Siedlungswasserwirtschaft 5 Biologie und Chemie Teil 1: Chemie · 2 Siedlungswasserwirtschaft •...

Siedlungswasserwirtschaft1

PD Dr. Martin DeneckeSprechstunde: Freitag, 13.30 – 14.30

martin.denecke@uni-due.de++49 201 183 2742

Raum: V15 R01 N23

Siedlungswasserwirtschaft 5

Biologie und Chemie

Teil 1: Chemie

C6H12O6 + 6 O2 → 6 CO2 + 6 H2OC6H12O6 + 6 O2 → 6 CO2 + 6 H2O

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• Grundlagen der Wasserchemie,

• einfache chemische Berechnungen ,

• Grundlagen der Mikrobiologie,

• Biologie und Chemie der Wasseraufbereitung

Ziele

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Literatur und Quellen

http://www.arnold-chemie.de/downloads/molrechnen.pdf

http://www.arnold-chemie.de/downloads/VOC-rechnen.pdf

http://www.arnold-chemie.de/downloads/waessrige-loesungen.pdf

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Atome und Moleküle

Das Atom (von ἄτοµος (ὕλη) átomos (hýle) „unteilbare (Materie)“) ist der kleinste, chemisch nicht weiter teilbare Baustein der Materie

Heliumatom

ElektronNeutron

Proton

fm = 10-15m

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Atome und Moleküle

Ein Molekül (lat. molecula = kleine Masse) ist ein Teilchen, das aus zwei oder mehreren zusammenhängenden Atomen besteht, welche durch kovalente Bindungen verbunden sind.

Strukturformel der Askorbinsäure C6H8O6Summenformel der Askorbinsäure

Vitamin C

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Stoffmenge, Teilchen und Masse I

n = Stoffmenge, Einheit ist mol, n = m/M

m = Masse, Einheit ist g

M = molare Masse, Einheit ist g/mol

c = Stoffmengenkonzentration (Molarität), Einheit ist mol/L

C = n/V

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Stoffmenge, Teilchen und Masse II

N = Teilchenzahl, N = NA * n

NA = Avogadrosche Zahl = 6,02205* 1023 Teilchen/mol

u = atomare Masseneinheit, Einheit ist g

1u = 1/12 der Masse eines C-Atoms(Definition der Atommassenkommission 1961)

1u = 112

12,011 [g/mol]6,02205 *1023 [mol-1]

= 1,66056 * 10-24g*

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Stoffmenge, Teilchen und Masse III

Die Molmasse ist eine grundlegende Eigenschaft der Moleküle, ohne die in der Chemie keine Berechnungen durchgeführt werden können.

Das Molgewicht/die Molmasse ist das Gewicht von 1mol Teilchen einer individuellen Teilchensorte, etwa Kohlendioxid CO2.

• mol = Stoffmengenangabe• Atommasseneinheit = u (unit )• makroskopische Masseneinheit = g• Umrechnungsfaktor: 6,022 * 1023 (NA)• 1 g = 6,022 * 1023 u (Avogadro-Zahl)

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Stoffmenge, Teilchen und Masse IV

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Stoffmenge, Teilchen und Masse V

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Struktur- und Summenformeln

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Chemische Formel und Gleichung

Chemische Formeln stehen für einen Stoff z. B. Wasser

H2O

Chemische Gleichungen stehen für einen chemischen Vorgang z. B.

H2 + ½ O2 → H2O

In einer chemischen Gleichung muss die Summe der Atomeeines Elements auf beiden Seiten gleich sein.

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Konversionsfaktoren

Welches Volumen nehmen Gase ein?

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Satz des Avogadro für ideale Gase

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Molvolumen

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Molvolumen ist Temperaturabhängig

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Molvolumen ist Temperaturabhängig

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1. Welche Masse haben 1 mol H2-Moleküle (H = 1,01 g/mol)?

Lösung:

m(H2) = 2 * m(H)m(H) = n(H) * M(H)m(H2) = 2 * n(H) * M(H)m(H2) = 2 * 1 mol * 1,01g/mol = 2,02 g

2. Welche Masse haben 0,7 mol Glukose (C6H12O6) (C = 12,01 g/mol, O = 16 g/mol)?

Lösung:

m(C6H12O6) = 6 * 12,01 + 12 * 1,01 + 6 * 16,0 = 72,06 + 12,12 + 96,0= 180,18 * 0,7 = 126,12 g3. Welche Masse haben 0,37 mol Essigsäure (CH3COOH)

Lösung:

m(CH3COOH) = 2 * 12,01 + 4 * 1,01 + 2 * 16,0 = 60,06 * 0,37 = 22,22 g

Berechnungsbeispiele

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4. Welche Masse haben 0,24 mol Methanol CH3OH?

5. Welche Masse hat ein mol Wasser?

Lösung:

m(H2O) = 2 * 1,01 + 1 * 16,0 = 18,02 g

6. Wie viel mol Wasser enthält ein L Wasser?

Lösung:

M(H2O) = 18,02 g/mol, 1 L = 1.000 g, 1.000 g/18,02 g/mol = 55,49 mol

Lösung:

m(CH3OH) = 1 * 12,01 + 4 * 1,01 + 1 * 16,0 = 32,05 * 0,24 = 7,69 g

7. Wie viel g NaCl sind in 3 L einer 1,5 M Lösung?

Lösung:

M(NaCl) = 58,4 g/mol, 1,5 mol/L * 58,44 g/mol = 87,66 g/L, 3 L * 87,66 g/L = 262,98 g

Berechnungsbeispiele

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8. Wie viel g NaCL muss man für eine 1,7 Mol Lösung einwiegen bei 370 mL Volumen (Na = 22,99 g/mol, Cl = 35,45 g/mol)?Lösung:

M(NaCl) = 58,44 g/mol, 58,44 * 1,7 = 99,34 g/L, 99,34 * 0,37 = 36,75 g

9. Wie viel g Glukose muss man für eine 0,76 M Lösung einwiegen bei 1,56 L Volumen? Glukose = C6H12O6Lösung:

M Glukose = 6 * 12 + 12 * 1 + 6 * 16 = 180 g/mol; 180 * 0,76 = 136,8 g/L; 136,8 * 1,56 = 213,4 g

10. Wie viel g Essigsäure sind in 1,5 L einer 0,34 M Lösung? Essigsäure = CH3COOH

Lösung:

M (CH3COOH) = 2 * 12 + 4 * 1 + 2 * 16 = 60 g/mol; 60 * 0,34 = 20,4 g/L; 20,4 * 1,5 = 30,6 g

Berechnungsbeispiele

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11. Wie viel % Stickstoff sind in Nitrat (NO3-) (N = 14 g/mol)?

Lösung:

M (NO3-) = 1 * 14 + 3 * 16 = 14 + 48 = 62 g/mol ≈ 100 %; 14 g/mol ≈ 22 %

12. Wie viel g Stickstoff sind in 3,7 mol Nitrat (NO3-)?

Lösung:

M (NO3-) = 1 * 14 + 3 * 16 = 14 + 48 = 62 g/mol; 3,7 * 14 = 51,8 g

13. Wie viel % Stickstoff sind in Ammonium (NH4+)?

Lösung:

M (NH4+) = 1 * 14 + 4 * 1 = 18 ≈ 100 %; 14 g/mol ≈ 77,7 %

Berechnungsbeispiele

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14. Wie viel % Stickstoff sind in Ammoniumnitrat (NH4NO3)?

Lösung:

M (NH4NO3) = 2 * 14 + 3 * 16 + 4 * 1 = 80 g/mol ≈ 100 %; 28 g/mol ≈ 35 %

15. Wie viel g Sauerstoff werden für die Oxidation von 100 g Glukose verbraucht? C6H12O6 + 6O2 → 6CO2 + 6H2OLösung:

M (Glukose) = 180 g/mol, 100 g = ≈ 0,55 mol; 0,55 * 6 = 3,3 mol O2; 1 mol O2 = 32 g; 32 * 3,3 = 105,6 g

16. Wie viel g Sauerstoff werden für die Oxidation von 23 g Essigsäure verbraucht? CH3COOH + 2O2 → 2CO2 + 2H2OLösung:

M (Essigsäure) = 60 g/mol, 23 g = ≈ 0,38 mol; 2 * 0,38 = 0,766 mol O2; 1 mol O2 = 32 g; 32 * 0,766 = 24,53 g

Berechnungsbeispiele

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17. Wie viel g Sauerstoff werden für die Oxidation von 5,8 mol Propionsäure verbraucht? C2H5COOH + 3,5O2 → 3CO2 + 3H2OLösung:

M (Propionsäure) = 74 g/mol, 5,8 * 74 = 429,2 g; 1 mol O2 = 32 g; 3,5 * 32 = 112; 112 * 5,8 = 649,6 g

18. Wie viel g CSB entspricht 3,7 mol Essigsäure? CH3COOH + 2O2 → 2CO2 + 2H2O? (CSB = Chemischer Sauerstoffbedarf; 1 g O2 = 1 g CSB)Lösung:

M (O2) = 32 g/mol, 3,7 * 2 * 32 = 236,8 g

19. Wie viel g CSB entsprechen 34 g Essigsäure? CH3COOH + 2O2 → 2CO2 + 2H2O

Lösung:

M (Essigsäure) = 60 g/mol, 34 g = 0,56 mol; 0,56 * 2 * 32 = 35,84 g

Berechnungsbeispiele

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20. Wie viel % P sind in der Verbindung PO43- (P = 30,9 g/mol) ?

Lösung:

M (P) = 30,9 g/mol, M (O) = 16 g/mol, M (PO43-) = 30,9 + 4 * 16 = 94,9 g/mol,

30,9/94,9 * 100 = 32,5 %

21. Wie viel g Eisen werden zur Fällung von 246 g P (theoretisch) benötigt (Fe = 55,8 g/mol)? Fe3+ + PO4

3- → FePO4↓Lösung:

M (P) = 30,9 g/mol, M (Fe) = 55,8 g/mol, 55,8/30,9 = 1,8 g Fe/g P, 1,8 * 246 = 444,2 g

22. Wie viel g Eisen werden zur Fällung von 137 g P benötigt, wenn ein Sicherheitsfaktor von 1,5 dazugerechnet wird?Lösung:

M (P) = 30,9 g/mol, M (Fe) = 55,8 g/mol, 55,8/30,9 = 1,8 g Fe/g P, 1,8 * 137 * 1,5 = 369,9 g

Berechnungsbeispiele

Siedlungswasserwirtschaft25

23. Wie viel g Aluminium werden zur Fällung von 234 g P benötigt, wenn ein Sicherheitsfaktor von 1,5 dazugerechnet wird(Al = 26,9 g/mol)?

Lösung:

M (P) = 30,9 g/mol, M (Al) = 26,9 g/mol, 26,9/30,9 = 0,87 g Al/g P, 0,87 * 234 * 1,5 = 305,5 g24. Wie viel g Sauerstoff werden für die vollständige Nitrifikation von 157 g Ammonium zum Nitrat benötigt?NH3 + 2O2 → NO3

- + H+ H2O?

Lösung:

M (NH3) = 17 g/mol, M (O2) = 32 g/mol, 157/17 = 9,2 mol, 9,2 * 2 * 32 = 591 g

25. Wie viel g Sauerstoff werden für eine unvollständige Nitrifikation von 157 g Ammonium zum Nitrit benötigt?NH3 + 1,5O2 → NO2

- + H+ H2O?

Lösung:

M (NH3) = 17 g/mol, M (O2) = 32 g/mol, 157/17 = 9,2 mol, 9,2 * 3/2 * 32 = 443 g

Berechnungsbeispiele

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26. Wie viel % Sauerstoff werden beim ANAMMOX Verfahren gegenüber der vollständigen Nitrifikation eingespart? Beim ANAMMOX Verfahren wird der Stickstoff bis zum Nitrit oxidiert.NH3 + 1,5O2 → NO2

- + H+ H2ONO2

- + 0,5O2 → NO3-

Lösung:

M (O2) = 32 g/mol, 0,5 * 32 = 16 g, 1,5 *32 = 48 g, 16/48 * 100 = 33,33 %

27. In 465 L Biogas sind 56 % Methan, der Rest ist CO2. Wie viel g CH4 bzw. CO2 sind im Gas bei 20 °C?

Lösung:

M (CO2) = 44 g/mol, M (CH4) = 16 g/mol, 465 L/24,06 L/mol = 19,32 mol Gas, 19,32 * 0,56 * 16 = 173,1 g Methan19,32 * 0,44 * 44 = 374,0 g CO2

Berechnungsbeispiele

Siedlungswasserwirtschaft27

28. Welches Volumen nehmen 27 mol Wasserstoff bei 20°C ein?

Lösung:

24,06 L/mol * 27 mol = 649,6 L

29. Welche Masse hat 1 m3 Luft bei 20 °C?

Lösung:

Luft hat ca. 20 Vol. % O2 und 80 Vol. % N2, M (O2) = 32 g/mol M (N2) = 28g/mol, 1.000/24,06 = 41,5 mol, 41,5 * 0,2 = 8,3 mol O2, 8,3 * 32 = 265,6 g O2, 41,5 * 0,8 = 33,2 mol, 33,2 * 28 = 929,6 g N2, 265,6 + 929,6 = 1.195,2 g

Berechnungsbeispiele

Siedlungswasserwirtschaft28

Der Partialdruck ist der Druck, der in einem Gasgemisch wie der Luft einem bestimmten Gas zugeordnet werden kann. Der Partialdruck entspräche dabei dem Gesamtdruck, den die Komponente beim alleinigen Ausfüllen des gesamten Volumens ausüben würde.

Partialdruck

Das Dalton-Gesetz (Daltonsches Gesetz, Gesetz der Partialdrücke), 1805 von John Dalton formuliert, besagt, dass die Summe aller Partialdrücke pi bei idealen Gasen gleich dem Gesamtdruck des Gemisches pGesamt ist.

Für k Komponenten ergibt sich:

Siedlungswasserwirtschaft29

Partialdruck

Partialdrücke trockene Luft in Meereshöhe

Komponente Volumenanteil hPa (mbar) bar

Luft 100,00 1.013,25 1,01325Stickstoff 78,090 791,25 0,79125Sauerstoff 20,950 212,28 0,21228Argon 0,927 9,39 0,00939Kohlendioxid 0,033 0,33 0,00033

Rechnung für Stickstoff: 1.013,25 mbar * 0,7809 = 791,25 mbar Partialdruck

Siedlungswasserwirtschaft30

30. Welchen Partialdruck haben Stickstoff (78,09 %), Sauerstoff (20,95 %), Argon (0,97 %) und Kohlendioxyd (0,033 %) unter Normalbedingungen (1013,25 hPa) in der Atmosphäre?

Lösung:

1013,25 * 0,7809 = 791,24 hPa, N2, 1013,25 * 0,2095 = 212,27 hPa O2, 1013,25 * 0,00927 = 9,39 hPa Ar, 1013,25 * 0,00033 = 0,33 hPa CO2

Berechnungsbeispiele

Siedlungswasserwirtschaft31

31. Bei der Rauchgasreinigung lässt sich SO2 mit Ca(OH)2 als CaSO4*2H2O (=Gips) aus den Rauchgasen entfernen. Folgende Reaktion findet statt:

1. SO2 + ½ O2 → SO32. H2O + SO3 → H2SO43. Ca(OH)2 + H2SO4 → CaSO4

.2H2O

Wieviel t SO2 und Gips fallen täglich an, wenn pro Stunde 60,15 m³ SO2 entstehen(S = 32 g/mol)?

Lösung:

60,15 m³ = 60.150 L SO2; 60.150 L/24,06 L/mol = 2.500 mol; SO2 = 64 g/mol; 2.500 * 64 = 160.000 g160.000 g/h = 0,16 t/h; 0,16 * 24 = 3,84 t SO2/d

Pro mol SO2 werden ein mol CaSO4.2H2O gebildet!

CaSO4.2H2O = 40+32+4*16+2*(2*1+16) = 172 g/mol; 172 * 2.500 = 430.000 g = 0,43 t

0,43 * 24 = 10,32 t/d

Siedlungswasserwirtschaft32

32. Bei der Verbrennung von PVC (C2H3Cl) entsteht Chlorwasserstoff (HCL). Ein PKW enthält ca. 17 kg PVC. Wie viel kg bzw. Liter HCl - Gas entstehen beim Verbrennen eines Autos z. B in einem Tunnel, oder wenn ein Autowrack direkt eingeschmolzen wird?Folgende Reaktion findet statt:

C2H3Cl + 2,5 O2 → 2 CO2 + H2O + HCl

Cl = 35 g/mol

Lösung: C2H3Cl = 2 * 12 + 3 * 1 + 35 = 62 g/mol; 17.000 g PVC/62g/mol PVC = 274,19 mol

HCL = 1 + 35 = 36 g/mol; 36 * 274,19 = 9.870,8 g = 9,87 kg HCL

274,19 mol * 24,06 L/mol = 6.597 L = 6,59 m³ HCL

Siedlungswasserwirtschaft33

33. In einem Kraftwerk werden pro Stunde 82 Tonnen (Mg) Steinkohle verbrannt. Die Kohle enthält 1,2 % Schwefel und die Rauchgase werden zu 97 % entschwefelt. Wie viel Mg bzw. m³SO2 wird pro Tag emittiert?

Folgende Reaktion findet statt: S + O2 → SO2

S = 32 g/mol

Lösung: 82 Mg/h * 24 = 1.968 Mg/d; 1.968 * 0,012 = 23,6 Mg Schwefel

S = 32 Mg/Mmol; 23,6/32 = 0,737 Mmol Schwefel

SO2 = 64 Mg/Mmol; 0,737 * 64 = 47,2 Mg = 47,2 * 0,03 = 1,4 Mg SO2

0,737 Mmol * 24.006 m³/Mmol = 17.692 m³ SO2

Siedlungswasserwirtschaft34

Chemie des Wassers

3 Aggregatzustände:

flüssig

fest

gasförmig:

Quelle: Wikipedia

Siedlungswasserwirtschaft35

Wasserverteilung

Quelle: Wikipedia

29 % Land, 71 % Wasser3,5 %

Süßwasser

96,5 % Salzwasser

0,3 % Trinkwasser

Siedlungswasserwirtschaft36

Wasserkreislauf

Quelle: Wikipedia

1 Evapotranspiration

2 Wasserdampftransport

3 Niederschlag

4 Flüsse

5 Land / poröser Untergrund

6 Schmelzwasser

7 Seen

8 Versickerung

9 Grundwasserfluss

10 Rückfluss in die Ozeane

11 OzeanTransport in 1000 km3 pro Jahr, Rot = Modell, Blau = Messung, nach Baumgartner & Reichel, (1975)

Siedlungswasserwirtschaft37

Anomalien des Wassers

Wasser hat besondere Eigenschaften:

• bei + 4°C die höchste Dichte (Eis schwimmt),

• die höchste Wärmekapazität bei Flüssigkeiten (75,366 J·mol-1·K-1),

• die größte Oberflächenspannung (Tröpfchenbildung),

• die größte Verdampfungsenthalpie (40,7 kJ/mol (Transpiration),

• eine hohe Schmelzenthalpie (6,01 kJ/mol)(Salzwasser hat geringe Gefrierpunktserniedrigung),

• hoher Siedepunkt im Vergleich zu homologen Verbindungen,

• sehr geringe Wärmeleitfähigkeit (so dass Ozeane gute Wärmespeicher sind).

Siedlungswasserwirtschaft38

Dichteanomalie des Wassers I

Würde Eis absinken, wäre auf der Erde kaum Leben möglich!

Siedlungswasserwirtschaft39

Dichteanomalie des Wassers II

0,900

0,920

0,940

0,960

0,980

1,000

1,020

-20 0 20 40 60 80 100Temperatur [°C]

Dic

hte

[g/c

m³]

Wasser

Eis

Siedlungswasserwirtschaft40

Oberflächenspannung des Wassers

Siedlungswasserwirtschaft41

Verdampfungsenthalpie des Wassers

Zu wenig Schwitzen auch!!

Transpiration reguliert Körperwärmeund Weltklima!

Siedlungswasserwirtschaft42

Hohe Schmelzenthalpie des Wassers

Schmelzenthalpie ist die Energiezum Auftauen des Wassers!

Siedlungswasserwirtschaft43

Hoher Siedepunkt des Wassers

Verbindung Formel Siedepunkt SchmelzpunktWasser H2O

H2SH2SeH2Te

H2Po

+100 °C 0 °CSchwefelwasserstoff: - 60,4 °C - 85,6 °CSelenwasserstoff: - 41,5 °C - 60,4 °CTellurwasserstoff - 2,3 °C - 51 °C

Poloniumwasserstoff + 35,3 °C - 36,1 °C

Der Bereich, in dem Wasser flüssig ist, ist sehr groß!

Dadurch wird Leben auf der Erde möglich.

Siedlungswasserwirtschaft44

Tripelpunkt von Wasser

Quelle: Wikipedia

Beim Tripelpunkt kommen alleAggregatzustände gleichzeitig vor.

Der flüssige Bereich des Wassersist wesentlich größer als beivergleichbaren Verbindungen!

Durch den Druck wird das Eis flüssig!

Siedlungswasserwirtschaft45

Wasser als globales Kühl- und Wärmemedium

• Sehr hohe Verdampfungsenthalpie: 2.256 kJ/kg,

• Hohe Schmelzenthalpie: 333 kJ/kg,

• Sehr hohe Wärmekapazität: 4,18 kJ/kg und Grad K.

Wasser ist das idealeWärme- und Kühlmittel!

Siedlungswasserwirtschaft46

Aufbau des Wassermoleküls

Quelle: Wikipedia

Das Wassermolekül ist ein Dipol…

es bilden sich Wasserstoffbrücken.

Die Anomalien des Wasserswerden auf die Wasserstoffbrücken zurückgeführt.

Siedlungswasserwirtschaft47

Aufbau des Wassermoleküls

Die Anomalien des Wassers lassen sich auf die Struktur des H2O-Moleküls zurückführen, in dem die beiden Wasserstoff-Atome unter einem Winkel von 105° angeordnet sind.

Aufgrund der unterschiedlichen Elektronegativitäten von Sauerstoff (3,44) und Wasserstoff (2,20) ist die O–H-Bindung polarisiert, d.h. die beiden entgegengesetzten elektrischen Pole fallen in ihrer räumlichen Lage nicht zusammen, so dass das Wassermolekül einen Dipol bildet.

Elektronegativität (Abkürzung EN; Formelzeichen χ) ist ein relatives Maß für die Fähigkeit eines Atoms in einer chemischen Bindung die Bindungselektronen an sich zu ziehen (Pauling). Je höher der Unterschied in der Elektronegativität der gebundenen Elemente, desto polarer ist die Bindung.

Siedlungswasserwirtschaft48

Eigenschaften des Wassers und Bedeutung für Umwelt

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Wassersynthese

Quelle: Wikipedia

Wasser entsteht aus Wasserstoff und Sauerstoff

Knallgasreaktion (Entdecker Cavendish)

2H2 + O2 → H2O

oder bei einer Oxidation (Verbrennung):

C6H12O6 + 6 O2 → 6H2O + 6CO2

CH4 + 2O2 → 2H2O + CO2

Henry Cavendish 1731-1810

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Wasser als Lösungsmittel

Wasser ist durch seinen Dipol ein hervorragendes polares Lösungsmittel für viele Stoffe. Generell gilt also, dass die Wasserlöslichkeit mit steigender Polarität des zu lösenden Stoffes zunimmt.

δ+δ+

δ-

Lösungen sind homogene Gemenge von zwei oder mehr Stoffen. Wasser spielt dabei die größte Rolle.

Siedlungswasserwirtschaft51

Wasser als Lösungsmittel

Lösungen von Nichtelektrolyten z. B. Glukose:

C6H12O6 fest → C6H12O6 gelöst

Lösungen von Elektrolyten z. B. Kochsalz:

NaCl → Na+ + Cl-

Es lösen sich Feststoffe, Flüssigkeiten und Gase in Wasser z. B.

Kochsalz, Ethanol, CO2

Siedlungswasserwirtschaft52

Kolloide Lösungen

Kolloide Lösungen streuen das Licht!

Kolloide sind 0,1 bis 10 µm groß.

Die Abscheidung von Kolloidengeschieht z. B. mit der Membrantechnik.

Siedlungswasserwirtschaft53

Ionen- und Gashaushalt des Wassers

Kationen Anionen

Natrium(Na+)Calcium (Ca2+)Kalium (K+)Magnesium (Mg2+)

Hydrogenkarbonat (HCO3-)

Chlorid (Cl-)Nitrat (NO3

-)Sulfat (SO4

2-)

Tab. 2.3: Wichtige in natürlichem Wasser gelöste Gase und ihre Herkunft

Bezeichnung HerkunftSauerstoff (O2)Stickstoff (N2)Kohlendioxid (CO2)Methan (CH4)Schwefelwasserstoff (H2S)

Atmosphäre, PhotosyntheseAtmosphäre, bakterielle AktivitätAtmosphäre, Atmungbakterielle Aktivitätbakterielle Aktivität

Siedlungswasserwirtschaft54

Lösung von CO2 in Wasser

Pro REGENWALDAngaben in Mrd. t

Im Wasser sind fast 39.000 Mrd. t C als CO2 gespeichert!

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Lösung von O2 in Wasser

0

2

4

6

8

10

12

14

16

0 5 10 15 20 25 30 35Temperatur

mg

O2/L

Der Sauerstoffgehalt in Wasser ist

abhängig von: Sauerstoffeintrag Sauerstoffverbrauch

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Lösung von O2 in Wasser

Sauerstoffeintrag SauerstoffverbrauchWasserpflanzen

Pflanzenkläranlage

Belebungsbecken

mechanischerEintrag

höhere Tiere

Wasserpflanzenbei Nacht

Mikroorganismen

Siedlungswasserwirtschaft57

Löslichkeit von Feststoffen und Gasen im Wasser

Die Löslichkeit von festen Stoffen steigt mit der Temperatur.

Die Löslichkeit von Gasen sinkt mit der Temperatur.

Kesselsteinbildung in hartem Wasser.

Ca2+ + 2HCO3- → CaCO3↓ + CO2↑ +H2O

Bei Erwärmung überwiegt der rechte Teil der Gleichung.

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Kalk-Kohlensäure-Gleichgewicht

Das chemische Gleichgewicht zwischen den Ionen der

Kohlensäure – dem Kohlendioxid und dem Calciumcarbonat

wird als "Kalk-Kohlensäure-Gleichgewicht" bezeichnet.

Es bestimmt wesentlich den kalkabscheidenden Charakter des Wassers

oder den kalkauflösenden.

Definition:

Siedlungswasserwirtschaft59

Kalk-Kohlensäure-GleichgewichtLöst sich CO2 in Wasser, reagiert es mit Wassermolekülen (H2O) und

es entsteht Kohlensäure H2CO3

CO2 + H2O ↔ H2CO3

Die Kohlensäure dissoziiert, d. h. sie zerfällt in ein Hydroniumionen H3O+

(entspricht dem H+) und in ein Hydrogencarbonation HCO3- (Bicarbonat) und

weiter in ein Carbonation CO32-

1. Dissoziationsstufe: H2CO3 ↔ H+ + HCO3-

2. Dissoziationsstufe: HCO3- ↔ H+ + CO3

2-

Siedlungswasserwirtschaft60

Kalk-Kohlensäure-Gleichgewicht

Das Hydrogencarbonation HCO3- reagiert weiter mit zweiwertigen

Kationen z. B. Calcium zu Calciumhydrogencarbonat.

2HCO3- + Ca2+ ↔ Ca(HCO3)2

Das Carbonation CO32- reagiert zu Calciumcarbonat (schwerlöslich)

CO32- + Ca2+ → CaCO3↓

Siedlungswasserwirtschaft61

Kalk-Kohlensäure-Gleichgewicht

Das Kalk-Kohlensäure-Gleichgewicht lässt sich wie folgt zusammenfassen.

Ca(HCO3)2 ↔ CaCO3↓ + H2CO3

Wann scheidet sich Kalk ab??Wenn das Gleichgewicht der Reaktion hauptsächlich rechts ist!!

Wann löst sich der Kalk auf??Wenn das Gleichgewicht der Reaktion hauptsächlich links ist!!

Siedlungswasserwirtschaft62

Kalk-Kohlensäure-Gleichgewicht

Ca(HCO3)2 ↔ CaCO3↓ + H2CO3 ↔ H2O + CO2↑

Wenn das Gleichgewicht der Reaktion hauptsächlich rechts ist…

immer wenn CO2 verbraucht oder ausgetrieben wird z. B.

beim Kochen, bei der Photosynthese (CO2-Fixierung),

Was passiert beim Ansäuern??

Siedlungswasserwirtschaft63

Kalk-Kohlensäure-Gleichgewicht

Was passiert beim Ansäuern??

• Beim Ansäuern erhöht sich die Konzentration der H+-Ionen (H3O+),

• die Konzentration der Stoffe auf der rechten Seite steigt,

• die Reaktion verläuft von rechts nach links,

• die Konzentration von CO2 steigt,

• CO2 kann gasförmig entweichen.

Kohlensäurebildung 1. Dissoziationsstufe 2. Dissoziationsstufe

CO2 + H2O ↔ H2CO3 ↔ H+ + HCO3- ↔ 2H+ + CO3

2-

Siedlungswasserwirtschaft64

Kalk-Kohlensäure-Gleichgewicht

Anteile der Kohlensäureformen an der Gesamtkohlensäure in Abhängigkeit vom pH-Wert

Siedlungswasserwirtschaft65

pH Wert

Der pH Wert ist der negative dekadische Logarithmusder Hydroxoniumionen in mol/L.

pH = -log [H3O+]

Welcher pH liegt bei 0,000001 mol/L Hydroxoniumionen vor?

0,000001 mol/L = 10-7 mol/L; pH = 7

Reines Wasser hat einen pH Wert von 7

Wasser zerfällt immer in Hydroxoniumionen (H3O+) und Hydroxylionen (OH-)

2H2O ↔ H3O+ + OH-

Welche OH- Konzentration hat reines Wasser??

Siedlungswasserwirtschaft66

pH Wert

Welche OH- Konzentration hat reines Wasser?

Analog zum pH Wert gibt es den pOH Wert.

pOH = -log [OH-]

Es gilt: pH + pOH = 14; poH = 7; [OH-] = 10-7 mol/L

Beziehung zwischen dem pH-Wert und dem pOH-Wert

Lösung [H3O+] pH-Wert [OH-] pOH-Wert10 mol/L Säure 10 mol/L -1 10-15 mol/L 15

1 mol/L Säure 1 mol/L 0 10-14 mol/L 14

reines Wasser 10-7 mol/L 7 10-7 mol/L 7

1 mol/L Base 10-14 mol/L 14 1 mol/L 0

10 mol/L Base 10-15 mol/L 15 10 mol/L -1

Siedlungswasserwirtschaft67

pH Wert

pH-Werte gängiger Stoffe und Chemikalien

Salzsäure 35 % pH = -1 Bier pH = 5Salzsäure 3,5 % pH = 0 Hautoberfläche pH = 5,5Salzsäure 0,35 % pH = 1 Mineralwasser pH = 6Magensäure pH = 1 reines Wasser pH = 7Zitronensaft pH = 2 Blut: pH = 7,4Essigessenz pH = 2 Seewasser pH = 8,3Essig pH = 3 Darmsaft pH = 8,3Coca Cola pH = 3 Waschmittellösung pH = 10Wein pH = 4 Natronlauge 3 % pH = 14saure Milch pH = 4,5 Natronlauge 30 % pH = 15

Siedlungswasserwirtschaft68

Abbauvorgänge im Gewässer

Siedlungswasserwirtschaft69

TOC und DOC

Prinzip:

⇒ Der organische Kohlenstoff wird zu CO2 oxidiert und CO2

prinzipiell durch seine Eigenschaft erfasst, im IR Strahlung zu absorbieren. Der Unterschied zwischen der TOC- und DOC-Bestimmung in wässrigen Lösungen besteht in der Filtration der Probe über ein Membranfilter mit einer Porenweite von 0,4 µm.

DOC = Gelöster organischer Kohlenstoff (Dissolved Organic Carbon)

TOC = Gesamter organischer Kohlenstoff (Total Organic Carbon)

Siedlungswasserwirtschaft70

Chemischer Sauerstoffbedarf (CSB)Der CSB gibt an, wieviel Sauerstoff erforderlich ist, um die organischen Abwasserinhaltsstoffe chemisch zu CO2 und H2O zu oxidieren.

Beispiel Glucose:

C6H12O6 + 6 O2 → 6 CO2 + 6 H2OC6H12O6 + 6 O2 → 6 CO2 + 6 H2O

Einheit:CSB [mg O2/L]

Siedlungswasserwirtschaft71

Biologischer Sauerstoffbedarf (BSB5)

Der BSB5 gibt an, wieviel Sauerstoff Mikroorganismen innerhalb von 5 Tagen verbrauchen, um die Abwasserinhaltsstoffe biologisch abzubauen.

Einheit:BSB5 [mg O2/L]

Siedlungswasserwirtschaft72

CSB zu BSB5-Verhältnis und biologische Abbaubarkeit

Die biologische Abbaubarkeit von organischen Abwasserinhaltsstoffen wird mit dem Verhältnis von CSB und BSB5 charakterisiert:

CSB / BSB5 Abbaubarkeit der organischen Abwasserinhaltsstoffe

< 1,7 leicht und praktisch vollständig biologisch abbaubar (kommunales Abwasser)

1,7 - 10 unvollständiger abbaubar und / oder Anwesenheit toxischer Stoffe

> 10 praktisch nicht biologisch abbaubar und / oder durch toxische Stoffe weitgehend gehemmter biologischer Abbau

Siedlungswasserwirtschaft73

Anteile der Nahrungsmittel am CSB im Abwasser

Stoffgruppe Konzen-tration

[mg/L]

Umrech-nungsfaktor

[-]

CSB

[mg/L]

Anteil am CSBges

bei 600 mg/L[%]

Fette 100 2,9 290 48

Kohlenhydrate 90 1,1 99 17

Proteine 115 0,64 74 12

Summen 305 463 77

Siedlungswasserwirtschaft74

Stickstoff (N)

Stickstoff ist wie Phosphor ein Nährstoff und v.a. in Eiweiss eingebaut. Biomasse enthält ca. 4 – 7 % Stickstoff. Nur in wenigen Gewässern ist Stickstoff für die Primärproduktion limitierend (z.B. in einigen Meeren).

Stickstoff ist in unterschiedlichen Formen für die Gewässer bedenklich z. B.

- Ammoniak und Nitrit als Fischgifte- Ammonium wegen seines Sauerstoffbedarfes- Nitrat im Trinkwasser

Siedlungswasserwirtschaft75

Klassifizierung Stickstoff (N)

organischer Stickstoff

organic nitrogen Norg = TKN-NH4-N

gesamter Stickstofftotal nitrogen Nges

anorganischer Stickstoffanorganic nitrogen

Nanorg

NitritNitriteNO2-N

Ammoniumammonium

NH4-N

NitratnitrateNO3-N

Kjeldahl StickstoffKjeldahl nitrogen

TKN = Norg + NH4-N

Wichtig ! Bemessungs- und Grenzwerte beziehen sich meist auf den Stickstoff in der Verbindung:NH4 – N → 14/18 (Gewicht N/Gewicht Verbindung)NO3 – N → 14/62 (Gewicht N/Gewicht Verbindung)

Siedlungswasserwirtschaft76

Ammonium-Ammoniak-Gleichgewicht

pH-value

Siedlungswasserwirtschaft77

Stickstoffeinträge in Fließgewässer

Siedlungswasserwirtschaft78

N-Kreislauf

NO2-

NH3

NH2 -Gruppen Proteine

NH2 -Gruppen Proteine N2

aerob

anaerobanoxisch

NO3-

NO2-

NON2O

N2

Nitrifikation

Denitrifikation

Assimilation

Assimilation

Assimilation

Ammonifikation

Ammonifikation

ANAMMOX

Siedlungswasserwirtschaft79

Phosphor

Phosphor ist ein Nährstoff, der in vielen biochemischen Reaktionen eine zentrale Rolle spielt.

Biomasse enthält ca. 1 % Phosphor.

In vielen Gewässern (nicht im Meer) ist Phosphor der limitierende Nährstoff, d.h. eine Zugabe von Phosphor führt zur Düngung des Gewässers und damit ev. zur Zunahme der Biomasse.

Das Gewässer wird eutrophiert.

Quellen für Phosphor: Urin, Waschmittel, Spülmittel

Menge: ca. 1,8 g pro Einwohner und Tag (ATV A 131)

Siedlungswasserwirtschaft80

Phosphoreinträge in Fließgewässer

Siedlungswasserwirtschaft81

Phosphoreinträge in die Nordsee40.000 t Phosphor/a aus Deutschland.

Davon sind ca. 50 % aus der Landwirtschaft aus:Direkteinleitung, Erosion, Grundwasser, Dränwasser bzw. Niederschlägen.

Siedlungswasserwirtschaft82

Eutrophierung

Gleichgewicht zwischen Primärproduktion und Mineralisationskapazität

oligotroph

eutroph Primärproduktion größer als Mineralisationskapazität

Anreicherung von Nährstoffen im Gewässer

Sauerstoffmangel nach Absterben von Algen

Rücklösung des im Sediment (= abgestorbene Pflanzenmasse) enthaltenen Phosphors

erneutes Massenwachstum

Siedlungswasserwirtschaft83

Eutrophierung

Peter Lustig, Wolfgang Mann Verlag, 1988

Sauerstoff-produktion und -verbrauch sind ausgewogen

Überdüngung führt zu vermehrtem Pflanzenwuchs

Absterbende Pflanzen werden durch Bakterien abgebaut

Siedlungswasserwirtschaft84

P-Spezies

Der totale Phosphor (TP) erfasst alle Formen von Phosphor in der unfiltrierten Probe:

- organisch gebunden, - mineralische Fällungsprodukte,- ortho-Phosphat.

ortho Phosphat: PO4-P umfasst die Summe aller Formen von Phosphat, im Abwasser v. a. HPO42- und H2PO4

-.

Siedlungswasserwirtschaft85

P-Spezies

CTP = SPO4 + SPP + Sorg,P + Xorg,P

CTP = Gesamt(Total)phosphorkonzentration

SPO4 = gelöstes anorganisches Orthophosphat

SPP = gelöstes anorganisches Polyphosphat

Sorg,P = gelöstes organisches Phosphat

X org,P = partikuläres organisches Phosphat

Siedlungswasserwirtschaft86

P-Elimination

Phosphat-elimination

biologisch

chemisch

„normale“ biologische Phosphorelimination

Bio-P Verfahren

ohne Zugabe von Fällmitteln

mit Zugabe von FällmittelnLondong

Siedlungswasserwirtschaft87

Emissionsanforderungen Kläranlagen

ab 10.000 EW 2 mg/l

ab 100.000 EW 1 mg/l

Anforderungen aufgrund von Immissionsbetrachtungen

z. B. Wupper 0,4 mg/l PO4-P

Bodenseeeinzugsgebiet 0,2 mg/l PO4-P

Siedlungswasserwirtschaft88

Bio-P-Verfahren

PO4-PPO4-P

org. Säuren

BSBAbwasser

Energie

Ende anaerobe Phase

CO2 + H2O

Energie

BSBEnergie

Ende aerobe Phase

anaerobe Stufe aerobe Stufe

Rücklaufschlamm

ÜberschussschlammRhodocyclus, Actinobacter, Propionibacter

Siedlungswasserwirtschaft89

Bio-P-Verfahren II

Milieu-bedingungen

aerob anaerobanoxisch

O2vorhanden

evt. Nitrat oder Nitrit vorhanden

O2 nichtvorhanden

Nitrat oder Nitrit vorhanden

O2 nichtvorhanden

Nitrat oder Nitrit nicht vorhanden

Prozesse BSB- und CSB-Abbau

Nitrifikation

Phosphor-aufnahme

BSB- und CSB-Abbau

Denitrifikation

BSB- und CSB-Umbau

Phosphor-rücklösung

Siedlungswasserwirtschaft90

Konzentrationsprofile Bio-P-Verfahren

inflow

SS

NO3-

PO4-

CODdissl

anoxic anoxic aerobicanaerobic

Gujer 2000

„luxury uptake of phosphate“

Siedlungswasserwirtschaft91

Konzentrationsprofile Bio-P-Verfahren

inflow

SS

NO3-

PO4-

CODdissl

anoxic anoxic aerobicanaerobic

Gujer 2000

„luxury uptake of phosphate“