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    Water Footprinting - der Wasserfußabdruck

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    In diesem Artikel wird das Konzept des Water Footprints kurz erläutert und es werden methodische Schwierigkeiten diskutiert und konkrete Fallbeispiele vorgestellt. Man unterscheidet zwischen grünem, blauem und grauem Water Footprint (WF). Der blaue WF bezeichnet Grundwasser oder Oberflächengewässer, der grüne Regenwasser, welches, transpiriert und evapotranspiriert, in ein Produkt eingebaut oder aus einer Region abgeleitet wird. Der graue WF ist jenes Wasservolumen, welches notwendig ist, eine bestimmte Emissionsfracht an Substanzen derart zu verdünnen, dass Grenzwerte gerade erreicht werden. Entscheidend beim Umgang mit WF-Untersuchungen ist, dass die Berechnung des WF nur einen ersten Schritt darstellt, und der WF zusätzlich basierend auf definierten Nachhaltigkeitskriterien zu bewerten ist. Methodisch bestehen bei der Berechnung des grauen WF und der Bewertung des grünen WF bei noch offene Fragen und Diskussionsbedarf. Trotz dieser Einschränkungen hat sich der WF bereits als wichtiges Instrument bei der Bewusstseinsbildung in Hinblick auf die Bedeutung des Wasserbedarfes bei der Produktion von Lebensmitteln und anderen Produkten der Landwirtschaft sowie bei der Darstellung von virtuellen Wasserströmen, die mit internationalem Handel verbunden sind, bewährt

    Emissions of selected per- and polyfluoroalkyl substances into domestic wastewater

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    Im Zuge dieser Diplomarbeit wurden die Eintragspfade der sieben per- und polyfluorierten Alkylsubstanzen Perfluoroctansäure (PFOA), Perfluoroctansulfonsäure (PFOS), Perfluorhexansäure(PFHxA), Perfluorheptansäure (PFHpA), Perfluorhexansulfonsäure (PFHxS), Perfluornonansäure(PFNA) und H4-Perfluor-n-Octansulfonsäure (6:2 FTS) aus Haushalten in das Kanalsystem mittels Stoffflussanalyse untersucht. Dabei wurden die Prozesse „Körperpflege“, „Textilien-Nutzung und Textilien waschen“ sowie „Kanal“ betrachtet. Güterflüsse und PFAS-Konzentrationen wurden mittels Literaturrecherche ermittelt und daraus Stoffflüsse berechnet, wobei für die Transferkoeffizienten der Prozesse aufgrund fehlender Literaturangaben für alle Verbindungen die gleichen Annahmen getroffen wurden. Für die Stoffkonzentrationen im Kanal wurden Kläranlagenzuläufe, zum Teil bei Trockenwetter (Schmutzwasser), herangezogen. Der berechnete Gesamtinput in den Kanal wurde mit dessen Output gegenübergestellt und im Anschluss eine Fehlerausgleichsrechnung mittels STAN durchgeführt. Es zeigte sich, dass die Input- und Outputflüsse zum Teil stark voneinander abweichen und nur bei zwei der untersuchten Stoffen eine Überschneidung zwischen Input und Output feststellbar ist. Des Weiteren konnte nur bei fünf Stoffflussanalysen erfolgreich eine Fehlerausgleichsrechnung durchgeführt werden. Bei allen anderen Verbindungen fehlten entweder zu viele Messwerte oder es ergab sich ein negativer Stofffluss. Aufgrund der vielen offenen Fragen kann aktuell aus einer emissionsseitigen Abschätzung keine Aussage über die Fracht im Kanal getroffen werden, auch wenn sich für manche Substanzen eine schlüssige Bilanz ergibt. Beim Vergleich der verschiedenen Stoffflussanalysen zeigte sich, dass der Haupteintragspfad von Perfluorsulfonsäuren in den Haushalt Textilien sind, während Perfluorcarbonsäuren vor allem durch Importe aus dem Prozess „Körperpflege“ bestimmt sind. Lediglich die Perfluoroctansäure besitzt nennenswerte Einträge sowohl aus Körperpflegeprodukten als auch aus Textilien und Imprägniermittel. Die schon seit längerem regulierte Perfluoroctansulfonsäure, sowie die andere untersuchte Perfluorsulfonsäure, Perfluorhexansulfonsäure, wurden weit weniger in das System eingetragen als die betrachteten Perfluorcarbonsäuren. Vor allem die Importe „Sonnenschutzmittel“, „Body Lotion“, „Concealer“, „Teppiche“, „Vorhänge“,„Shirts“ und „Hosen“ spielen eine wichtige Rolle beim PFAS-Eintrag in Haushalte. Im Gegensatz dazu lagen die Frachten der Güter „Kajalstift“, „Eyeliner“, „Decken“, „Polsterbezüge“,„Daunensteppdecken“, „Badematten“, „Bademäntel“, „Handtücher“ sowie „Tischtücher“ selten bis nie über Null bzw. der Bestimmungsgrenze. Da jedoch teilweise die Anzahl der Messergebnisse sehr gering war, werden weitere Messungen sowohl auf Güter als auch auf Stoffebene benötigt, um sich ein detaillierteres Bild von der Situation machen zu können. Aktuell sind die Ergebnisse noch mit einigen Unsicherheiten behaftet. Neben den Unsicherheiten durch fehlende Daten und der getroffenen Annahmen beeinflussen auch Vorläufersubstanzen in noch unbekannten Ausmaß die Ergebnisse. Sie werden über mehrere Zwischenschritte zu nicht abbaubaren Verbindungen, wie die in dieser Arbeit betrachteten,umgewandelt.For this Master Thesis the emission pathways of seven per- and polyfluoralkyl substances,perfluorooctanoic acid (PFOA), Perfluorooctane sulfonic acid (PFOS), Perfluorohexanoic acid(PFHxA), Perfluoroheptanoic acid (PFHpA), perfluorohexane sulfonic acid, Perfluorononanoicacid (PFNA) and H4-perfluoro-n-octanesulfonic acid (6: 2 FTS) from households into the sewersystem were investigated with the material flow analysis. The processes “body care“, “textile useand textile washing“ and “sewerage“ were considered. With literature research the flows of goods and PFAS concentrations were determined, and material flows were calculated. Due to the lack of data, assumptions were made for the transfer coefficients independent of the substance. For the substance concentrations in the sewerage, sewage treatment plant intake, partly during dry weather (wastewater), were used.The calculated total input into the sewerage was compared with its output and afterwards anerror compensation calculation was performed using STAN. The input and output flows differedgreatly in some cases and only two substances showed an overlap between input and output. Furthermore, the error compensation calculations were only successful for five cases. For allother compounds, either too many values were missing, or material flows were negative. Due tomany open questions, an emission-based estimation about the load in the sewerage is currentlynot possible, even if the balance is conclusive for some substances.The comparison of the material flow analyses of different PFAS shows that the main pathwayof perfluorosulfonic acids into the household are textiles, while for perfluorocarboxylic acids they are imports from the process of “personal care“. Only perfluorooctanoic acid has notable inputs from personal care products, textiles and impregnating agents. The perfluorosulfonic acids,perfluorooctanesulfonic acid, which has been regulated for some time, and perfluorohexanesulfonicacid, are entering the system in far smaller amounts than the perfluorocarboxylic acids underconsideration. Especially the imports of “sunscreen“, “body lotion“, “concealer“, “carpets“, “curtains“, “shirts“and “pants“ are important PFAS inputs into households. In contrast, the material loads of “eyepencil“, “eyeliner“, “blankets“, “pillow case“, “down quilts“, “bath mats“, “bath robes“, “towels“and “tablecloths“ are rarely or never above zero resp. the limit of quantification. However, since in some cases there were too few values, further measurements are required, both at the goods and at the substance level, for more detailed results. Currently, there are several uncertainties in the results. In addition to the uncertainties due to missing data and the assumptions made, precursorsubstances also affect the results to an unknown extent. They are transformed via several intermediate steps into non-degradable compounds, such as those considered in this thesis

    Analysis of the adsorption properties of organic trace substances and heavy metals on sediments from lake Neusiedl

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    Die Konzentrationen an organischen Spurenstoffen und Schwermetallen werden in Zukunft in Gewässern ansteigen. Am Beispiel des Neusiedlersees ist die Konzentration an organischen Spurenstoffen und Schwermetallen im Seewasser geringer, als es der Eintrag durch den größten Zubringer, der Wulka, vermuten lässt. Eine Möglichkeit, wie die Stoffe aus dem Seewasser entfernt werden, besteht in der Adsorption an das Sediment. Die vorliegende Diplomarbeit beschäftigt sich mit der Adsorption von ausgewählten organischen Spurenstoffen und Schwermetallen an Sedimenten des Neusiedlersees. Der Schwerpunkt liegt dabei auf der Bestimmung der Kinetik, der Modellierung von Adsorptions Isothermen und der Bestimmung der Entfernungsrate der betrachteten Stoffe. Der Einfluss des Sauerstoffgehaltes und der Temperatur auf die Adsorption wurde untersucht. Mit Hilfe der Ergebnisse wird ein Rückschluss auf die Adsorption, bei einem Anstieg der Konzentrationen um das Zehnfache, gezogen. Daten für die Auswertung wurden aus Schüttelkolbenversuchen gewonnen. Dabei wurde der Versuch der Kinetik, in Abhängigkeit von vier Versuchsbedingungen, für die Versuchsdauer der folgenden Adsorptionsversuche herangezogen. Die Versuchsbedingungen definieren den Sauerstoffgehalt und die Temperatur. Nach 72 Stunden stellte sich bei allen Stoffen ein Gleichgewicht, zwischen der Konzentration in der flüssigen Phase und der Beladung des Sedimentes, ein. Bei den betrachteten organischen Spurenstoffen handelt es sich um Acesulfam K, Bezafibrat, Carbamazepin, Diclofenac, Perfluoroctansulfonsäure (PFOS) und Perfluoroctansäure (PFOA). Zudem wurden die Schwermetalle Blei, Cadmium, Kupfer, Nickel und Zink analysiert. Die Stoffe wurden in einem Mehrkonzentrationsgemisch analysiert. Das Adsorptionsverhalten der betrachteten Stoffe wird an drei verschiedenen Sedimenten, in Abhängigkeit von vier Versuchsbedingungen, untersucht und bewertet. Die Laborergebnisse der Adsorptionsversuche wurden zur Bestimmung der Henry, Freundlich und Langmuir Isotherme herangezogen. Die Isothermen wurden aus den Daten mit einer linearisierten Regression modelliert. Mit Hilfe der daraus abzuleitenden Informationen konnten Aussagen zur Stärke der Adsorption über den KH-Wert und den KF -Wert sowie die maximale Beladung des Sedimentes über den qm-Wert getroffen werden. Von den organischen Spurenstoffen wiesen PFOS und PFOA die größten KH-Werte auf. Bei den Schwermetallen zeigte Zink die höchsten Werte für KH. Bei der Auswertung nach Freundlich stellte sich Carbamazepin mit dem größten KF -Wert heraus. Den höchsten KF -Wert bei den Schwermetallen verzeichnete Blei. Unter den organischen Spurenstoffen wiesen Carbamazepin und Diclofenac die größten Werte für die maximale Beladung des Sedimentes auf. Bei den Schwermetallen lag der größte Wert der maximalen Beladung bei Zink vor. Die Auswertung der Ergebnisse lässt nur in Einzelfällen auf einen direkten Zusammenhang mit den Versuchsbedingungen schließen. Viel mehr zeigt sich eine Abhängigkeit der Ergebnisse vom verwendeten Sediment und dessen Zusammensetzung. Organische Spurenstoffe wurden stärker an Sedimenten adsorbiert, die einen höheren Anteil an organischen Substanzen aufwiesen. Ein Zusammenhang zwischen dem log KOW und einer stärkeren Adsorption wurde nicht bestätigt. Hohe Entfernungsraten konnten bei allen Stoffen nachgewiesen werden. Die Ergebnisse lassen darauf schließen, dass im Neusiedlersee weiterhin Stoffe aus dem Seewasser an das Sediment adsorbiert werden können.In the future the concentrations of organic trace substances and heavy metals will increase in water bodies. In the example of Lake Neusiedl, the concentration of organic trace substances and heavy metals in lake water is lower than assumed with regards to the supply of its largest tributary, Wulka. One way of removing the substances from the lake water is by adsorption to the sediment. This diploma thesis analyses the adsorption of selected organic trace substances and heavy metals on sediments of Lake Neusiedl. The focus lies on the determination of kinetics, the modelling of adsorption isotherms and the removal rate of the considered substances. The influence of oxygen content and temperature on adsorption was examined. The results are then used to draw conclusions about the adsorption when concentrations increase tenfold. The data collected from the adsorption experiments was obtained using the shaking flask methodology. Kinetic experiments were conducted examining four different variables and the results from these experiments were used to calculate the time of the following adsorption experiments. These variables also defined the oxygen content and temperature for the experiments. It can be assumed that after 72 hours all substances reach equilibrium between the concentration in the liquid phase and loading of the sediment. The organic trace substances meassured during this study were Acesulfame K, Bezafibrate, Carbamazepine, Diclofenac, PFOS and PFOA. Furthermore, the heavy metals Lead, Cadmium, Copper, Nickel and Zinc were investigated; however no results were obtained for Cadmium. All heavy metals and organic trace substances were combined to create a single liquid phase multi-concentration mixture that was used throughout the experiments. The adsorption patterns of the studied substances were measured in response to four different variables and in three different sediments. The Henry, Freundlich and Langmuir isotherms were modelled using the data from these experiments and a linear regression was calculated. The results provided information on the adsorption strength, and were used to calculate the KH-value and KF -values. The maximal loading rates of the sediments were calculated in the form of the qm-values. The results demonstrate that among all the studied organic trace substances, PFOS and PFOA have the highest KH-value. In the case of the heavy metals, the highest KH-value was found for Zinc. Following the Freundlich method, Acesulfame was the organic trace substance with the highest KF -value, while Zinc was the heavy metal with the highest KF . With regards to the maximum loading sediment rate, Carbamazepine and Diclofenac were the organic trace substances with the highest values while Copper had the highest value among the heavy metals. The adsorption rates between different sediments were significantly different. Additionally, in a few cases there was a direct correlation between the tested variables and the adsorption rates. Organic trace substances had a stronger adsorption on sediments containing a higher percentage of organic substances. There was no correlation between log Kow value and adsorption rates. The experiments show that it is possible for sediments from lake Neusiedl to remove up to 100 % of the substances by adsorption. The results show that the sediment of lake Neusiedl can still adsorb substances from the water and has not reached saturation yet

    Integrating climate change into a conceptual framework for river basin management by the example of the Rhône river basin

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    With the adoption of the European Water Framework Directive in 2000 European Member States have set ambitious goals for River Basin Management (RBM) to be reached in 2027. However, European rivers, indispensable for human life and irreplaceable hubs for freshwater ecosystems, are strongly impacted by existing anthropogenic pressures and highly sensitive to alterations of the hydrologic cycle induced by climate change. As, with global warming and human water use, multiple stressors impact water quantity and water quality, conserving and restoring good ecological and chemical status of rivers particularly in climate-sensitive regions such as the Rhône River Basin, has become a herculean task for water management. By modifying the conceptual model “Driver-Pressure-State-Impact-Response” (DPSIR), this thesis aims to show how climate change directly influences anthropogenic activities and natural conditions, thereby producing consequences for human water use and the ecological and chemical status of surface water bodies. Previous modifications of the DPSIR framework and policy responses towards integrating climate change into RBM guide the development of the “Driver-Pressure- State-Impact-Response-Climate Change” (DPSIR-CC) model. By the example of water management in the Durance catchment, a sub-catchment of the Rhône River Basin, the case study illustrates how climate projections and hydrologic models could inform water quality management. A qualitative to semi-quantitative analysis allows assessing how changes in the water environment could affect hydropower production and how ecological and chemical status of the Durance River could be impacted. Results obtained within the case study show that the model is suitable for water quality monitoring, since it allows analysing the interrelation between various causes which trigger changes in the environment. The case study, however, revealed a lack of consistent terminology, a weakness, which results from adopting the precursor model without establishing a novel definition for each component. Furthermore, it was found that additional research on climate change impacts on rivers and streams is needed in order to build a thorough understanding of emerging challenges for River Basin Management. Finally, this thesis has developed a structure, which allows water management tackling the herculean task of integrating climate change into a conceptual framework for water quality monitorin

    Phosphorus accounting of lake Atitlán in Guatemala

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    While the population of the Guatemalan Lake Atitlán basin grows at a rapid pace, the flow of the nutrient phosphorus into the lake has reached a point where eutrophication is imminent again, after already having occurred in 2009 and 2015. This researchs hows which nutrient flows can be adapted to counter balance the current negative nutrient balance. A material flow analysis for the nutrient phosphorus in the boundariesof the Lake Atitlán catchment area was created to this end. The results confirm the negative trend and show where a reduction in the use of phosphorus fertilizer and there placement with livestock manure in agricultural practices, as well as an adapted waste water management system, have an enormous potential to balance out the current trend

    Reduktion von Bias und Erhöhung der Transparenz im Zuge der maßstabsübergreifenden Ausweisung kritischer Herkunftsgebiete

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    Sogenannte kritische Herkunftsgebiete sind ein etabliertes Konzept, wenn es um die Eindämmung diffuser Gewässerbelastungen geht. Es beruht auf der Idee, dass nur ein begrenzter Teil eines Flusseinzugsgebiets wesentlich zu einer stofflichen Belastung der zugehörigen Oberflächengewässer beiträgt. Kennzeichnend für kritische Herkunftsgebiete sind daher hohe Stoffemissionen und ein hoher Anbindungsgrad an Oberflächengewässer. Obwohl dieses Konzept grundsätzlich auf unterschiedlichste stoffliche Belastungen angewendet werden kann, ist es im Fall von Schwebstoffen und sedimentgebundenen Stoffen wie partikulärem Phosphor besonders relevant.Die Hauptmotivation für seine Anwendung stellt die Einbeziehung ökonomischer Prinzipien inder Wassergütewirtschaft dar. Empfohlene Anpassungen der landwirtschaftlichen Praxis, die auf eine Verbesserung der Wasserqualität abzielen, gehen oft zu Lasten der Ernteerträge und werden daher von den zuständigen Behörden häufig mit finanziellen Anreizen begleitet. Selbst wenn solche Behörden bereit sind, das Konzept der kritischen Herkunftsgebiete anzuwenden, ist eine detaillierte Ausweisung auf beispielsweise der Feldebene schwierig, weshalb sich diese Behörden oft an die Flusseinzugsgebietsebene halten, die einfacher zu handhaben ist und in der Regel ausreichend Daten für die Anwendung der Wahrscheinlichkeitstheorie als Entscheidungsgrundlage aufweist.Der hohe Bedarf an Daten und Rechenressourcen sowie fehlendes Prozessverständnis verhindern oft eine detaillierte Ausweisung kritischer Herkunftsgebiete. Ein gestaffelter Ansatz, der räumlich aggregierte mit räumlich verteilten Modellen kombiniert, ist jedoch eine mögliche Lösung für dieses Problem. Diese Arbeit konzentriert sich daher auf die Reduktion von Bias und Erhöhung der Transparenz im Zuge der maßstabsübergreifenden Ausweisung kritischer Herkunftsgebiete,indem sie (i) ein einfaches Bayessches hierarchisches Modell zur Vorhersage von Sedimentfrachten auf Flusseinzugsgebietsebene entwickelt, das sich für die Einbindung in räumlich aggregierteFlusseinzugsgebietsmodelle eignet, (ii) einen Weg aufzeigt, wie man die Verbesserung eines semi-empirischen, räumlich verteilten Phosphoremissions- und Transportmodells mit Hilfe einer Kartierungskampagne und eines weiteren Bayesschen hierarchischen Modells vorantreiben kann,um den Einfluss kulturtechnischer Maßnahmen auf diffuse partikuläre Phosphoremissionen in landwirtschaftlichen Einzugsgebieten zu bewerten, und (iii) eine Methode zur Ausweisung kritischer Herkunftsgebiete auf Feldebene für Flusseinzugsgebiete mit einer Größe von mehreren hundert Quadratkilometern entwickelt, die auf den Ergebnissen potenziell unterschiedlicher räumlich verteilter Modelle basiert und in der Möglichkeitstheorie verankert ist.Da diese Arbeit hauptsächlich in einem Umfeld operiert, in dem bestimmte Daten nur äußerst spärlich vorhanden sind, wodurch insbesondere die frequentistische Wahrscheinlichkeitstheorie, die sich auf Punktschätzungen konzentriert, nur eine sehr begrenzte Orientierungshilfe darstellt,macht sie in erheblichem Maß von der Bayesschen Wahrscheinlichkeitstheorie und der Möglichkeitstheorie Gebrauch. Insbesondere letztere passt perfekt zum Vorsorgeprinzip der EU Wasserrahmenrichtlinie und kann in einem sich ständig wandelnden Umfeld an der Schnittstelle von Wirtschaft, menschlichem Verhalten, Umwelt und technischem Fortschritt Orientierungbieten.Critical source areas are a well-established concept in the field of diffuse water pollution control.It is based on the idea that only a limited share of a river catchment area significantly contributes to a pollution load of the corresponding surface waters. Characteristics of critical source areas are therefore high pollutant emissions and a high connectivity to surface waters. While this concept is basically applicable to many different pollutants, it is particularly relevant in the case of suspended solids and sediment-bound pollutants like particulate phosphorus.The primary motivation for its application lies in the inclusion of economic principles in water quality management. Recommended changes in agricultural practices aimed at improving water quality often come at the expense of reduced crop yields and thus are commonly monetarily incentivised by responsible authorities. Even when such authorities are willing to adopt the concept of critical source areas, their detailed designation at, for example, the field level is difficult, hence why these authorities often stick to the catchment level, which is easier to handle and often holds enough data for the application of probability theory as a basis for decisions.Demanding data and computational resource requirements as well as lacking process knowledge often prevent the designation of critical source areas at larger scales. However, a tiered approach combining lumped catchment models with spatially-distributed models is a possible solution tothis. This thesis therefore focuses on reducing bias and increasing transparency in the designation process of critical source areas across scales by (i) developing a parsimonious Bayesian hierarchical model to predict river sediment yields at catchment scale suitable to incorporate into lumped catchments models, (ii) showing a way how to push the enhancement of a semi-empirical, spatially distributed phosphorus emission and transport model with the help of a small mapping campaign and another Bayesian hierarchical model in order to assess the impact of agricultural as well ascivil engineering structures on diffuse particulate phosphorus emissions in agricultural catchments,and (iii) developing a method for the designation of critical source areas at field level within catchments of several hundred square kilometres based on the results of potentially diverse spatially distributed models and rooted in the theory of possibility.As this thesis mainly operates in a sparse data environment where particularly frequentist probability theory focusing on point estimates only provides limited guidance, it makes consider a bleuse of Bayesian probability theory and the theory of possibility. Especially the latter fit sperfectly to the precautionary principle of the European Union Water Framework Directive andcan provide guidance in an ever changing environment at the interface of economics, human behaviour, environment and technological progress

    The protection of lakes in the face of climate change challenges regarding the preservation of the "good water status" : Explained on the examples of Lake Constance and Lake Neusiedl

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    The focus of this master thesis is put on the effects of climate change on standing water bodies in Austria, based on literature research as well as a comparative study. Explained on the examples of Lake Constance and Lake Neusiedl it intends to show that lakes react differently to the challenges posed by global warming: For the whole of Austria, the temperature increase is expected be faster than on the global average. So far, the mean temperatures in the federal republic have risen for +1,8°C since the 1880s and this trend is very likely to continue in the future. As a result, there will be an increase in evaporation. Precipitation patterns are characterized by regional differences with large insecurities about the future trend. Overall, rainfall levels have slightly increased since the 1970s, with the only exception being Austria's south-east. These changes have an impact on the hydrology of standing water bodies: There is a close connection between the average air and water temperate. The comparison showed that the Neusiedlersee's water balance is mostly dependent on the annual difference between evaporation and precipitation. Because there is little water input from inflows, a complete dry-out scenario is possible and might threaten its survival, which is also endangered by the extension of the reed belt. Lake Constance is strongly influenced by the temperature regime. It is vertically divided into layers with exchange only possibly during spring and autumn/ winter, when the whole water body assumes the same temperature allowing wind to mix it through. Mild winters with warmer-than-average temperatures result in longer periods of thermal stability. This has an impact on the oxygen content in the lake's Hypolimnion, potentially resulting in anoxia. Furthermore, it may cause the mobilisation of nutrients stored in the lake's bed. Taking account of the characteristics of standing water bodies is essential for the achievement and preservation of the "good ecological and chemical water status" as set forth by the Water Framework Directive: By comparing Lake Constance and the Neusiedlersee it becomes apparent that their potential degradation needs to be addressed by management plans which consider the long-term effects of measures
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