Wasser (eBook)

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Andreas N. Grohmann, Technische Universität Berlin (em.); Andreas Grohmann und Martin Jekel und Ulrich Szewzyk, Technische Universität Berlin; Regine Szewzyk, Umweltbundesamt, Berlin.

Vorwort 6
Abkürzungen 8
Inhalt 12
1 Herkunft des Wassers 16
1.1 Einleitung 16
1.2 Das Wasser der Erde 17
1.3 Wasserhaushalt und Wasserbilanzen 18
1.3.1 Wasserhaushaltsgleichungen. 18
1.3.2 Wasserwirtschaftliche Bilanzen 20
1.3.3 Wasserbilanzen der Wasserversorgung 22
1.3.4 Wasserbilanzen der Land- und Forstwirtschaft 23
1.3.5 Die Wasserbilanz Deutschlands 26
1.4 Der Wasserbedarf der Menschen 27
1.5 Sorgsamer Umgang mit Wasser 30
1.6 Angewandte Hydrogeologie 32
1.6.1 Grundwasser 32
1.6.2 Alter des Wassers 35
1.7 Typologie des Wassers 36
1.8 Klimawandel und Wasserressourcen 39
1.9 Literatur 41
2 Chemie des Wassers 44
2.1 Wasser als „Element“ 44
2.2 Molekularer Hintergrund 45
2.2.1 Summenformel und Struktur des Wassermoleküls 46
2.2.2 Wasser als polares Molekül – Wasserstoffbrückenbindungen (H-Brücken) 52
2.2.3 Thermodynamische Zusammenhänge – Isotopomere 57
2.3 Physikalische Eigenschaften 63
2.3.1 Strukturen – Dichteanomalie – Aggregatzustände – Phasendiagramm 63
2.3.2 Oberflächenspannung des Wassers – Kapillarwirkung 73
2.3.3 Viskosität – Kompressibilität 74
2.4 Wasser als Lösemittel 75
2.4.1 Elektrolyte – Nichtelektrolyte – Arten von Lösungen – Gehaltsangaben – Wasserhärte 76
2.4.2 Lösevorgang – Hydratationsenthalpie – Lösungsenthalpie – Temperatur- und Druckabhängigkeit 80
2.4.3 Chemisches Gleichgewicht: Eigendissoziation des Wassers – Löslichkeitsgleichgewichte – Komplexgleichgewichte 84
2.4.4 Ionen im Wasser, pH-Wert, Leitfähigkeit 89
2.4.5 Tenside – Kolloide – Sol-Gel-Prozess 103
2.4.6 Kolligative Eigenschaften: Dampfdrucksenkung – Siedepunkterhöhung – Gefrierpunkterniedrigung – Osmose 106
2.4.7 Dampfdruck homogener Gemische zweier Flüssigkeiten – Fraktionierte Destillation 111
2.5 Chemische Reaktionen des Wassers 115
2.5.1 Thermochemische und photokatalytische Wasserspaltung 115
2.5.2 Brennstoffzelle 117
2.5.3 Redoxchemie des Wassers – Elektrochemie in wässriger Lösung – Korrosion 120
2.5.4 Kondensations- und Hydrolysereaktionen 129
2.5.5 Kristallwasser, Aquakomplexe und feste Hydrate 132
2.6 Das Wassermolekül als Funktionseinheit in der Umwelt 135
2.6.1 Speziation – Gekoppelte Gleichgewichte 135
2.6.2 Summenparameter und Spezies 136
2.6.3 Gleichgewichtskonstanten und Konzentrationsquotienten 142
2.6.4 CO2, Kohlensäure und Carbonate 143
2.6.5 Wasser in der Biosphäre: Photosynthese – Atmung – Carboanhydrase 151
2.7 Literatur 157
3 Stoffe in Wasser 160
3.1 Grundzüge der Analytik und Qualitätssicherung 160
3.1.1 Klassische Methoden der Wasseranalytik 160
3.1.2 Messmethoden für anorganische Stoffe 162
3.1.3 Messmethoden für organische Stoffe (Summenparameter) 162
3.1.4 Analytik organischer Einzelstoffe 163
3.1.5 Qualitätssicherung in der Wasseranalytik 167
3.2 Natürliche Hauptinhaltsstoffe in Wässern 168
3.2.1 Gase 170
3.2.2 Ungelöste Stoffe 170
3.2.3 Gelöste anorganische Stoffe 171
3.2.4 Natürliche organische Stoffe 173
3.3 Natürliche und anthropogene anorganische Spurenstoffe 175
3.3.1 Nickel 176
3.3.2 Arsen 177
3.3.3 Uran 179
3.3.4 Fluorid 181
3.3.5 Radon 182
3.4 Anthropogene organische Spurenstoffe 182
3.4.1 Überblick 182
3.4.2 Organische Spurenstoffe im Wasserkreislauf 185
3.5 Literatur 191
4 Wasser als Lebensraum 194
4.1 Anpassungen an den Lebensraum Wasser 195
4.1.1 Biofilme 196
4.1.2 Diversität der Mikroorganismen im Wasser 205
4.1.3 Differenzierungen von Bakterien: Überdauerungsstadien, Kultivierbarkeit und VBNC. 207
4.2 Lebensräume gegliedert nach Substratverfügbarkeit 209
4.2.1 Lebensräume mit geringer Substratverfügbarkeit 216
4.2.2 Lebensräume mit mittlerer Substratverfügbarkeit 217
4.2.3 Lebensräume mit hoher Substratverfügbarkeit 218
4.3 Mikrobiologisch-hygienische Aspekte 219
4.3.1 Die klassischen Seuchen 219
4.3.2 Neue wasserbürtige Krankheitserreger 222
4.3.3 Neue Krankheitserreger mit fäkalem Ursprung 224
4.3.4 Neue, im Wassersystem wachsende Krankheitserreger 238
4.3.5 Das Indikatorprinzip 250
4.3.6 Indikatoren für fäkale Verunreinigungen 251
4.3.7 Technische Indikatoren 257
4.3.8 Cyanobakterien und Cyanotoxine 259
4.4 Mikrobiologische Aspekte bei der Aufbereitung 262
4.5 Mikrobiologische Aspekte bei der Desinfektion 266
4.6 Quantitative mikrobiologische Risikoabschätzung 268
4.7 Literatur 271
5 Nutzung des Wassers 274
5.1 Charakteristika der Rohwässer für ihre Nutzung 274
5.1.1 Grundwässer 274
5.1.2 Anthropogen veränderte Grundwässer 275
5.1.3 Quell- und Karstwässer 276
5.1.4 Seen und Talsperren 276
5.1.5 Fließgewässer 277
5.2 Wassergewinnung 278
5.2.1 Fließgewässer 278
5.2.2 Stehende Gewässer 279
5.2.3 Grund- und Quellwässer 279
5.3 Herkunft des Wassers für die öffentliche Wasserversorgung 281
5.4 Ziele und Verfahren 282
5.4.1 Überblick 282
5.4.2 Sedimentation 284
5.4.3 Flockung 287
5.4.4 Filtration 290
5.4.5 Membranverfahren 292
5.4.6 Adsorption 293
5.4.7 Gasaustausch 296
5.4.8 Entsduerung 297
5.4.9 Enthärtung 298
5.4.10 Ionenaustausch 300
5.4.11 Oxidation 303
5.4.12 Desinfektion 303
5.4.13 Biologische Verfahren 307
5.4.14 Verfahrenskombinationen 309
5.4.15 Die Sicherheit der Wasseraufbereitung (Water Safety Plan) 312
5.5 Abwasseranfall und Abwassercharakteristik 313
5.5.1 Häusliches Abwasser 313
5.5.2 Kommunale Abwässer 313
5.5.3 Niederschlagswasser 314
5.5.4 Industrielle und gewerbliche Abwässer 314
5.6 Kommunale Abwasserreinigung 315
5.6.1 Mechanisch-biologische Reinigung 315
5.6.2 Weitergehende kommunale Abwasserreinigung 316
5.7 Wiederverwendung von gereinigtem Abwasser 317
5.7.1 Wiederverwendung zur landwirtschaftlichen Bewässerung 317
5.7.2 Abwasserwiederverwendung für urbane Zwecke 318
5.7.3 Industrielle Wiederverwendung 319
5.7.4 Indirekte und direkte Abwasserwiederverwendung für Trinkwasser 319
5.8 Entsalzung von Brack- und Meerwasser 320
5.9 Dezentrale Systeme der Nutzung, Stoffstromtrennung, Reinigung und Kreislaufschließung 322
5.10 Werkstoffe und Trinkwasser 325
5.11 Literatur 332
6 Ordnungsrahmen der Wassernutzung 334
6.1 Einleitung 334
6.2 Ziele, Motive und Prinzipien von Regelungen 337
6.3 Akzeptanz und Akzeptierbarkeit von Risiken der Wassernutzung 340
6.3.1 Chemische Stoffe 342
6.3.2 Radioaktive Stoffe 343
6.3.3 Krankheitserreger 344
6.4 Gesundheitliche Leitwerte und Maßnahmenwerte 346
6.5 Grenzwerte und Parameterwerte 347
6.6 Akteure und Bestandteile des Ordnungsrahmens 349
6.7 Wasserhaushalt 350
6.8 Wasser für den menschlichen Gebrauch (Trinkwasser) 355
6.9 Mineral-, Quell- und Tafelwasser, Heilwasser 357
6.10 Badewasser und Badegewässer 358
6.11 Bewertung der Wassernutzung und der Effizienz des Ordnungsrahmens 360
6.11.1 Methoden der Bewertung 360
6.11.2 Indikatoren 361
6.11.3 Benchmarking 363
6.11.4 Ökobilanz/Life Cycle Assessment 364
6.12 Literatur 365
Register 368

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"Insgesamt bleibt festzuhalten, dass das vorliegende interdisziplinär angelegte Lehrbuch eine Lücke unterhalb der disziplinären Spezialliteratur schließt. Es ist allen Studierenden, die sich erstmals mit dem Thema Wasser auseinandersetzen, als Einstieg und guter Überblick zu empfehlen. Gleiches gilt für Praktiker und interessierte Laien."
Eckhard Worch in: Korrespondenz Wasserwirtschaft 4/2011

"Ein interessantes und ungewöhnliches Buch zum Thema Wasser ist vor kurzem im Verlag deGruyter erschienen. Es wendet sich hauptsächlich an Studierende in den entsprechenden Studiegängen, ist auch für den interessierten Laien."
Michael Gaßner in: Berufsverband der Hygieneinspektoren Baden-Württemberg e.V. - Newsletter Nr. 9, 15. September 2011

"Einen fundierten Überblick darüber, was wir heute über die Ressource Wasser wissen, bietet Studierenden wie interessierten Laien ein neu erschienenes Buch, geschrieben von drei TU-Professoren aus der Wasserreinhaltung [...] zusammen mit Fachleuten vom Umweltbundesamt. Es beleuchtet vielfältig Aspekte des lebensspendenden Nasses und regt zu sorgsamem Umgang mit dem Wasser und seiner nachhaltigen Nutzung an."
Patricia Pätzold in: TU Intern 10/2011