrauch). Die Erz-Qualität nimmt laufend ab, der Chemie-Einsatz steigt.
Gold wird mit Cyanid gewonnen (löst sich in Cyanid)-> Chemie-Unfall in Rumänischen Karpathen 2000: Cyanid gelangt in Fluss Theiss (Fehler. Damm hielt nicht, Zyklone versagen im Winter, kein Platz für Regenwasser) -> 24 Wasserwerke ausser Betrieb, 4 kontaminiert, 1200t Fische in ungarischen Theiss gestorben, Verdünnung & Abbau kein Fischsterben in Donau, rasche Wiederbesiedelung
Nennen Sie mögliche Lösungen für die Problematik des Zyanids im Goldbergbau
Substitution: Durch Thioharnstoff (teuer, hoher Verbrauch, schwere Rückgewinnung)/ durch Thiocyanate (effektiv, Entwicklung nötig)
Elimination: Durch INCO Prozess: Schwefeldioxid mit Cu Katalysator / Mikrobieller Abbau mit Nährstoffen und pH-Kontrolle
Erklären Sie die Arsen-Problematik
Risikogebiete: Arsen kommt im Grundwasser von Flusstälern und -deltas Südostasiens vor-> Arsen löst sich im anaeroben Wasser (kann in Anwesenheit von O2 abgebaut werden), Grenzwerte werden weit überschritten
Bangladesh: Grundwasserbrunnen gebohrt, sodass Landbevölkerung nicht auf Oberflächenwasser angewiesen ist-> Kindersterblichkeit um 50% runter. Allerdings: chronische Arsenvergiftung ausgebreitet (Pigmentierung Hände/Füsse, Krebs Leber/Niere).
Massnahme: Trinkwasseraufbereitung durch Adsorption an Oxid-Partikel: Eisenrost oder Aluminiumhydroxid-Partikel aus Nanoteilchen-> grosse Oberfläche, um Arsen aus Wasser zu entfernen. Technologie in Bangladesh: Sand+Eisenpartikel in Petflaschen gefüllt, Wasser von oben nach unten durchrieseln lassen, Trinkwasser wird an rostigen Eisenoberfläche adsorbiert.
Beschreiben Sie Plastik und die Problematik der Akkumulation im Meer
Plastik: Produktions-Wachstumsrate 9%, Herstellung aus Erdöl (8% des Erdöls), 1/3 für Wegwerfprodukte.
Konzentration von Plastikmüll im Ozean steigt, vorallem der Kleinstpartikel (<20 μm).
Tiere fressen Plastikmüll, in einigen Gemeinschaften >95% der Individuen betroffen. Tiere bekommen dadurch ein Sättigungsgefühl, fressen nichts mehr richtiges und verhungern.
Meerestiere "gefesselt" (Durch netzreste o.Ä.), Invasive Arten verbreiten sich über Plastikmüll.
Badespielzeug (Plastikentchen) als Tracer für Ozeanströme (Fracht geht im Nord-Pazifik über bord, 10 Monate später in Alaska, 15 jahre später strandet Ente in England)
Nennen Sie mögliche Massnahmen gegen die Meeresverschmutzung mit Plastik
Verbrauch reduzieren:
Optimierte Verpackung, Wiederverwertbare Materialien, Recycling (PET: Nachfüllflaschen, Energieeinsparung: closed-loop recycling, semi-closed loop recycling: Sportkleidung
Bioplastik: zersetzt sich selbst (z.B. Polymilchsäure
Beschreiben Sie, wie die Substitution von DDT belegt werden können
In Seesedimentkernen: Substanz wird kaum abgebaut, deshalb verlässliche Archive-> belegen Substitution von DDT um 1970
Erklären Sie den Einsatz von Herbiziden im Maisanbau und beim Fassadenschutz
Analyse des Exports von Herbiziden wie Atrazin aus Maisfeldern: Dazu wurde der Abfluss des Baches & sowie die Regenintensität aufgezeichnet.
-> Export aus Maisfeldern: erster Starkregen nach Anwendung entscheidend, kurzzeitig nach dem Regen hohe Konzentrationen und grosse Frachten von Atrazin
-> Anwendung nur bei guten Wetteraussichten-> nur nach Applikationsperiode (Auswaschung direkt nach Auftragen) nachweisbar also nicht immer gefährlich
Fassadenschutz (Fassaden können von Herbiziden befallen werden): (Diuron) während ganzer Beobachtungsperiode erhöhte Werte-> braucht neue Richtwerte da somit immer gefährlich.
Erklären Sie die Problematik von Mikroschadstoffen wie Hormonaktiven Substanzen und Arzneimittel im Wasser
Nonylphenol wirkt wie weibliches Hormon (in Sonnenöl als UV-Filter) -> Missbildungen bei Fröschen u.ä. in EU und CH beschränkt
Persistente Arnzneimittel: Röntgenkontrastmittel in Wasser kaum abgebaut, überschreitet in Rhein Grenzwert.
Antibiotika: verursachen in "hot-spots" wie Spitälern Resistenzen, entsprechende Keime später in Kläranlagen und in Umwelt-> tauschen Resistenzgene mit anderen Mikroorganismen aus
Beschreiben Sie Massnahmen gegen die Verbreitung von Mikroschadstoffen im Wasser
Abwasserreinigung mit O3 -> Fliessgewässer ausfindig machen, die zusätzliche Klärtechnik benötigen, Kläranlagen werden mit Ozonierung und Filtration ausgerüstet
Priorität: Unterlieger (leute an unterem Teil von Fluss), geringe Verdünnung, Trinkwassernutzung
Zusammenfassung: Wasser als Qualitätsprodukt mit geringen Risiken und Nebenwirkungen -> nennen Sie Massnahmen
"Front-of-pipe": Gefährliche Chemikalien substituieren, rezyklieren (Plastik, DDT, CN-, Hg)
"End-of-pipe:" Reinigungstechniken verfügbar machen, Adsorption von Arsen, Oxidation von Chemikalien etc.
"Design for environment", "grüne Chemikalien" wichtige Zielsetzungen für chemische Produktion
wie sieht die Verteilung der Abflüsse aus'
47% der Abflüsse weltweit fliessen in den Atlantik nur 27 in den Pazifik. Die Abflüsse sind vorallem in den Tropen gross.
Welche Wasserprobleme gibt es in der Menschheit?
1.1 Mrd. Menschen ohne Zugang zu sicherem Trinkwasser
2.6 Mrd: ohne Sanitäre Entsorgung
4 von 5 Personen ohne Trinkwasser leben auf dem Land
2/3 der Bevölkerung wird 2030 ohne Anschluss an die Kanalisation leben
Beschreiben Sie "Water for people"
Nur 10 % des globalen Wasserverbrauchs werden als Trinkwasser gebraucht.
Wasserqualität ist hier das Hauptkriterium
Zugang zu sicherem Trinkwasser und sanitärer Entsorgung seit 2010 als menschenrecht
Beschreiben Sie die ökologische Sanierung der Schweizer Wasserkraft
Problem: Viele Schweizer Flüsse sind dem Schwall und Sunk unterlegen, d.h. sie haben keinen Konstanten Pegel.
Problembeschreibung: Normale Wasserkraftwerke (ohne Rückhaltebecken wie Pumpspeicherkraftwerke) entlassen das Wasser das sie brauchen direkt in einen Fluss. Da sie aber nicht immer laufen hat der Fluss einen stark variierenden Wasserinput. Das führt zum Schwall und Sunk!
Massnahmen:
- Bestehende Kraftwerke ausbauen zu Pumpspeicherkraftwerken, statt neue zu bauen. (Projekt Alpine Wasserkraft bis 2050)
- Ausgleichsbecken direkt hinter dem Kraftwerk bauen um Schwall und Sunk auszugleichen. Hällt bei Schwallzeiten Wasser zurück und gibt es beim Sunk wieder in den Fluss ab.
Was sind die Probleme von Giften/Schwermetall wie Queksilber in der Nahrungskette (vorallem bei Fischen)?
Solche Stoffe sind z.T. schwer abbaubar. Kleine Fische nehmen diese auf. Grosse Fische fressen die kleinen Fische und nehmen selber die Stoffe auf. Das heisst je weiter nach hinten man in der Nahrungskette kommt desto höher ist die Konzentration von Giften/Schwermetallen im Fleisch!
Deshalb empfehlung von den Behörden nur kleine Fische zu essen.
Beschreibe die Begriffe Persistenz, Toxizität und Akkumulation und was diese Begriffe für eine Bedeutung haben.
Persistenz gibt Auskunft darüber wie Beständig eine chemischer Stoff gegenüber Abbau ist.
Toxizität: giftigkeit eines Stoffens.
Akkumulation: Annreicherung.
Ein toxischer Stoff kann sich aufgrund von seiner Hohen Persistenz in der Nahrungskette akkumulieren. Siehe Beispiel mit Fischen.
Beschreibe die allgemeine Problematik der Wasserqualität
Die Wasserqualität ist beeinflusst durch verschiedene Faktoren. Es können organische Belastungen sowie anorganische Bealstungen wie Schwermetalle sein. Diese Faktoren können natürlich sein (Arsenbelastung) aber auch durch den Menschen beeinflusst. Letzteres sollte natürlich vermieden werden.
Definieren Sie Gewässersysteme und beschreiben Sie
Flüsse: Gewässerchemie: Verwitterung, Selbstreinigung, Fliessgewässer als Lebensraum
Seen: Reaktoren für Photosynthese und Respiration, trophische Pyramiden und Nahrungsnetze
Wie entsteht Wasserknappheit und wie kann man die Wasserversorgung sichern?
Knappheit: Diskrepanz Wasserangebot und -nachfrage, Probleme bei Wasserversorgung und -entsorgung. Wasser als ökonomisches Gut und Menschenrecht.
Sicherung: Regenwasser "ernten", Meerwasser entsalzen, Kreisläufe schliessen
Beschreiben Sie die Flüsse als globales Systeme.
globaler Abfluss: ca. 1 Mio m^3/s
47% in Atlantik, 27% in Pazifik, 12% in Indischen Ozean, 8% ins Nordpolarmeer, 3% ins Mittelmeer-Schwarzmeer Becken.
Welches sind die grossen Einzugsgebiete von Flüssen weltweit?
bild, je höher die Zahl desto grösser das Einzugsgebiet
Wodurch wird die Grösse eines Flusssystems definiert und nennen Sie die 5 grössten.
Wird definiert durch: Durch die Ausdehnung des Einzugsgebiets (EZ= Mio km^2), Länge des Flusses (L= km) und den mittleren Abfluss (Q= 1000m^3/s).
1 Amazonas
2 Nil
3 Kongo
4 Mississippi
5 Amur
Welche Rolle spielen die Flüsse für das Klima?
Wichtig für langfristige Regulation des Klimas: transportieren Verwitterungs-Produkte ins Meer -> Teil wird als anorganischer C in Sedimente eingebaut -> CO2 Emissionen der Vulkane werden kompenisert.
Beschreiben Sie die chemische Zusammensetzung von Flusswasser.
wird v.a. durch Gesteinsverwitterung bestimmt. 3 wichtige Quelle f. gelöste Ionen:
1) Evaporite (NaCl, CaSO4, CaSO4*2H20) sehr gut löslich: Calciumsulfat <-> Ca2+ und Sulfat
2) Kalk-Kohlensäure-Glgw: Kalk + Kohlensäure <-> Ca2+ und 2 Hydrogencarbonat. mittlere Löslichkeit, Kalk wird im Meer wieder ausgefällt, kein Netto-effekt für atmosph. CO2
3) Silikatverwitterung (siehe eigene Frage)
Beschreiben Sie den Einfluss der Silikatverwitterung als Regulator auf das Klima.
Grobe Erklärung: Verwitterung der Silikatgestein auf Land durch Kohlensäure bindet atm. CO2 als HCO3-.
Nach dem Transport in Meer wird pro Si-Atom ein C- Atom in Sedimente eingebaut.
Vereinfachter Vorgang: Silikatverwitterung in Böden-> Transport von Hydrogencarbonat und Kieselsäure mit Flusswasser. Folgende Reaktion: Silikat + Kohlensäure + Wasser <-> Ca2+ + 2 Hydrogenkarbonat + Kieselsäure
Im Meer können durch die eingeschwemmten Produkte Kalkschalen und Diatomeen gebildet werden und sedimentieren aus. Die Rückreaktion findet statt.
Dieser Vereinfachte Vorgang findet in der Realtität komplizierter statt und baut Albit zu Kaolinit ab.
Beschreiben Sie die Ionenbilanzen von Flusstypen
basieren auf Equivalent-Konzentrationen (damit Ionen mit 2 oder dreifacher Ladung gleich gewichtet werden wie einfach geladene.) und wird so berechnet: Ladung * Konzentration.
dUrwaldflüsse aus stark verwitterten Böden liefern weiches Wasser (Wasser mit wenig Ionen), Flüsse in ariden Zonen haben hohen Salzgehalt.
Erklären Sie die Kalk-Kohlensäure Interaktion in Flüssen
Kalk + Kohlensäure -> Ca2+ und 2Hydrogenkarbonat (Abbau Reaktion von Biomasse wie Kalkschale)
Flusssysteme heterotroph: meist mehr Biomasse mineralisiert als produziert, d.h. in den Flüssen wird mehr Biomasse durch Mikroorganismen abgebaut und in seine Mineralischen Bestandteile zerlegt, als Biomasse aufgebaut. Oft Flusswasser stark übersättigt bezügl. CO2. Ausser tropische Flüsse, denn die Böden in den Tropen haben keinen Kalk mehr der in die Flüsse gelangen könnte, oder aus dem Biomasse bestehen könnte.
Wie funktioniert die Abwasser-Selbstreinigung von Flüssen?
Bakterien und Abwasserpilz (Sphaerotilus) entfernen den leicht abbaubaren Kohlenstoff aus dem Abwasser. O2 wird verbraucht und aus Harnstoff wird Ammonium freigesetzt-> toxisch. Zusammen mit Phosphat beide (Harnstoff und Ammonium) als Nährstoffe für Algen. Mit O2 wird Ammonium zu NO3- oxidiert und nitrifiziert-> Nitrat weiterhin Nährstoff, aber nicht toxisch. Algen produzieren O2, führen natürliche Reinigung zu Ende.
(Abfolge von Wasserorganismen-> Saprobie (umgekehrt prop. zu O2sättigung, Mass für den Gehalt von organischen, mit O2 leicht abbaubaren Substanzen) komisch
Erklären Sie den Vorgang von Kläranlagen
Abbau von organischem Material
Nitrifikation (um toxisches Ammonium raus zu kriegen)
Denitrifikation (Um Nitrate rauszukriegen, dass wasser nicht zu starkt gedüngt)
Phosphatfällung mit Eisensalzen (Auch Phosphat wirkt als Dünger, muss auch raus)
Methanogenese (Methanbildung duch Organismen) im Faulschlamm (Abbau von organischem Material)
Nennen Sie einige Verbesserungen in unserer Umgebung was Abwasser und Wasserverschmutzung angeht
Zürich: -25% Wasserverbrauch in 20 Jahren, Schlammfaulung deckt 80% Strom- und 100% Wärmeverbrauch der ARA
Rhein: Weniger P (Waschmittel), verbesserte O2 und Ammoniak-Konzentrationen (Kläranlage), langsame Erfolge bei NO3- Reduktion (Dünger, Denitrifikation)
Wo und inwiefern sind steigende Nährstofffrachten heute problematisch?
Nährstofffracht: im Abwasser mitgeführte Nährstoffe (z.B. Nitrate, Phosphate, Kalium)
V.a. in Südasien-> führen zu Überdüngung der Küstenmeere, toxischen Algenblüten und Sauerstoffmangel am Sediment (gelöster anorganischer N und P seit 1970 fast verdoppelt)
Nennen Sie Gegenmassnahmen im Bezug auf Küsteneutrophierung
Mehr Kläranlagen mit mehr Anschluss
Weniger Düngereinsatz in Landwirtschaft
Düngereffizienz verbessern
Abwassernährstoffe in Landwirtschaft einsetzen
Erklären Sie die wichtigkeit von Vernetzung bei Fliessgewässern sowie die Folgen des Eingriffs des Menschen in den Flussverlauf.
Vernetzungsordnung von Fliessgewässern: Von Quelle aus bestimmt, nimmt zu, wenn Fluss gleicher Ordnung zufliesst.
Funktionsfähige Fliessgewässer zeigen intensiven Austausch mit Grundwasser und wenig Barrieren in Längsrichtung.
Flusshabitate und Auenlandschaften nehmen ab: Dämme, Kraftwerke ausgebaut. In Schweiz 8 ausgestorbene Fisch- und Neunaugen-Arten.
Nennen Sie die wichtigsten Faktoren für das Fischsterben
Habitatsverlust, eingeschleppte Arten, Überfischung, Gewässerverschmutzung
Biodiversitätsverlust: weltweit nur wenige Naturnahe Flussgebiete in Arktis, Amazonas- und Kongobecken und Nordaustralien.
Erklären Sie Temperatur und Dichte des Tanganyika und Baikal Sees
Tanganyika: tropisch, an tiefster Stelle ca 23.3°C, an Oberfläche ca 26°C.
Baikal: sibirisch, an tiefster Stelle ca 3.3°C, an Oberfläche 5.6°C warm.
Dichteschichtung im tropischen See bei gleicher Temperaturdifferenz um Mehrfaches stabiler
Beschreiben Sie den Zusammenhang zwischen den Sauerstoffprofilen des Tanganyika und Baikal-Sees
geschichtete Seen: Algenproduktion an Oberfläche ist von Respiration durch Bakterien in der Tiefe entkoppelt. Aus 1kg bioverfügbarem Phosphor kann 1t Algen wachsen. Sauerstoffprofile: löslichkeit von Gasen steigt mit sinkender Temperatur
Baikal: saisonaler Eiszyklus & schwache Schichtung-> gut gemischt
Tanganyika: permanent geschichtet, in Tiefe anaerob. Thermodynamik bestimmt den Lebensraum. (bild)
Erklären Sie das Plankton-Paradox
Seen sind super-uniforme Lebensräume, trotzdem so grosse Diversität bei Plankton. Arten entwickeln deshalb spezialisierte Überlebensstrategien:
Plankton hat kurze Lebenszyklen,
Licht, Temp, Mischung und Nährstoffe fluktuieren
Ökosystem läuft über komplexe Räuber-Beute und Wirt-Parasit-Beziehungen
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Cartes-fiches
Definieren Sie Gewässersysteme und beschreiben Sie
Flüsse: Gewässerchemie: Verwitterung, Selbstreinigung, Fliessgewässer als Lebensraum
Seen: Reaktoren für Photosynthese und Respiration, trophische Pyramiden und Nahrungsnetze
Wie entsteht Wasserknappheit und wie kann man die Wasserversorgung sichern?
Knappheit: Diskrepanz Wasserangebot und -nachfrage, Probleme bei Wasserversorgung und -entsorgung. Wasser als ökonomisches Gut und Menschenrecht.
Sicherung: Regenwasser "ernten", Meerwasser entsalzen, Kreisläufe schliessen
Beschreiben Sie die Flüsse als globales Systeme.
globaler Abfluss: ca. 1 Mio m^3/s
47% in Atlantik, 27% in Pazifik, 12% in Indischen Ozean, 8% ins Nordpolarmeer, 3% ins Mittelmeer-Schwarzmeer Becken.
Welches sind die grossen Einzugsgebiete von Flüssen weltweit?
bild, je höher die Zahl desto grösser das Einzugsgebiet
Wodurch wird die Grösse eines Flusssystems definiert und nennen Sie die 5 grössten.
Wird definiert durch: Durch die Ausdehnung des Einzugsgebiets (EZ= Mio km^2), Länge des Flusses (L= km) und den mittleren Abfluss (Q= 1000m^3/s).
1 Amazonas
2 Nil
3 Kongo
4 Mississippi
5 Amur
Welche Rolle spielen die Flüsse für das Klima?
Wichtig für langfristige Regulation des Klimas: transportieren Verwitterungs-Produkte ins Meer -> Teil wird als anorganischer C in Sedimente eingebaut -> CO2 Emissionen der Vulkane werden kompenisert.
Beschreiben Sie die chemische Zusammensetzung von Flusswasser.
wird v.a. durch Gesteinsverwitterung bestimmt. 3 wichtige Quelle f. gelöste Ionen:
1) Evaporite (NaCl, CaSO4, CaSO4*2H20) sehr gut löslich: Calciumsulfat <-> Ca2+ und Sulfat
2) Kalk-Kohlensäure-Glgw: Kalk + Kohlensäure <-> Ca2+ und 2 Hydrogencarbonat. mittlere Löslichkeit, Kalk wird im Meer wieder ausgefällt, kein Netto-effekt für atmosph. CO2
3) Silikatverwitterung (siehe eigene Frage)
Beschreiben Sie den Einfluss der Silikatverwitterung als Regulator auf das Klima.
Grobe Erklärung: Verwitterung der Silikatgestein auf Land durch Kohlensäure bindet atm. CO2 als HCO3-.
Nach dem Transport in Meer wird pro Si-Atom ein C- Atom in Sedimente eingebaut.
Vereinfachter Vorgang: Silikatverwitterung in Böden-> Transport von Hydrogencarbonat und Kieselsäure mit Flusswasser. Folgende Reaktion: Silikat + Kohlensäure + Wasser <-> Ca2+ + 2 Hydrogenkarbonat + Kieselsäure
Im Meer können durch die eingeschwemmten Produkte Kalkschalen und Diatomeen gebildet werden und sedimentieren aus. Die Rückreaktion findet statt.
Dieser Vereinfachte Vorgang findet in der Realtität komplizierter statt und baut Albit zu Kaolinit ab.
Beschreiben Sie die Ionenbilanzen von Flusstypen
basieren auf Equivalent-Konzentrationen (damit Ionen mit 2 oder dreifacher Ladung gleich gewichtet werden wie einfach geladene.) und wird so berechnet: Ladung * Konzentration.
dUrwaldflüsse aus stark verwitterten Böden liefern weiches Wasser (Wasser mit wenig Ionen), Flüsse in ariden Zonen haben hohen Salzgehalt.
Erklären Sie die Kalk-Kohlensäure Interaktion in Flüssen
Kalk + Kohlensäure -> Ca2+ und 2Hydrogenkarbonat (Abbau Reaktion von Biomasse wie Kalkschale)
Flusssysteme heterotroph: meist mehr Biomasse mineralisiert als produziert, d.h. in den Flüssen wird mehr Biomasse durch Mikroorganismen abgebaut und in seine Mineralischen Bestandteile zerlegt, als Biomasse aufgebaut. Oft Flusswasser stark übersättigt bezügl. CO2. Ausser tropische Flüsse, denn die Böden in den Tropen haben keinen Kalk mehr der in die Flüsse gelangen könnte, oder aus dem Biomasse bestehen könnte.
Wie funktioniert die Abwasser-Selbstreinigung von Flüssen?
Bakterien und Abwasserpilz (Sphaerotilus) entfernen den leicht abbaubaren Kohlenstoff aus dem Abwasser. O2 wird verbraucht und aus Harnstoff wird Ammonium freigesetzt-> toxisch. Zusammen mit Phosphat beide (Harnstoff und Ammonium) als Nährstoffe für Algen. Mit O2 wird Ammonium zu NO3- oxidiert und nitrifiziert-> Nitrat weiterhin Nährstoff, aber nicht toxisch. Algen produzieren O2, führen natürliche Reinigung zu Ende.
(Abfolge von Wasserorganismen-> Saprobie (umgekehrt prop. zu O2sättigung, Mass für den Gehalt von organischen, mit O2 leicht abbaubaren Substanzen) komisch
Erklären Sie den Vorgang von Kläranlagen
Abbau von organischem Material
Nitrifikation (um toxisches Ammonium raus zu kriegen)
Denitrifikation (Um Nitrate rauszukriegen, dass wasser nicht zu starkt gedüngt)
Phosphatfällung mit Eisensalzen (Auch Phosphat wirkt als Dünger, muss auch raus)
Methanogenese (Methanbildung duch Organismen) im Faulschlamm (Abbau von organischem Material)
Nennen Sie einige Verbesserungen in unserer Umgebung was Abwasser und Wasserverschmutzung angeht
Zürich: -25% Wasserverbrauch in 20 Jahren, Schlammfaulung deckt 80% Strom- und 100% Wärmeverbrauch der ARA
Rhein: Weniger P (Waschmittel), verbesserte O2 und Ammoniak-Konzentrationen (Kläranlage), langsame Erfolge bei NO3- Reduktion (Dünger, Denitrifikation)
Wo und inwiefern sind steigende Nährstofffrachten heute problematisch?
Nährstofffracht: im Abwasser mitgeführte Nährstoffe (z.B. Nitrate, Phosphate, Kalium)
V.a. in Südasien-> führen zu Überdüngung der Küstenmeere, toxischen Algenblüten und Sauerstoffmangel am Sediment (gelöster anorganischer N und P seit 1970 fast verdoppelt)
Nennen Sie Gegenmassnahmen im Bezug auf Küsteneutrophierung
Mehr Kläranlagen mit mehr Anschluss
Weniger Düngereinsatz in Landwirtschaft
Düngereffizienz verbessern
Abwassernährstoffe in Landwirtschaft einsetzen
Erklären Sie die wichtigkeit von Vernetzung bei Fliessgewässern sowie die Folgen des Eingriffs des Menschen in den Flussverlauf.
Vernetzungsordnung von Fliessgewässern: Von Quelle aus bestimmt, nimmt zu, wenn Fluss gleicher Ordnung zufliesst.
Funktionsfähige Fliessgewässer zeigen intensiven Austausch mit Grundwasser und wenig Barrieren in Längsrichtung.
Flusshabitate und Auenlandschaften nehmen ab: Dämme, Kraftwerke ausgebaut. In Schweiz 8 ausgestorbene Fisch- und Neunaugen-Arten.
Nennen Sie die wichtigsten Faktoren für das Fischsterben
Habitatsverlust, eingeschleppte Arten, Überfischung, Gewässerverschmutzung
Biodiversitätsverlust: weltweit nur wenige Naturnahe Flussgebiete in Arktis, Amazonas- und Kongobecken und Nordaustralien.
Erklären Sie Temperatur und Dichte des Tanganyika und Baikal Sees
Tanganyika: tropisch, an tiefster Stelle ca 23.3°C, an Oberfläche ca 26°C.
Baikal: sibirisch, an tiefster Stelle ca 3.3°C, an Oberfläche 5.6°C warm.
Dichteschichtung im tropischen See bei gleicher Temperaturdifferenz um Mehrfaches stabiler
Beschreiben Sie den Zusammenhang zwischen den Sauerstoffprofilen des Tanganyika und Baikal-Sees
geschichtete Seen: Algenproduktion an Oberfläche ist von Respiration durch Bakterien in der Tiefe entkoppelt. Aus 1kg bioverfügbarem Phosphor kann 1t Algen wachsen. Sauerstoffprofile: löslichkeit von Gasen steigt mit sinkender Temperatur
Baikal: saisonaler Eiszyklus & schwache Schichtung-> gut gemischt
Tanganyika: permanent geschichtet, in Tiefe anaerob. Thermodynamik bestimmt den Lebensraum. (bild)
Erklären Sie das Plankton-Paradox
Seen sind super-uniforme Lebensräume, trotzdem so grosse Diversität bei Plankton. Arten entwickeln deshalb spezialisierte Überlebensstrategien:
Plankton hat kurze Lebenszyklen,
Licht, Temp, Mischung und Nährstoffe fluktuieren
Ökosystem läuft über komplexe Räuber-Beute und Wirt-Parasit-Beziehungen
Erklären Sie die H20 Versorgungslücke
Nachfrage steigt 2% pro Jahr, bis 2030 droht in der globalen Wasserwirtschaft eine Versorgungslücke von 40%
Beschreiben Sie den Wasserverbrauch der Sektoren von 1900-2000
ca um das 5-fache gestiegen.
10% Verbrauch Menschen, 20% Industrie, 70% Agrar
Verbrauch USA (366m^3)> als Europa (232m^3)> als Afrika (25m^3) pro Person und Jahr
Beschreiben Sie den Wasserverbrauch im Industriesektor
wichtige Verbraucher: Papier-, Stahl-, Chemie- und Energieversorgung
Wachstum im Süden, Einsparungen in Industrieländern durch Übergang zur Dienstleistungsgesellschaft.
Hauptkirterium: Wasserpreis
Beschreiben Sie den Wasserverbrauch im Agrarsektor
20% der Agrarfläche wird bewässert und produziert 40% der Produkte
Rest durch Regen bewässert. Bewässerte Fläche pro Kopf hat abgenommen!
Investitionen in Bewässerung sehr hoch.
1m^3 Wasser für 1kg Getreide
Bild: Anteil bewässertes Land
Beschreiben Sie den Wasserverbrauch für Energie
0.5 Mio km^2 überflutetes Land (Fläche Kaspisches Meer) für Energie
Ökologische Kosten der Wasserkraft: Fragmentierung der Habitate! Sehr grosses Problem, siehe Grafik!
Bild: Anteil Flussstrecken in &, die durch Wasserkraft beeinträchtigt sind
Erklären Sie Wasserstress und -knappheit und beschreiben Sie, wo dieser auftritt
Genügend Versorgung >1700m^3
Wasserstress 1000-1700m^3
Wasserknappheit 500-1000m^3
Extreme Knappheit <500m^3 pro Person pro Jahr
5 Länder mit grösstem Stress: Ägypten, Arab. Emirate, Arabien, Libyen, Mauretanien (von 30 - 190 m^3 pro Person pro Jahr)
Erklären Sie die Begriffe virtuelles Wasser und Wasser-Fussabdruck
virtuelles Wasser: wie viel Wasser für die Produktion einzelner Produkte benötig wurde (Bsp: 1 Scheibe Brot 40l, 150g Hamburger 2400l)
Wasserfussabdruck wird für eine Nation bestimmt und wird wie folgt berechnet: WFA=VL + VI + VH + VWI - VWE (Verbrauch Landwirtschaft + Industrie + Haushalte + virtueller Wasserimport - Virtueller Wasserexport)
Virtueller Wasserimport und Export findet durch den Imprt/Export von Gütern statt welche Wasser benötigt haben bei der Herstellung.
Grafik: Wasserfussabdruck der Nationen
Nennen Sie ein Beispiel eines Wassernutzungskonflikts
Wassernutzung Euphrat:
Türkei in Anatolien-> Ausbau der Wasserkraft und Bewässerung
Syrien-> Bewässerungsprojekte
Irakt: Fast kein Wasser kommt mehr dort an, weil beide Länder oberhalb so viel Wasser brauchen
Das ganze wird mit Zunehmender Trockenheit in dieser Region (verursacht durch Klimawandel) zu starken politischen Spannungen führen. In Zukunft Kriege um Wasser.
Erklären Sie, warum optimierte Wassernutzung wichtig ist (Bsp Indien + Massnahmen)
Bewässerung
Schwellenländer am Bsp. Indien: werden in Zukunft aufstreben und viel Wasser brauchen, Wassermengen aber schon ziemlich ausgenutzt (Oberflächenwasser sind praktisch vollständig ausgenutzt): gibt Lücke von ca 60% für 2030 (business-as-usual approach)
Massnahmen:
- Steigerung der Wasser-Effizienz durch z.b. andere Bodenbearbeitung, genetisch modifizierte Sorten, verbesserte Düngung. Meist relativ billig.
- Massnahmen um das Wasserangebot zu verbessern können nur zu 1/3 die Versorgungssicherheit verbessern und sind sehr teuer.
- Wirkungsgrad der Massnahmen jedoch Abhängig von Poilitischen Entscheidungen wie z.B. ob Bauern oder Agrarfirmen bevorzugt unterstützt werden. (siehe nächster Punkt)
- Kleinbauern: Statistisch 5-facher Ertrag möglich bei max 2000 $/ha Infrastrukturkosten, braucht Marktzugang und Düngemittel
- Industrie: Investitionskosten von 10'000 $/ha noch profitabel wirtschaftbar. Ausdehnung passender Flächen begrenzt, braucht Strassen und Nähe zu Städten
Nennen Sie zwei Massnahmen und Methoden für die verbesserte Wassernutzung in der Landwirtschaft am Beispiel von Indien
Regenwasser ernten: Rainwater harvesting, z.B. Regenwasser in Tanks unter Feld speichern.
Ecological sanitation: aus Fäkalien Dünger gewinnen. Trenn-Wc: Aus Urin Nährsoffe gewinnen:zugabe von Mg2+, fällt als Struvit aus. Struvit fällt grössten Teil von P aber nur einen Teil des N im Verhältnis 1:1, getrocknetes Produkt kann als Landwirtschaftlicher Dünger verkauft werden.
Beschreiben Sie die ökologische Sanierung der Schweizer Wasserkraft
Problem: Flüsse die zur Stromproduktion genutzt werden führen oft wenig bis gar kein Wasser mehr.
Massnahme 1: Restwasser
Deshalb wurde in der Bundesverfassung festgeschrieben, dass die Flüsse immer eine Restwassermenge führen müssen. 1991: revidiertes Gewässerschutzgesetz mit Sanierungsfrist 2007 (seit 2003 verlängert auf 2012).
Die Restwassermengen welche erreicht werden wollen basieren auf Abflussdauerkuven und Q347 (legt fest, dass ein Abfluss einen bestimmten Wert an 347 Tagen im Jahr überschreiten muss.)
Nennen Sie die wichtigsten Kennzahlen im Bezug auf Wasserverbrauch (Zusammenfassung)
Globaler Wasserverbrauch wächst um 2% pro Jahr:
70%Bewässerungslandwirtschaft, 20%Industrie, 10%Haushalte
Wasserknappheit 500-1000 m^3/person und Jahr entspricht minimal nötiger Nahrungsproduktion
Wasserfussabdruck 500-2500 m^3/Person und Jahr
Nennen Sie 3 Schadstoffe und erklären Sie das Verhalten
DDT: Dichlordiphenytrichlorethan-> Insektizid das in 60er Jahren die Singvögel der USA gefährdet (silent spring), hat sich in Nahrungskette angereichert, Vögel frassen kontaminierte Insekten.
Benzpyrene (in Sedimenten im Zürichsee von altem Gaswerk Thalwil): krebsfördernde Nebenprodukte von Verbrennungsprozessen, finden sich in Altlasten von Gaswerken und Städtischen Aerosolen.
Dimethylquecksilber (Kann sich in Speisefischen anreichern, je grösser der Fisch, desto mehr drin): entsteht anaerob mikrobiell aus Hg-Ionen, Substanz kann die Blut-Hirnschranke passieren: Nervengift
Umweltverhalten (Verteilung, Reaktivität, Toxizität) hängt von thermodynamischen Eigenschaften ab: diese 3 Substanzen sind hydrophob und schlecht abbaubar: hohes Risiko der Anreicherung in der Nahrungskette.
Beschreiben Sie die Problematik der Goldförderung
Es braucht sehr viel Material um reines Gold zu erhalten (riesige Abraumhalden und grosser Ressourcenverbrauch). Die Erz-Qualität nimmt laufend ab, der Chemie-Einsatz steigt.
Gold wird mit Cyanid gewonnen (löst sich in Cyanid)-> Chemie-Unfall in Rumänischen Karpathen 2000: Cyanid gelangt in Fluss Theiss (Fehler. Damm hielt nicht, Zyklone versagen im Winter, kein Platz für Regenwasser) -> 24 Wasserwerke ausser Betrieb, 4 kontaminiert, 1200t Fische in ungarischen Theiss gestorben, Verdünnung & Abbau kein Fischsterben in Donau, rasche Wiederbesiedelung
Nennen Sie mögliche Lösungen für die Problematik des Zyanids im Goldbergbau
Substitution: Durch Thioharnstoff (teuer, hoher Verbrauch, schwere Rückgewinnung)/ durch Thiocyanate (effektiv, Entwicklung nötig)
Elimination: Durch INCO Prozess: Schwefeldioxid mit Cu Katalysator / Mikrobieller Abbau mit Nährstoffen und pH-Kontrolle
Erklären Sie die Arsen-Problematik
Risikogebiete: Arsen kommt im Grundwasser von Flusstälern und -deltas Südostasiens vor-> Arsen löst sich im anaeroben Wasser (kann in Anwesenheit von O2 abgebaut werden), Grenzwerte werden weit überschritten
Bangladesh: Grundwasserbrunnen gebohrt, sodass Landbevölkerung nicht auf Oberflächenwasser angewiesen ist-> Kindersterblichkeit um 50% runter. Allerdings: chronische Arsenvergiftung ausgebreitet (Pigmentierung Hände/Füsse, Krebs Leber/Niere).
Massnahme: Trinkwasseraufbereitung durch Adsorption an Oxid-Partikel: Eisenrost oder Aluminiumhydroxid-Partikel aus Nanoteilchen-> grosse Oberfläche, um Arsen aus Wasser zu entfernen. Technologie in Bangladesh: Sand+Eisenpartikel in Petflaschen gefüllt, Wasser von oben nach unten durchrieseln lassen, Trinkwasser wird an rostigen Eisenoberfläche adsorbiert.
Beschreiben Sie Plastik und die Problematik der Akkumulation im Meer
Plastik: Produktions-Wachstumsrate 9%, Herstellung aus Erdöl (8% des Erdöls), 1/3 für Wegwerfprodukte.
Konzentration von Plastikmüll im Ozean steigt, vorallem der Kleinstpartikel (<20 μm).
Tiere fressen Plastikmüll, in einigen Gemeinschaften >95% der Individuen betroffen. Tiere bekommen dadurch ein Sättigungsgefühl, fressen nichts mehr richtiges und verhungern.
Meerestiere "gefesselt" (Durch netzreste o.Ä.), Invasive Arten verbreiten sich über Plastikmüll.
Badespielzeug (Plastikentchen) als Tracer für Ozeanströme (Fracht geht im Nord-Pazifik über bord, 10 Monate später in Alaska, 15 jahre später strandet Ente in England)
Nennen Sie mögliche Massnahmen gegen die Meeresverschmutzung mit Plastik
Verbrauch reduzieren:
Optimierte Verpackung, Wiederverwertbare Materialien, Recycling (PET: Nachfüllflaschen, Energieeinsparung: closed-loop recycling, semi-closed loop recycling: Sportkleidung
Bioplastik: zersetzt sich selbst (z.B. Polymilchsäure
Beschreiben Sie, wie die Substitution von DDT belegt werden können
In Seesedimentkernen: Substanz wird kaum abgebaut, deshalb verlässliche Archive-> belegen Substitution von DDT um 1970
Erklären Sie den Einsatz von Herbiziden im Maisanbau und beim Fassadenschutz
Analyse des Exports von Herbiziden wie Atrazin aus Maisfeldern: Dazu wurde der Abfluss des Baches & sowie die Regenintensität aufgezeichnet.
-> Export aus Maisfeldern: erster Starkregen nach Anwendung entscheidend, kurzzeitig nach dem Regen hohe Konzentrationen und grosse Frachten von Atrazin
-> Anwendung nur bei guten Wetteraussichten-> nur nach Applikationsperiode (Auswaschung direkt nach Auftragen) nachweisbar also nicht immer gefährlich
Fassadenschutz (Fassaden können von Herbiziden befallen werden): (Diuron) während ganzer Beobachtungsperiode erhöhte Werte-> braucht neue Richtwerte da somit immer gefährlich.
