Trinkwasserverordnung und Verteilung von Bacs in der

UmweltTag 2

Wasser Knappheit auf der Welt

20032100

Vorraussagen für Wasserressourcen in Europa

Wasser als strategisches Zukunftsthema

– Wasser essentielle Ressource für Mensch, Gesundheit, Gesellschaft

– Nutzung als Trinkwasser, Landwirtschaft, Industrie

– Wirtschaftsfaktor lokal und global(‚virtuelles Wasser‘)

– Quantitative und qualitative Verfügbarkeit zunehmend bedroht

– Klimawandel, geänderte Land-nutzung, Umweltverschmutzung, Bevölkerungswachstum

Wasserdargebot und Wassernutzung in Deutschland

Entwicklung spezifischer Wasserverbrauchs ausgewählter Verbraucher

Wasserverluste nach UN-Daten

Sources of Drinking Water

Die Bedeutung des Grundwassers

– >70 % des Trinkwassers in D wird aus Grundwasser gewonnen

– ‚Verstecktes‘ Ökosystem im Untergrund

‚Ecosystem Services‘:– Abbau & Rückhalt von Schadstoffen– Reinigung und Speicherung des Wassers– Erhalt von Ökosystemen an Oberfläche– Thermische Energie, Wärme & Kühlung

Nitrat

Überblick über die Nitratgehalte im Grundwasser der Bundesrepublik Deutschland für das Jahr 2002

Verteilung der Nitratgehalte im Grundwasser gegliedert nach der dominierenden Landnutzung im Umfeld von

Grundwassermessstellen

Häufigkeitsverteilung der Veränderungen der Mittelwerte der Nitratgehalte zwischen dem Überwachungszeitraum 1992 bis

199446 und dem Überwachungszeitraum 2000 bis 2002

Entwicklung des Nährstoffüberschusses auf der landwirtschaftlichen Nutzfläche in Deutschland 1950 -

2000 (Hoftorbilanz)

Trends in water quality in the Lake Constance

Gesamt-Phosphor-Konzentration im Bodensee (Obersee) während der Durchmischungsphase

(1951-2005)

Pestizide

Häufigkeitsverteilungen der PSM-Befunde in oberflächennah verfilterten Messstellen im Grundwasser Deutschlands in den

Zeiträumen 1990 bis 1995 und 1996 bis 2000

Häufigkeitsverteilungen von Atrazin im oberflächennahen Grundwasser Deutschlands

(BG = Bestimmungsgrenze)

Untersuchungsergebnisse 2003

Organische Schadstoffe

The discovery and production of new organic chemicals has grown exponentially

Nr. 50 000 000 der in CAS registrierten organischen Verbindungen

Chemical Engineering News 09/09

Contaminant cycles: River-drinking water

Contaminant cycles: River-drinking water

Enrichment of transformation products along a german river

Why Bayern?

- We are at the beginning of the chain

- But we are part of it!

- Scientific demand: how can we brake up the cycle?

Zukünftige Gefahren

Diffuse Quellen• Nitrat• Pestizide• Micropollutants (Pharmaka,

Röntgenkontrastmittel)

Punktquellen• BTEX (Benzen, Toluen, Ethylbenzen, Xylen)• Chlorierte Kohlenwasserstoffe

Frage?

• Welche Bedingungen würden sie an Trinkwasserqualität stellen?

Meine Bauchantwort

• Welche Bedingungen würden sie an Trinkwasserqualität stellen?– Oxisch (aerob?)– Kein Eisen, Mangan etc.– Niedriger DOC– Keimfrei? (keine pathogenen Mikroorganismen und

Viren)– Geruch und Geschmack einwandfrei– Keine Schadstoffe– pH– Normaler Gehalt an gelösten Mineralien (Carbonat

etc.)

Trinkwasserverordnung (BGB Stand 2001)

• Nachweisprinzip

• Indikatorprinzip

• Auszug der einzelnen Grenzwerte aus der TW-Verordnung

Teil I:Allgemeine Anforderungen an Wasser für den menschlichen Gebrauch

Parameter Grenzwert (Anzahl(100 ml)

Escherichia coli (E. coli) 0

Enterokokken 0

Coliforme Bakterien 0

Teil II:Anforderungen an Wasser für den menschlichen Gebrauch, das zur Abfüllung in Flaschen oder sonstige

Behältnisse zum Zwecke der Abgabe bestimmt ist

Parameter Grenzwert

Escherichia coli (E. coli) 0/250 ml

Enterokokken 0/250 ml

Pseudomonas aeruginosa 0/250 ml

Koloniezahl bei 22 Grad C 100/ml

Koloniezahl bei 36 Grad C 20/ml

Coliforme Bakterien 0/250 ml

Mikrobiologische Parameter

Teil IChemische Parameter, deren Konzentration sich im Verteilungsnetz einschließlich der

Hausinstallation in der Regel nicht mehr erhöht

Parameter Grenzwert /Anforderung Bemerkungen

Benzol 0,001 mg/l

Cyanid 0,05 mg/l

1,2-Dichlorethan 0,003 mg/l

Fluorid 1,5 mg/l

Nitrat 50 mg/l

Die Summe aus Nitratkonzentration in mg/l geteilt durch 50 und Nitritkonzen-tration in mg/l geteilt durch 3 darf nicht größer als 1 mg/l sein

Pflanzenschutz-mittel und Biozid-Produkte

0,0001 mg/l

Pflanzenschutz-mittel und Biozid-Produkte insgesamt

0,0005 mg/l

Quecksilber 0,001 mg/l

Tetrachlorethen und Trichlorethen

0,01 mg/l

Arsen 0,01 mg/l

Benzo-(a)-pyren 0,00001 mg/l

Chemische Parameter

Parameter Grenzwert /Anforderung Bemerkungen

Blei 0,01 mg/l

Cadmium 0,005 mg/l

Kupfer 2 mg/l

Nitrit 0,5 mg/l

Polyzyklische aromat-ische Kohlenwasser-stoffe

0,0001 mg/l

Vinylchlorid 0,0005 mg/l

Ammonium 0,5 mg/l

Eisen 0,2 mg/l

Färbung (spektraler AbsorptionskoeffizientHg 436 nm)

0,5 mg/l

Geruchsschwellenwert2 bei 12 Grad C 3 bei 25 Grad C

GeschmackFür den Verbraucher annehmbar und ohne anormale Veränderung

Elektrische Leitfähigkeit2.500 myS/cm bei 20 Grad C

Mangan 0,05 mg/l

Oxidierbarkeit mg/l O2

Sulfat 240 mg/l

Aufbereitungsziele und Gegenstände konkreter Maßnahmen

Zusammenstellung der eingesetzten Verfahren und der Aufbereitungsziele

A = Austausch an Grenzflächen;B = Biologische Verfahren;D = Dosierung von Stoffen;F = Fällung/Flockung; S = Separation; BS = Bestrahlung

36Biofilm Centre

Die letzten Meter bis zum Wasserhahn

Hans-Curt Flemming Biofilm Centre, Universität Duisburg-Essen

37Biofilm Centre

Wie kommt das Trinkwasser ins Haus?

Dr. C. Donner, RWW Mülheim

Endverbraucher

38Biofilm Centre

Multi-Barrieren-Prinzip in der Aufbereitung

„Mülheimer Verfahren“, entwickelt zur Aufbereitung belasteter Rohwässer

Inzwischen weltweit für ähnliche Situationen angewandt Man kann aus jedem Wasser Trinkwasser machen Das ist nur eine Frage des Aufwands (s. Raumfahrt)

Abbildung: Dr. C. Donner, RWW Mülheim

Kilometerlanges Verteilungsnetz – wie kann eine Aufkeimung verhindert werden?

39Biofilm Centre

1. Desinfektion (Chlor, Ozon, UV)Probleme: Desinfektionsnebenprodukte

Geschmack/Geruch, ResistenzCl2 + H2O HOCl + HCl

2. „Ohne Chemie“: Nährstoff-Elimination durch BiofiltrationProbleme: Neue Nährstoffe (z.B. Werkstoffe)

aufwendigerLangsamsandfilter

Schmutz-decke

Bakterien auf Sand

40

Entfernung von assimilierbarem organischem Kohlenstoff während der Aufbereitung

Gimbel, 1995

Biofilm Centre

AOC-Entnahme durch Langsamsandfilter

Das Innere von Wasserleitungen

Korrosionspustel, Gussrohr 15 Jahre

PVC, 28 JahreProf. U. Szewzyk, TU Berlin

Innere Oberfläche Gussrohr, 99 Jahre

Biofilm Centre

Wie viele Mikroorganismen sind in unserem Trinkwasser?

42Biofilm Centre

Trinkwasser ist nicht steril – und muss es auch nicht sein!Bakterien-Zahlen in Trinkwasser: abhängig von Methode DEV-Methode: 1-10 KBE/ml (20/37 °C, 1 d)HPC auf R2A: 10-1.000 KBE/ml (20 °C, 7 d)

Gesamtzellzahl mit DAPI, Acridin-Orange: 103 – 104/mlAnzahl der KBE: Teilmenge der Gesamtzellzahl

Verantwortung bei der Wasserverteilung

Trinkwasser-Gewinnung, -Aufbereitung, -

Verteilung

Trinkwasser-installation

Verantwortlich: Wasserversorgungs-unternehmen (WVU)

§ 14 (1) TrinkwV

Verantwortlich: Betreiber (Hausbesitzer)

§ 8 TrinkwV

Aber: Image des WVU hängt von Wasserqualität am Zapfhahn ab!Dr. B. Bendinger, Außenstelle DVGW, TU Hamburg-Harburg

Hausanschluss

Biofilm Centre

Wasseruhr

Häufigste Reaktion:

44Biofilm Centre

„So genau will ich´s gar nicht wissen…“

45

Trinkwasser-Installation: Grauzone der Überwachung

Risikofaktoren: Viele verschiedene,

oft ungeprüfte Werkstoffe

Totstellen

Unregelmäßige Verbrauchs-Charakteristik

Viel weniger Kontrolle:4 Jahre nach Einführung der neuen TrinkWV sind immer noch weniger als 50 % der öffentlichen Gebäude überprüft

Biofilm Centre

46

Beispiele für Kontaminationsfälle

Schule, Neuinstallation: – P. aeruginosa: > 1.000 KBE pro 100 mL

Schule, alte Installation– Legionella: > 10.000 KBE pro 100 mL

Verwaltungsgebäude, Neuinstallation– P. aeruginosa: ~ 200 KBE pro 100 mL

Sporthalle, alte Installation– Legionella: > 10.000 KBE pro 100 mL

Asyl, alte Installation– Legionella: > 10.000 KEB pro 100 mL

Zahlreiche Fälle aus Krankenhäusern Betrifft nicht nur Kunststoff, sondern auch Metalle!

Biofilm Centre

Verteilung von Bacs in der Umwelt

Figure 1. The subsurface microbial cycle as introduced by Stevens (1997). Geological and hydrological processes, operating on multiple time-scales, move microorganisms into the subsurface, transport them through the subsurface, and may return them to the surface environment. In the subsurface, selective pressures constrain the types of organisms that can survive there.

Transport & Fate of Microorganisms

Suspended cells Attached cells Reference

20% 80% Wolters & Schwartz, 1956

20% 80% Matthess, 1973

<1% >99% Marxsen, 1982

0-3.2% 96.8-100% Harvey, et al. 1984

1 101-102 Köbel-Boelke et al., 1988b

1 102-103 Hazen et al., 1991

1 103 – 105 * Pedersen & Ekendahl, 1992

<10% >90% Godsy et al., 1992

0.01% 99.99% Albrechtsen, 1994

1 103 Alfreider et al., 1997

1 103-104 DVWK, 1997

Where are the bacteria ?

Sediment particle

Oxygen (µM)4000 100 200 300

0,4

0,1

0,2

0,3

0

Dis

tan

ce

fro

m th

e b

iofilm

(m

m)

µm to mmBiofilm

Eddy-diffusion

Transitient zone

Moleculare diffusion

Anoxic zone

Oxic zone

Transitient zone

Biofilms – a complex habitat

Eine Mikrokolonie aus einem Abwassersandfilter

Besiedelung eins Sedimentkorns

Der gleiche Partikel aus einem Tiefseesediment einmal im Phasenkontrast und einmal im Fluoreszenzbild. Entnommen aus www.mikrobiologischer-garten.de

In einem oligotrophen Sediment gibt es keinen klassischen Biofilm!

c)a)

Cell number / g sediment101 102 103 104 105 106 107 108

Dep

th (

m)

0

5

10

15

20

25

30

Antibiotic producers [total numbers detected]0 5 10 15 20

b)

Cell number / g sediment101 102 103 104 105 106 107 108

Dep

th (

m)

0

5

10

15

20

25

30

Topsoil0,2

GRAVEL1,6

SAND3,0

CLAY4,3

SAND12,4

CLAY15,6SILT16,0

SAND21,6SILT22,2

CLAY27,4

SAND30,00

0,0

2,0

4,0

6,0

8,0

10,0

12,0

14,0

16,0

18,0

20,0

22,0

24,0

26,0

28,0

30,0

3,7

An example from ecology. What drives and limits natural attenuation processes in aquifers?

High resolution multi-level well

Dep

th [

m

bls]

A

Toluene [mg l-

1]

A

6

6.

57

7.

58

8.

59

9.

51

0

0 1

0

2

0

3

0

4

0

5

0

CBB

0 5

0

10

0

15

0

20

0

25

0

bssA/16S rRNA genes0.0 0.50.25

Lower plume fringe

Upper plume fringe

Plume core

0.75

Sulfate [mg l-

1]

-25 -24 -23 -22 -21

δ 13C [‰]103 105 107 109

Bacterial 16S rRNA genes [cp g-1]

16S rRNA

catabolic gene ratios

Toluene

13C

SO42-

Oil

Degradationhot spots

Group Habitat Trophy Abundance[cm-3]

Bacteria Caves, Karstic systems - 102 – 104

  Sediments in caves - 104 – 108

  Groundwater from deep granitic and basalt systems

-/+ 103 - 106

  Groundwater from porous aquifers - 103 - 106

    + up to 107

  Sediments saturated zone - 106 - 108

    + up to 1010

  Sediments unsaturated zone - 104 - 108

Archaea     present

Flagellates Groundwater from porous aquifers - 100 – 102

    + up to 105

  Sediments saturated zone - 103 - 105

    + up to 108

Amoebae Sediments saturated zone   10-1 – 100

Ciliates Groundwater from porous aquifers - rare

    + rare

Fungi Sediments saturated zone   rare

Viruses Groundwater from porous aquifers - present

    + present

Number of microbes

Microbial communities

Adaptations & Strategies

r-stragegists

high

low

high

changing

K-stragegists

low

high

low

constant

reproduction rate

resource utilization efficiency

migratory tendency

population size

s-type strategy

Individuals react on environmental

changes

i-type strategy

Based on species richness and

functional redundancy

HausaufgabeSuchen sie bitte diese Publikation raus

• D'Hondt, S., B. B. Jorgensen, et al. (2004). "Distributions of microbial activities in deep subseafloor sediments." Science 306(5705): 2216-2221.

• Interpretation: – Was sind die entscheidenden Aussagen des Papers?– Wo sehen sie die Relevanz?– Entdecken sie Fehler?– Was ist die wichtige Aussage für unsere Vorlesung?