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Globale Wasserprobleme Was unternimmt die Forschung ? SSHV

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Globale Wasserprobleme
Was unternimmt die Forschung ?
Prof. Dr. Rik I.L. Eggen, Stv. Direktor
SSHV Fachtagung 30. Juni 2011
Eawag, das Wasserforschungsinstitut im ETH
B
Bereich
i h
Dübendorf bei Zürich
Kastanienbaum bei Luzern
SP
P-Ene
ergieg
gipfel an de
er Eaw
wag
Der ETH-Bereich
Eawag
Statistiken (2010)
Personelles
• 8 Ordentliche Professuren (1 EPFL, 1 EPFL / ETH
Zü i h 5 ETH Zü
Zürich,
Zürich,
i h 1U
Universität
i
ität B
Bern))
• 1 SNF Professur
• 1 Assistenz Professur an der EPFL
• 14 Titular Professuren (1 EPFL)
• 178 Wissenschaftler (+71 TechnikerInnen)
Betreuung Studierende
• 153 PhD Studierende
• 142 Bachelors & Master Studierende
Publikationen, Spin-offs, Zweit- und Drittmittel
• Publikationen: 259 ISI,
ISI 72 nicht-ISI,
nicht ISI 89 weitere
• Zusammen mit der ETH Zürich 1 Spin-off
• 14.4 Mio. CHF Zweit- und Drittmittel
Die grosse Herausforderung !
M
Massnahme
h
Entscheidungsprozesse
menschliche Bedürfnisse
ökosystemische
Dienstleistung
Wie können die menschlichen Bedürfnisse für Wasser erfüllt
werden während die ökosystemischen Dienstleistungen der
Wasserumwelt bestehen bleiben?
Die grosse Herausforderung !
Wasser für
W
fü M
Menschen
h
Welche Systeme und Technologien der Trinkwasserversorgung und
Abwasser-reinigung können dem Druck durch wachsende
Bedürfnisse, Mikroverunreinigungen und Klimawandel am besten
standhalten?
Gewässer als Ökosysteme
Wie passen sich Gewässersysteme an die menschlich verursachten
Belastungen an und wo sind die Grenzen? Wie können Belastungen
vermindert
i d t und
d die
di B
Belastbarkeit
l tb k it d
der Ök
Ökosysteme
t
gestärkt
tä kt werden?
d ?
Balance zwischen Nutzung und Schutz
Mit welchen Strategien und Massnahmen können die Ansprüche der
Menschen so befriedigt werden, dass die Biodiversität und die
Funktionen der Gewässerökosysteme erhalten bleiben?
WASSER
Ist Lebensgrundlage
Lebensgr ndlage
Ist ein Menschenrecht
Ist das blaue Gold
Ist ein globales Problem
Wasserkreislauf
http://www.judo.eu/judo/DE/Produktinfos/EinMehrfamilienhaeuser/WarumWasseraufbereitung.php
Wassermenge
g - Wasserverteilung
g
0.03% für Trinkwasser
Quelle: helvetas
Wasserknappheit 2009 - 2050
Bevölkerung 2000: 6 Milliarden
Wasserknappheit für
436 Mio. Menschen = 7.3 %
Bevölkerung 2050: 9 Milliarden
Wasserknappheit
pp
für
2250 Mio. Menschen = 25 %
Quelle: worldmapper
Wasserkreislauf – Eingriffe
g
durch Menschen
Die lokalen Wasserprobleme was unternimmt die Forschung?
- Infrastruktur (Abwasser – Trinkwasser)
- Mikroverunreinigungen / Nanopartikel
- Wasserkraft (Fragmentierung, Schwall-Sunk, Restwasser)
- Renaturierungen - Hochwasserschutz
- Biodiversität, Globalisierung – Einwanderung von neue Arten
Trinkwasser - Abwasser - Wasserquelle - Trinkwasser
Trinkwasser
Schadstoffe aus
Siedlungen
Aufbereitung
f
Grundwasser
Aufbereitung
Abwasser
Kläranlagen
Oberflächenwasser
Schadstoffe
S
h d t ff aus d
der
Landwirtschaft
Schadstoffe aus Siedlungen
g
Chemikalien – unsere täglichen
g
Begleiter
g
Schmerzmittel
Diclofenac,, ein Medikament
Chemikalien
C
e
a e –u
unsere
se e täg
täglichen
c e Begleiter
eg e te
Arzneimittelverschreibungen nach Alter
1200
1000
800
600
400
200
5-
<5
<
10 10
-<
15 15
-<
20 20
-<
25 25
-<
30 30
-<
35 35
-<
40 40
-<
45 45
-<
50 50
-<
55 55
-<
60 60
-<
65 65
-<
70 70
-<
75 75
-<
80 80
-<
85 85
-<
90
>=
90
0
0-
Anzzahl der V erschreibu
ungen
1400
Altersgruppe
(Nach Schwabe und Paffrath, Deutscher Arzneiverordnungsreport 2005)
Chemikalien – unsere täglichen
g
Begleiter
g
Seife
Triclosan, ein Biozid
Chemikalien – unsere täglichen
g
Begleiter
g
Parfüm
Galaxolid,, ein Duftstoff
Chemikalien – unsere täglichen Begleiter25
Süsser Kaffee
Sucralose,, ein Süssstoff
Chemikalien – unsere täglichen
g
Begleiter
g
Biozide und
Bauchemikalien
Mecoprop,
p p, ein Pestizid
Eintrag
g von Schadstoffen
Chemikalien – unsere täglichen
g
Begleiter
g
• Arzneistoffe
• Biozide, Pestizide
• Duftstoffe
• Nahrungsmittelzusatzstoffe
• Waschaktive Substanzen
• …- synthetische Nanopartikel
• …- aus Siedlungen
S
und LW
Sanitäreinrichtungen - Abwasserbehandlung
Elimination von Nährstoffen für (Stickstoff, Kalium,
Phosphat)
Reduktion Verseuchung (Trink)-Wasserquellen mit
mikrobiellen
ik bi ll K
Krankheitserregern
kh it
(R
(Ressourcenschutz)
h t )
„grösste medizinische Fortschritt der letzten 166 Jahren“
Elimination von Schadstoffen
Eutrofierung
g der Seen
Elimination von Schadstoffe – Abwasserbehandlung
ist nicht perfekt
Beispiel: Schmerzmittel
Diclofenac
Stoffflussmodell
Stoffflussmodell,
Bsp. Diclofenac
Verbrauchsmengen Schweiz
4000 kg a-1
Anteil in Kanalisation
15%
Menge
g p
pro Einwohner
235 g d-1
Menge auf ARA
Elimination auf ARA
Verhalten im Gewässer
25%
175 g Ed-1
Situationsanalyse: Verifikation der
Modellstudie mit Messungen
200
100
50
1'000'000
Beispiel:Diclofenac in
Fliessgewässern
500'000
200'000
20
*
10
100'000
100
000
50'000
5
20'000
2
10'000
1
1
2
5
10
20
50
100
200
Gemessene Frachten
[g/d] [g/d]
In Fliessgewässerproben
gemessen
Für details: Ort et al. (2009) ES&T
Catch
hment
size
[# inh
hab.]
Grös
sse Einzu
gsgebiet
[E]
Berec
chnete F
Frachten [g/d]
Modellvorhersage
vs. Messungen
Diclofenac
Situationsanalyse: „Konzentrations“-Problematik Verdünnung des Abwassers im Oberflächengewässer
QN*
Gleiches Bild für bestimmte Antibiotika
(Sulfamethoxazol Clarithromycin),
(Sulfamethoxazol,
Clarithromycin)
Östrogene (natürliche und synthetische),
Insektizide ((Diazinon),
) u.a.
*Jahnel et al. 2006, Bund/Länder-Arbeitsgemeinschaft Wasser (LAWA) in Deutschland
Beispiel:
p
Hormone aus Siedlungen
g
Estrogene Aktivität vor und nach ARAs
60
40
EEQ
Q (ng/POCIS
S)
20
15
12
9
6
3
0
upstream
Flussaufwärts
ARA
2.0
downstream
1.0
Flussabwärts
ARA
Vermeirssen et al. 2005
Mikro oder Makro Verunreinigung – sind tiefe
Konzentrationen relevant?
1000
100
10
1
“Kilogramm im Zürichsee”
1000
100
10
1
“Tonnen im Zürichsee”
Mikro oder Makro Verunreinigung?
g g
“Mikro”
“Makro”
1000
100
10
1
z.B. Sucralose
Galaxolid
Mecoprop
Triclosan
Diclofenac
z B Phosphor
z.B.
1000
100
10
1
Das Beispiel der östrogenen Wirkung
• Intersex bei Fischen im Abstrom von Kläranlagen
P Faller et al
P.
al., Eawag
Eawag, 2003
Hypothese: Ursache sind Chemikalien,
Chemikalien die wie das weibliche
Geschlechtshormon Östradiol wirken.
Das Beispiel der östrogenen Wirkung
2001
Zugabe
ethinylestradiol,
äquivalent zu 36 kg
g im
Zürichsee
2002
2003
Kidd et al., 2007. PNAS, 104, 8897-8901.
Massnahmen
Warum?
- Negative Effekte in den Gewässern
- Vorsorgeprinzip
g p
p
- Oberlieger Verantwortlichkeit
Was ?
- an der Quelle
- technisch
- verhalten
h l
- bei Kläranlagen
Novaquatis: Forschung über Urinseparierung
(NoMix-WC)
• verringert Nährstofffracht auf
Kläranlage
• verbessert
b
t Gewässerschutz
G ä
h t
• schliesst Nährstoffkreislauf
• spart Wasser
• erhöht Flexibilität
Novaquatis – Massnahme an der Quelle:
I
Interdisziplinäre
di i li ä Forschung
F
h
in
i acht
h Arbeitspaketen
Ab i
k
http://www.novaquatis.ch/index
Novaquatis
q
– Aufbereitung
g von Urin
Ziele z.B.
• Nährstoffe entfernen oder
rückgewinnen, Mikroverunreinigungen entfernen,
Volumen reduzieren etc.
Verfahrenstechnik z.B.
• Biologisch (Nitrifikation)
• Chemisch (P-Fällung)
• Physikalisch (Membranen)
 Grosse Flexibilität!
Struvit (MgNH4PO4)
Struvit als Dünger
g
Quelle: Martin Koller, FiBL
Weitergehende Prozesse und Verfahren in den
Abwasserreinigungsanlagen (ARA)
chemisch-physikalisch
• Pulveraktivkohle
• Aktivkohlegranulat
weitergehende
Elimination von
Spurenstoffen
chemisch-oxidativ
chemisch
oxidativ
• Chlorung
• UV
• H2O2 / UV
• Fentons Reagenz
• Ozonierung
physikalisch
• Flockung
• Fällung
• Ionentauscher
• Membranfiltration
• Sandfiltration
biologisch(-physikalisch)
• Sandfiltration
• Fest- / Wirbelbett
• Bodenpassage
• Wetland
Pilotanlage zur Ozonung
Ozonung, ARA Wüeri in Regensdorf
Furtbach
Unterhalb
ARA
Ablauff
Abl
Vorklärung Belebtschlammverfahren
Vorklärung
Ablauf
Ozonung
Ablauff
Abl
Nachklärung
Sedimentation
O3
38 m3
Sand
Ablauff
Abl
filtration
Sandfilter
hydraulische
h
d li h A
Aufenthaltszeit:
f th lt
it
3-15 min
Probenahmestellen
• 5500 m3 Abwasser pro Tag bei
Trockenwetter
• 25.000 Einwohnergleichwerte
Oberhalb
ARA
Mechanismus der Ozonreaktion mit Abwasser
OH●
 Stark oxidierendes Gas
 Selektive Reaktion mit
Doppelbindungen
Aktivierten Aromaten
Amine, etc.
 Bildet Hydroxylradikale (OH.) mit
Wasser und der organischen
g
Abwassermatrix
unselektiv
Eliminationseffizienz Spurenstoffe
bei 0
0,6
6 g Ozon / g DOC
• ca. 55 von 220 Substanzen g
gefunden im Ablauf Nachklärung
g
• nach Ozonung noch 11 Substanzen > 100 ng/L (u.a. Sucralose)
• 4040 50 % Eli
Elimination
i ti d
der S
Spurenstoffe
t ff d
durch
hO
Ozonung
• 70 % Reduktion der Fracht
• 27 kg Frachtreduktion pro Jahr (8 kg Benzotriazol, 3 kg Atenolol,
g Diclofenac))
2 kg
• > 95 % Elimination Östrogene, < Qualitätsziel von 1 ng/L
Estradiolequivalent
Nutzung der Gewässer - Konsequenzen
Die Auswirkungen der Wasserinfrastruktur
Veränderung natürlicher Gewässer
Die Talsperren in der Schweiz
Greifensee Einzugsgebiet
37% natürlich
tü li h
31% künstlich
Kunstlichen Barrieren
Verschiedene Quellen
Die Rhone: Verlust von Aue-Lebensraum
circa 1800
circa 2000
Extremereignisse
Z viel
Zu
i l
Bern 2005
Bern,
Kein Platz
Kein Aufenthalt
Keine Versickerung
Quelle: OoCC (2008)
Der Aral-See: ökologische Katastrophe
Quelle: http://unimaps.com/aral-sea/print.html
Globale Wasserprobleme:
reduzierte Bedrohung
g von menschlicher
Wasser-Sicherheit durch Infrastruktur
Source: Vörösmarty et a. (2010)
Sanitäre Anlagen Weltweit ??
Sanitäreinrichtungen
Sanitäreinrichtungen (fehlend für 40%, 2.6 Mia.)
Quelle: worldmapper
Durchfall bei Kinder
Sanitäre Anlagen in Entwicklungsländer
Forschung:
- Entwicklung von neue Toiletten
- Aufbereitung von Urin/Faekalien/
Faekalschlamm
Globales Trinkwasser
http://creatingsustainablecommunities.pbwiki.com/f/1226676797/Global%20Water%20Supply.gif
Ohne sanitäre Anlagen / Kläranlagen
- Kein Resourcenschutz
- Abwasser = Trinkwasser
„Einfache“ Aufbereitungsmethoden:
- Wasserreinigung durch Sandfilter
- SODIS: solar disinfection
- Membrane Filtration
Herzlichen Dank
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