Folgen lang anhaltender Trockenperioden auf die urbane Gewässerbelastung. Peter Krebs
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1 Fakultät Umweltwissenschaften Institut für Siedlungs- und Industriewasserwirtschaft Folgen lang anhaltender Trockenperioden auf die urbane Gewässerbelastung Peter Krebs Regionalkonferenz Trockenregionen im Klimawandel Leipzig, 2./3. April 2014
2 Das System Abwasserentsorgung Kontinuierliche Belastung Akute Belastung Entlastung Überlauf Kläranlage Mischwasserspeicherung Fließgewässer Gereinigtes Abwasser
3 Schadstoffakkumulation First flush Gewässerbelastung Regionalkonferenz Trockenregionen im Klimawandel Leipzig, 2./3. April 2014
4 Schadstoffakkumulation First flush Gewässerbelastung Regionalkonferenz Trockenregionen im Klimawandel Leipzig, 2./3. April 2014
5 Surface accumulation of particles and organic matter TSS a) b) TOM a) b) Zhang et al. (2013a)
6 W1_#1 W1_#2 W1_#3 W1_#4 W8_#1 W8_#2 W8_#3 W8_#4 B1_#1 B1_#2 B1_#3 B1_#4 B8_#1 B8_#2 B8_#3 B8_#4 R1_#1 R1_#2 R1_#3 R1_#4 R8_#1 R8_#2 R8_#3 R8_#4 Surface load of Zn (mg/m 2 ) Heavy metal surface loading µm µm µm µm Total 5,00 4,00 3,00 2,00 Step a Fraction Reagent 1 Exchangeable CH 3 COOH 2 Reduciable NH 2 OH HCl 3 Oxidisable H 2 O 2, NH 4 OAc 4 Residual H 2 O 2, HNO 3 1,00 0,00 W1 A1 B1 S1 I1 R1 W8 A8 B8 S8 I8 R8 a Three-step sequential extraction and total digestion protocols Exchangeable Reducible Oxidizable Residual Zn (zinc) Sampling site Tire ruber (potential source) 1.2 % of ZnO for car tires (min 0.4 %, max 2.9 %); 2.1 % (min 1.2 %, max 4.3 %) for truck tires Brake pad (potential source) 100% 90% 80% 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0% Zn concentrations in in sequentially extracted fractions (mg/g) Zhang et al. (2013c)
7 Stichproben Sedimentmessungen Statistische Versuchsplanung Messung in 128 Schächten Ablagerungsmessungen nach 7 Tagen Trockenzeit
8 Schadstoffakkumulation First flush Gewässerbelastung Regionalkonferenz Trockenregionen im Klimawandel Leipzig, 2./3. April 2014
9 Anteil suspendierter Partikel (%) Erosion von Kanalsedimenten Schleppspannung (Pa) Jäher Anstieg der Resuspension als Ursache des Schmutzstoßes Verstärkt durch ausgeprägte Gradienten zwischen Basis- und Mischwasserabfluss
10 TSS -Fracht / (Q d TSS 0 ) Schmutzstoß partikulärer Stoffe 12,0 16 Q/Q d, TSS / TSS 0 10,0 8,0 6,0 4,0 TSS-Konzentration Zufluss TSS-Fracht ,0 2 0,0 10:00 12:00 14:00 16:00 18:00 20:00 22:00 0:00 2:00 0
11 Dynamischer Transport gelöster Stoffe Mischwasserkanal während eines Regenereignisses: Die Welle läuft der Verdünnung davon u l
12 C /C 0, NH 4 -Fracht / (Q d C 0 ) Ausstoß gelöster Stoffe 4 3 NH4-Konzentration NH4-Fracht Zufluss Q /Q d :00 12:00 14:00 16:00 18:00 20:00 22:00 0:00 2:00 0
13 Schadstoffakkumulation First flush Gewässerbelastung Regionalkonferenz Trockenregionen im Klimawandel Leipzig, 2./3. April 2014
14 Q [m3/h] Load [mg/h] Q [m3/h] Load [mg/h] Dynamik der Antibiotikafrachten bei Trocken- und Regenwetter Azithromycin ZEIT [h] 0 x 104 Clarithromycin Frachten unterliegen Trockenwettertagesgang Frachtspitzen bei Regenereignissen 5000
15 Risikobewertung Vorfluter Elbe Verschneidung der Verschreibungsdaten und der Wirkungsgrade mit der Hydrologie der Elbe Risiko-Maxima auch im Sommer bei Niedrigwasser, bei wenig Antibiotika- Verschreibungen
16 Modellansatz CATCHMENT Horton infiltration nonlinear reservoir expon. acc/erosion SEWER SYSTEM Saint-Venant CSTR (quality) WWTP ASM1 3 layer secondary clarifier SIMBA SIMBA-Sewer SWMM RECEIVING WATER Saint-Venant RWQM ha urbanes Einzugsgebiet (Teil des Dresdner EZG) Skalierte Kläranlage virtuelles Fließgewässer mit geringer Selbstreinigungskapazität CSB (O 2 ) und TKN (NH 4+ -N) Regeninput: 10 Jahre Regendaten mit 5-min Auflösung Daten generieren: 10 Jahre Langzeitsimulation in 5 min Zeitschritten
17 Concentration in mg/l Rain intensity in mm/hr Concentration in mg/l Rain intensity in mm/hr Zwei Ereignisse O2 NH4-N Rain O2 NH4-N Rain : : :36 Date and time : : : :24 Date and time 200 Schindler und Krebs (2009) Unterschiedliche Ereignisse sind verantwortlich für kritische NH 3 - und O 2 -Konzentrationen
18 Return Level Return Level Extremwerte von NH 4 und Regen NH 4 Konzentration (mg/l) Return Level Plot Regen (0.1 mm / 5 min) Return Level Plot Return Period (Years) Return Period (Years) Extreme Regenereignisse extreme Konzentrationen im Gewässer Basisabfluss im Gewässer ist maßgebend
19 flow in m³/d Flow Flow flow in m³/d time in days Abfluss in regenreichem und trockenem Jahr Flow time in days Flow
20 concentration in mg/l concentration in mg/l time in days Ammoniumspitzen in regenreichem und trockenem Jahr Ammonia time in days Ammonia
21 Trockenheit bewirkt Niedrigen Grundwasserspiegel Niedrigen Basisabfluss Geringe Selbstreinigungskapazität Schadstoffakkumulation auf der Oberfläche und im Kanal Ausgeprägte Gradienten zwischen Trocken- und Regenwetterbedingungen First-flush und Ausstoßeffekte aus der Kanalisation Hohe Frachtspitzen aus der Kanalisation treffen auf geringen Basisabfluss Hohe Stoffkonzentrationsspitzen im Gewässer
22 nicht nur modellieren! Dank an Förderer: DFG, BMBF Projektpartner: itwh, ifak, SE-DD MitarbeiterInnen: Frank Blumensaat, Michael Brodien, Norbert Günther, Stefan Hoeft, Dr. Volker Kühn, Conrad Marx, Nora Schindler, Dr. Jens Tränckner, Jin Zhang
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