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11.2: Eigenschaften von Wasser - Geowissenschaften


Die physikalischen und chemischen Eigenschaften von Wasser machen es lebensnotwendig und für die Zivilisation nützlich. Wasser ist ein Molekül, das aus einem negativ geladenen (-2) Sauerstoffion und zwei positiv geladenen (+1) Wasserstoffionen besteht, was ihm die chemische Formel H . gibt2O, mit starken kovalenten Bindungen zwischen dem Sauerstoff und zwei Wasserstoffionen. Die Form des Wassermoleküls ermöglicht eine ungleichmäßige Ladungsverteilung, wobei eine Seite leicht positiv und eine Seite leicht negativ ist. Aus diesem Grund Polarität, Wassermoleküle bilden miteinander Wasserstoffbrückenbindungen. Wasserstoffbrückenbindungen sind elektrostatische intermolekulare Bindungen, die schwächer sind als ionische und kovalente Bindungen (siehe Diskussion im Kapitel Mineralien). Wasser ist amphoter, d.h. es kann sich selbst ionisieren und in ein saures Wasserstoffion (H+) und ein Hydroxylion (OH), chemisch eine Base. Aufgrund seiner Polarität und seiner Fähigkeit, amphoter, Wasser ist ein universelles Lösungsmittel—eine Chemikalie, die eine Vielzahl anderer Chemikalien auflösen kann.

Andere Nebenwirkungen der Polarität des Wassers sind Zusammenhalt (Wasser klebt gerne an sich selbst) und Adhäsion (Wasser klebt gerne an anderen Dingen). Wasser hat die höchste Kohäsion aller nichtmetallischen Flüssigkeiten. Kohäsion verleiht Wasseroberflächenspannung, wodurch Wassergleiter-Insekten auf der Wasseroberfläche schwimmen können. Die Oberflächenspannung gibt Regentropfen eine Kugelform. Kapillarwirkung tritt auf, wenn eine Kombination von adhäsiven und kohäsiven Kräften dazu führt, dass Wasser durch enge Passagen und Rohre steigt und höher als die umgebende Flüssigkeit steigt. Kapillarwirkung tritt auf, wenn die Adhäsion von Wasser am Rohr größer ist als die inneren Kohäsionskräfte des Wassers. Papierhandtücher haben kleine Poren, die Kapillarkräfte nutzen, um verschüttetes Wasser zu entfernen. Pflanzen nutzen Kapillarkräfte, um Wasser in ihr Gewebe zu pumpen.

Wasser hat eine hohe spezifische Wärmekapazität. Spezifische Wärme ist die Wärmemenge, die erforderlich ist, um die Temperatur eines Stoffes zu erhöhen. Im Vergleich zu vielen anderen Stoffen benötigt Wasser viel Wärme, um seine Temperatur zu erhöhen. Die hohe spezifische Wärme von Wasser ermöglicht es, als Energiepuffer bei extremen Lufttemperaturschwankungen zu fungieren. Es ermöglicht den Ozeanen auch, Sonnenwärme aufzunehmen, ohne die Temperatur stark zu ändern, und diese Wärme durch Strömungen über die Erde zu verteilen, wodurch die Erde bewohnbar wird.

Die Dichtekurve von Wasser zeigt, dass Wasser beim Abkühlen dichter wird, wie dies bei den meisten anderen Stoffen der Fall ist, aber seine größte Dichte tritt bei etwa 4 Grad Celsius auf, während die meisten anderen Stoffe weiter an Dichte zunehmen, bis sie gefrieren. Diese einzigartige Dichtekurve bedeutet, dass Wasser knapp über seinem Gefrierpunkt am dichtesten ist und sinkt. So bleiben die Ozeane flüssig. Wenn sich Wasser wie andere Stoffe verhalten würde, würden die Ozeane gefroren.

Wenn Wasser gefriert, ordnen sich die Moleküle in einer wohlgeordneten Kristallstruktur an, wodurch ein größerer Abstand zwischen den Molekülen entsteht, als wenn das Wasser in flüssiger Form vorliegt. Der Unterschied im molekularen Abstand führt dazu, dass Eis weniger dicht ist als Wasser, was es schwimmfähiger macht als flüssiges Wasser, wodurch es auf dem Wasser schwimmt. Auf der Oberfläche eines Sees schwimmendes Eis isoliert aufgrund seiner hohen spezifischen Wärmekapazität das darunter liegende flüssige Wasser und verhindert, dass es gefriert.

Wasser hat aufgrund seiner Wasserstoffbrückenbindungen auch eine hohe Verdampfungswärme. Um Wasser zu verdampfen, wird viel Energie benötigt. Beim Verdampfen von Wasser wird Energie durch das Aufbrechen von Wasserstoffbrückenbindungen absorbiert und die Luft um das verdampfende Wasser gekühlt. Diese Energie wird im Wasserdampf gespeichert.


11.1 Der Auflösungsprozess

Ein früheres Kapitel dieses Textes wurde eingeführt Lösungen, definiert als homogene Mischungen aus zwei oder mehr Stoffen. Oft liegt eine Komponente einer Lösung in einer deutlich höheren Konzentration vor, in diesem Fall wird sie als bezeichnet Lösungsmittel. Die anderen Bestandteile der Lösung, die in relativ geringeren Konzentrationen vorhanden sind, werden als bezeichnet gelöste Stoffe. Zucker ist ein kovalenter Feststoff, der aus Saccharosemolekülen besteht, C12H22Ö11. Wenn sich diese Verbindung in Wasser auflöst, werden ihre Moleküle gleichmäßig auf die Wassermoleküle verteilt:

Das tiefgestellte „aq” in der Gleichung bedeutet, dass die Saccharosemoleküle gelöste Stoffe sind und daher and individuell verteilt während der gesamten wässrige Lösung (Wasser ist das Lösungsmittel). Obwohl Saccharosemoleküle schwerer sind als Wassermoleküle, bleiben sie in der Lösung dispergiert, wodurch sie sich im Laufe der Zeit nicht „absetzen“.

Wie bei der Mischung aus Zucker und Wasser ist auch diese Mischung eine wässrige Lösung. Seine gelösten Stoffe, Kalium- und Dichromat-Ionen, bleiben einzeln zwischen den Lösungsmittelmolekülen (Wasser) dispergiert.

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Besuchen Sie dieses virtuelle Labor, um Simulationen der Auflösung üblicher kovalenter und ionischer Substanzen (Zucker und Salz) in Wasser zu sehen.

Wasser wird so oft als Lösungsmittel verwendet, dass das Wort Lösung für viele Menschen eine wässrige Lösung bedeutet. Jedoch kann fast jedes Gas, jede Flüssigkeit oder jeder Feststoff als Lösungsmittel fungieren. Viele Legierungen sind feste Lösungen eines Metalls, das in einem anderen gelöst ist, zum Beispiel enthalten US-Fünf-Cent-Münzen Nickel in Kupfer gelöst. Luft ist eine gasförmige Lösung, eine homogene Mischung aus Stickstoff, Sauerstoff und mehreren anderen Gasen. Sauerstoff (ein Gas), Alkohol (eine Flüssigkeit) und Zucker (ein Feststoff) lösen sich alle in Wasser (einer Flüssigkeit) auf, um flüssige Lösungen zu bilden. Tabelle 11.1 gibt Beispiele für mehrere verschiedene Lösungen und die Phasen der gelösten Stoffe und Lösungsmittel.

Lösung Gelöst Lösungsmittel
Luft Ö2(G) Nein2(G)
Erfrischungsgetränke 1 CO2(G) H2Ö(l)
Wasserstoff in Palladium H2(G) Pd(so)
Alkohol zum Einreiben H2Ö(l) C3H8Ö(l) (2-Propanol)
Salzwasser NaCl(so) H2Ö(l)
Messing- Zn(so) Cu(so)

Lösungen weisen diese charakteristischen Merkmale auf:

  • Sie sind homogen, nachdem eine Lösung gemischt wurde, sie hat an allen Stellen die gleiche Zusammensetzung (ihre Zusammensetzung ist einheitlich).
  • Der physikalische Zustand einer Lösung – fest, flüssig oder gasförmig – ist typischerweise der gleiche wie der des Lösungsmittels, wie die Beispiele in Tabelle 11.1 zeigen.
  • Die Komponenten einer Lösung sind auf molekularer Ebene dispergiert. Sie bestehen aus einer Mischung getrennter gelöster Partikel (Moleküle, Atome und/oder Ionen), die jeweils eng von Lösungsmittelspezies umgeben sind.
  • Der gelöste gelöste Stoff in einer Lösung setzt sich nicht ab oder trennt sich nicht vom Lösungsmittel.
  • Die Zusammensetzung einer Lösung bzw. die Konzentration ihrer Bestandteile kann stufenlos variiert werden (innerhalb der durch die Löslichkeit der Komponenten, die später in diesem Kapitel ausführlich besprochen werden).

Die Bildung von Lösungen

Die Bildung einer Lösung ist ein Beispiel für einen spontanen Prozess, einen Prozess, der unter bestimmten Bedingungen ohne den Bedarf von Energie aus einer externen Quelle abläuft. Manchmal wird eine Mischung gerührt, um den Auflösungsprozess zu beschleunigen, aber dies ist nicht notwendig, schließlich bildet sich eine homogene Lösung. Das Thema Spontaneität ist für das Studium der chemischen Thermodynamik von entscheidender Bedeutung und wird in einem späteren Kapitel dieses Textes ausführlicher behandelt. Für die Diskussion in diesem Kapitel genügt es, zwei Kriterien zu berücksichtigen, die Gefallen, garantieren aber nicht die spontane Lösungsbildung:

  1. eine Abnahme der inneren Energie des Systems (eine exotherme Änderung, wie im vorherigen Kapitel über Thermochemie diskutiert)
  2. eine verstärkte Verteilung von Materie im System (was auf eine Zunahme der Entropie des Systems, wie Sie im späteren Kapitel über Thermodynamik erfahren werden)

Während des Auflösungsprozesses kommt es oft, aber nicht immer, zu einer inneren Energieänderung, wenn Wärme absorbiert oder entwickelt wird. Eine Zunahme der Stoffverteilung ergibt sich immer dann, wenn sich eine Lösung aus der gleichmäßigen Verteilung von gelösten Molekülen in einem Lösungsmittel bildet.

Wenn sich die Stärken der intermolekularen Anziehungskräfte zwischen gelösten Stoffen und Lösungsmittelspezies in einer Lösung nicht von denen unterscheiden, die in den getrennten Komponenten vorhanden sind, wird die Lösung ohne begleitende Energieänderung gebildet. Eine solche Lösung wird als ideale Lösung bezeichnet. Eine Mischung aus idealen Gasen (oder Gasen wie Helium und Argon, die sich dem idealen Verhalten sehr nahe kommen) ist ein Beispiel für eine ideale Lösung, da die Einheiten, die diese Gase umfassen, keine signifikanten intermolekularen Anziehungen erfahren.

Beim Verbinden von Helium- und Argonbehältern vermischen sich die Gase spontan durch Diffusion und bilden eine Lösung (Abbildung 11.3). Die Bildung dieser Lösung beinhaltet eindeutig eine Zunahme der Materieverteilung, da die Helium- und Argonatome ein doppelt so großes Volumen einnehmen wie jeweils vor dem Mischen.

Ideale Lösungen können auch entstehen, wenn strukturell ähnliche Flüssigkeiten gemischt werden. Mischungen der Alkohole Methanol (CH3OH) und Ethanol (C2H5OH) bilden ebenso ideale Lösungen wie Mischungen der Kohlenwasserstoffe Pentan, C5H12, und Hexan, C6H14. Das Einbringen von Methanol und Ethanol oder Pentan und Hexan in die in Abbildung 11.3 gezeigten Kolben führt zur gleichen Diffusion und anschließenden Vermischung dieser Flüssigkeiten wie bei den Gasen He und Ar (wenn auch mit einer viel langsameren Geschwindigkeit), was zu Lösungen mit keine wesentliche Energieänderung. Im Gegensatz zu einem Gasgemisch erfahren die Komponenten dieser flüssig-flüssig-Lösungen jedoch tatsächlich intermolekulare Anziehungskräfte. Da aber die Moleküle der beiden vermischten Stoffe strukturell sehr ähnlich sind, sind die intermolekularen Anziehungskräfte zwischen gleichen und ungleichen Molekülen im wesentlichen gleich, und der Auflösungsvorgang bringt daher keine nennenswerte Energiezunahme oder -abnahme mit sich. Diese Beispiele veranschaulichen, wie allein eine erhöhte Stoffverteilung die treibende Kraft liefern kann, die erforderlich ist, um die spontane Bildung einer Lösung zu bewirken. In einigen Fällen können jedoch die relativen Größen der intermolekularen Anziehungskräfte zwischen gelösten Stoffen und Lösungsmittelspezies die Auflösung verhindern.

Drei Arten intermolekularer Anziehungskräfte sind für den Auflösungsprozess relevant: gelöster Stoff, gelöster Stoff und gelöster Stoff. Wie in Abbildung 11.4 dargestellt, kann die Bildung einer Lösung als ein schrittweiser Prozess angesehen werden, bei dem Energie verbraucht wird, um die Anziehungskraft von gelösten Stoffen und Lösungsmitteln zu überwinden (endotherme Prozesse) und freigesetzt wird, wenn die Anziehung von gelösten Stoffen und Lösungsmitteln aufgebaut wird (exothermer Prozess). als Solvatation bezeichnet). Die relativen Größen der mit diesen schrittweisen Prozessen verbundenen Energieänderungen bestimmen, ob der Auflösungsprozess insgesamt Energie freisetzt oder absorbiert. In einigen Fällen bilden sich keine Lösungen, weil die Energie, die zum Trennen von gelösten Stoffen und Lösungsmittelspezies erforderlich ist, viel größer ist als die durch Solvatation freigesetzte Energie.

Betrachten Sie das Beispiel einer ionischen Verbindung, die sich in Wasser auflöst. Die Bildung der Lösung erfordert, dass die elektrostatischen Kräfte zwischen den Kationen und Anionen der Verbindung (gelöster Stoff – gelöster Stoff) vollständig überwunden werden, da zwischen diesen Ionen und Wassermolekülen (gelöster Stoff – Lösemittel) Anziehungskräfte aufgebaut werden. Wasserstoffbrückenbindungen zwischen einem relativ kleinen Teil der Wassermoleküle müssen ebenfalls überwunden werden, um gelöste gelöste Stoffe aufzunehmen. Wenn die elektrostatischen Kräfte des gelösten Stoffes deutlich größer sind als die Solvatationskräfte, ist der Auflösungsprozess deutlich endotherm und die Verbindung löst sich möglicherweise nicht in nennenswertem Maße auf. Calciumcarbonat, der Hauptbestandteil von Korallenriffen, ist ein Beispiel für eine solche „unlösliche“ ionische Verbindung (siehe Abbildung 11.1). Auf der anderen Seite, wenn die Solvatationskräfte viel stärker sind als die elektrostatischen Kräfte der Verbindung, ist die Auflösung deutlich exotherm und die Verbindung kann sehr gut löslich sein. Ein übliches Beispiel für diese Art von ionischer Verbindung ist Natriumchlorid, das allgemein als Kochsalz bekannt ist.

Wie zu Beginn dieses Moduls erwähnt, wird die spontane Lösungsbildung durch exotherme Auflösungsprozesse begünstigt, aber nicht garantiert. Während sich viele lösliche Verbindungen tatsächlich unter Wärmeabgabe auflösen, lösen sich einige endotherm auf. Ammoniumnitrat (NH4NEIN3) ist ein solches Beispiel und wird verwendet, um Instant-Kühlpackungen zur Behandlung von Verletzungen herzustellen, wie sie in Abbildung 11.5 dargestellt sind. Ein dünnwandiger Plastikbeutel mit Wasser wird in einem größeren Beutel mit festem NH . versiegelt4NEIN3. Wenn der kleinere Beutel zerbrochen ist, wird eine Lösung von NH4NEIN3 bildet, absorbiert Wärme aus der Umgebung (der verletzten Stelle, auf die die Packung aufgebracht wird) und bildet eine kalte Kompresse, die Schwellungen verringert. Endotherme Auflösungen wie diese erfordern einen größeren Energieeintrag, um die gelösten Spezies abzutrennen, als bei der Solvatisierung der gelösten Stoffe gewonnen wird, aber sie sind dennoch spontan aufgrund der Zunahme der Unordnung, die mit der Bildung der Lösung einhergeht.

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Sehen Sie sich dieses kurze Video an, das endotherme und exotherme Auflösungsprozesse veranschaulicht.


Dipol&ndashDipol-Wechselwirkungen

Polare kovalente Bindungen verhalten sich so, als ob die gebundenen Atome lokalisierte Teilladungen hätten, die gleich, aber entgegengesetzt sind (d. h. die beiden gebundenen Atome erzeugen a Dipol). Wenn die Struktur eines Moleküls so ist, dass sich die einzelnen Bindungsdipole nicht aufheben, dann hat das Molekül ein Nettodipolmoment. Moleküle mit Nettodipolmomenten neigen dazu, sich so auszurichten, dass sich das positive Ende eines Dipols in der Nähe des negativen Endes eines anderen befindet und umgekehrt, wie in Abbildung (PageIndex<1a>) gezeigt.

Abbildung (PageIndex<1>): Attraktive und abstoßende Dipol&ndashDipol-Wechselwirkungen. (a und b) Molekulare Orientierungen, bei denen das positive Ende eines Dipols (&delta + ) nahe dem negativen Ende eines anderen (&delta &minus ) liegt (und umgekehrt) erzeugen anziehende Wechselwirkungen. (c und d) Molekulare Orientierungen, die die positiven oder negativen Enden der Dipole an benachbarten Molekülen gegenüberstellen, erzeugen abstoßende Wechselwirkungen.

Diese Anordnungen sind stabiler als Anordnungen, bei denen zwei positive oder zwei negative Enden benachbart sind (Abbildung (PageIndex<1c>)). Daher sind Dipol&ndashdipol-Wechselwirkungen, wie die in Abbildung (PageIndex<1b>), attraktive intermolekulare Wechselwirkungen, während die in Abbildung (PageIndex<1d>) abstoßende intermolekulare Wechselwirkungen. Da sich Moleküle in einer Flüssigkeit frei und kontinuierlich bewegen, erfahren Moleküle immer gleichzeitig sowohl anziehende als auch abstoßende Dipol-Dipol-Wechselwirkungen, wie in Abbildung (PageIndex<2>) gezeigt. Im Durchschnitt dominieren jedoch die attraktiven Interaktionen.

Abbildung (PageIndex<2>): In einer flüssigen Probe mit vielen Molekülen treten sowohl anziehende als auch abstoßende Dipol&ndashdipol-Wechselwirkungen auf.

Da jedes Ende eines Dipols nur einen Bruchteil der Ladung eines Elektrons besitzt, sind Dipol-Dipol-Wechselwirkungen wesentlich schwächer als die Wechselwirkungen zwischen zwei Ionen, von denen jedes eine Ladung von mindestens ±1 hat, oder zwischen einem Dipol und einem Ion, bei denen eine der Spezies hat mindestens eine volle positive oder negative Ladung. Außerdem fällt die anziehende Wechselwirkung zwischen Dipolen mit zunehmendem Abstand viel schneller ab als die Ionen- und Ion-Wechselwirkungen. Denken Sie daran, dass die Anziehungsenergie zwischen zwei Ionen proportional zu 1/r, wo r ist der Abstand zwischen den Ionen. Distanz verdoppeln (r &rarr 2r) verringert die Anziehungsenergie um die Hälfte. Im Gegensatz dazu ist die Energie der Wechselwirkung zweier Dipole proportional zu 1/r 3 , so dass eine Verdoppelung des Abstands zwischen den Dipolen die Stärke der Wechselwirkung um das 2 3 oder 8-fache verringert. Ein Stoff wie (ce), das teilweise durch Dipol&ndashdipol-Wechselwirkungen zusammengehalten wird, ist bei Raumtemperatur und 1 atm Druck ein Gas. Umgekehrt gilt (ce), das durch interionische Wechselwirkungen zusammengehalten wird, ist ein Feststoff mit hohem Schmelzpunkt. Innerhalb einer Reihe von Verbindungen ähnlicher Molmasse nimmt die Stärke der intermolekularen Wechselwirkungen mit zunehmendem Dipolmoment der Moleküle zu, wie in Tabelle (PageIndex<1>) gezeigt.

Tabelle (PageIndex<1>): Beziehungen zwischen Dipolmoment und Siedepunkt für organische Verbindungen ähnlicher Molmasse
Verbindung Molmasse (g/mol) Dipolmoment (D) Siedepunkt (K)
C3H6 (Cyclopropan) 42 0 240
CH3OCH3 (dimethylether) 46 1.30 248
CH3CN (Acetonitril) 41 3.9 355

Die Anziehungsenergie zwischen zwei Ionen ist proportional zu 1/r, während die Anziehungsenergie zwischen zwei Dipolen proportional zu 1/r6 ist.

Ethylmethylether (CH3OCH2CH3), 2-Methylpropan [Isobutan, (CH3)2CHCH3] und Aceton (CH3COCH3) in der Reihenfolge steigender Siedepunkte. Ihre Strukturen sind wie folgt:

Gegeben: Verbindungen.

Gefragt: Reihenfolge ansteigender Siedepunkte.

Vergleichen Sie die Molmassen und Polaritäten der Verbindungen. Verbindungen mit höheren Molmassen, die polar sind, haben die höchsten Siedepunkte.

Die drei Verbindungen haben im Wesentlichen die gleiche Molmasse (58 &ndash 60 g/mol), daher müssen wir die Polaritätsunterschiede betrachten, um die Stärke der intermolekularen Dipol &ndash Dipol-Wechselwirkungen und damit die Siedepunkte der Verbindungen vorherzusagen.

Die erste Verbindung, 2-Methylpropan, enthält nur C&ndashH-Bindungen, die nicht sehr polar sind, da C und H ähnliche Elektronegativitäten haben. Es sollte daher ein sehr kleines (aber von Null verschiedenes) Dipolmoment und einen sehr niedrigen Siedepunkt haben.

Ethylmethylether hat eine ähnliche Struktur wie H2O enthält zwei polare C&ndashO-Einfachbindungen, die in einem Winkel von etwa 109° zueinander ausgerichtet sind, zusätzlich zu relativ unpolaren C&ndashH-Bindungen. Als Ergebnis verstärken sich die C&ndashO-Bindungsdipole teilweise und erzeugen ein signifikantes Dipolmoment, das einen mäßig hohen Siedepunkt ergeben sollte.

Aceton enthält eine polare C=O-Doppelbindung, die bei etwa 120° zu zwei Methylgruppen mit unpolaren C&ndashH-Bindungen orientiert ist. Der C&ndashO-Bindungsdipol entspricht daher dem molekularen Dipol, was sowohl zu einem ziemlich großen Dipolmoment als auch zu einem hohen Siedepunkt führen sollte.

Daher sagen wir die folgende Reihenfolge der Siedepunkte voraus:

2-Methylpropan < Ethylmethylether < Aceton

Dieses Ergebnis stimmt gut mit den tatsächlichen Daten überein: 2-Methylpropan, Siedepunkt = &minus 11,7 °C und das Dipolmoment (&mu) = 0,13 D Methylethylether, Siedepunkt = 7,4 °C und &mu = 1,17 D Aceton, Siedepunkt = 56,1°C und &mu = 2,88 dpt.

Kohlenstofftetrafluorid (CF .) anordnen4), Ethylmethylsulfid (CH3SC2H5), Dimethylsulfoxid [(CH3)2S=O] und 2-Methylbutan [Isopentan, (CH3)2CHCH2CH3] in der Reihenfolge abnehmender Siedepunkte.

Dimethylsulfoxid (Siedepunkt = 189,9 °C) > Ethylmethylsulfid (Siedepunkt = 67 °C) > 2-Methylbutan (Siedepunkt = 27,8 °C) > Kohlenstofftetrafluorid (Siedepunkt = &minus 128 °C)


Brechung ist die Beugung von Licht, wenn es von einem transparenten Medium in ein anderes übergeht.

Mit dieser Wasserbrechungseigenschaft können Sie einige wirklich gute Zaubertricks ausführen.


Umkehrpfeil


Stroh biegen


Das Geld verdoppeln


11.2: Eigenschaften von Wasser - Geowissenschaften

Alle von MDPI veröffentlichten Artikel werden sofort weltweit unter einer Open-Access-Lizenz verfügbar gemacht. Für die Wiederverwendung des gesamten oder eines Teils des von MDPI veröffentlichten Artikels, einschließlich Abbildungen und Tabellen, ist keine besondere Genehmigung erforderlich. Bei Artikeln, die unter einer Open-Access-Creative Common CC BY-Lizenz veröffentlicht wurden, darf jeder Teil des Artikels ohne Genehmigung wiederverwendet werden, sofern der Originalartikel eindeutig zitiert wird.

Feature Papers stellen die fortschrittlichste Forschung mit erheblichem Potenzial für eine große Wirkung auf diesem Gebiet dar. Feature Papers werden auf individuelle Einladung oder Empfehlung der wissenschaftlichen Herausgeber eingereicht und vor der Veröffentlichung einem Peer Review unterzogen.

Das Feature Paper kann entweder ein origineller Forschungsartikel, eine umfangreiche neue Forschungsstudie sein, die oft mehrere Techniken oder Ansätze umfasst, oder ein umfassendes Übersichtspapier mit prägnanten und präzisen Updates zu den neuesten Fortschritten auf diesem Gebiet, das die aufregendsten Fortschritte in der Wissenschaft systematisch überprüft Literatur. Diese Art von Papier gibt einen Ausblick auf zukünftige Forschungsrichtungen oder mögliche Anwendungen.

Editor’s Choice-Artikel basieren auf Empfehlungen der wissenschaftlichen Herausgeber von MDPI-Zeitschriften aus der ganzen Welt. Die Herausgeber wählen eine kleine Anzahl von kürzlich in der Zeitschrift veröffentlichten Artikeln aus, die ihrer Meinung nach für Autoren besonders interessant oder in diesem Bereich wichtig sind. Ziel ist es, eine Momentaufnahme einiger der spannendsten Arbeiten zu geben, die in den verschiedenen Forschungsbereichen der Zeitschrift veröffentlicht wurden.


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Trinkwasserversorgung

Ziel 6.1 des Ziels für nachhaltige Entwicklung fordert einen universellen und gerechten Zugang zu sicherem und erschwinglichem Trinkwasser. Das Ziel wird mit dem Indikator &bdquosicher verwaltete Trinkwasserversorgung&rdquo &ndquo &ndash Trinkwasser aus einer verbesserten Wasserquelle verfolgt, die sich auf dem Gelände befindet, bei Bedarf verfügbar und frei von fäkaler und vorrangiger chemischer Kontamination ist.

Im Jahr 2017 nutzten 5,3 Milliarden Menschen sicher verwaltete Trinkwasserdienstleistungen, das heißt, sie nutzten verbesserte Wasserquellen auf dem Gelände, die bei Bedarf verfügbar und frei von Verunreinigungen waren. Zu den verbleibenden 2,2 Milliarden Menschen ohne sicher verwaltete Dienste im Jahr 2017 gehörten:

  • 1,4 Milliarden Menschen mit Basic Dienstleistungen, d. h. eine verbesserte Wasserquelle innerhalb einer Hin- und Rückfahrt von 30 Minuten
  • 206 Millionen Menschen mit begrenzt Dienstleistungen oder eine verbesserte Wasserquelle, die mehr als 30 Minuten benötigt, um Wasser zu sammeln
  • 435 Millionen Menschen nehmen Wasser aus ungeschützten Brunnen und Quellen
  • 144 Millionen Menschen sammeln unbehandeltes Oberflächenwasser aus Seen, Teichen, Flüssen und Bächen.

Es bestehen weiterhin starke geografische, soziokulturelle und wirtschaftliche Ungleichheiten, nicht nur zwischen ländlichen und städtischen Gebieten, sondern auch in Städten, in denen Menschen, die in informellen oder illegalen Siedlungen mit niedrigem Einkommen leben, normalerweise weniger Zugang zu verbesserten Trinkwasserquellen haben als andere Einwohner.


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Im Text verwendete Abkürzungen und Akronyme XXV

Über die Companion-Website XXXIII

Abschnitt I: Chemie 1

1.2 Der Konzentrationsausdruck 4

1.3 Ionen und Moleküle in Wasser 5

1.5 Oxidations- und Reduktionsreaktionen 10

1.7 Leitfähigkeit und Ionenstärke 13

1.8.1 Andere Formulierungen 16

1.8.2 Einfluss der Temperatur auf die Reaktionsgeschwindigkeit 19

1.10 Gaslöslichkeit: Henrys Gesetz 20

1.11 Löslichkeitsprodukt 23

1.13.1 Radioaktivitätseinheiten 27

Fragen und Probleme 30

2 Die thermodynamische Basis für Gleichgewicht 35

2.1 Thermodynamische Beziehungen 35

Konzentrationsausdruck in Gleichgewichtsausdrücken 39

2.1.2 Auswirkungen von Enthalpie und Temperatur auf die Gleichgewichtskonstante 42

2.2.1 Zell- oder Paarpotential 46

2.2.2 Oxidations- und Reduktionspotential und Systempotential 48

2.3.1 Mikrobielle Korrosion 51

2.3.2 Korrosionsschutz durch äußere Umwelteinflüsse 52

Galvanischer Kathodenschutz 52

Elektrolytischer (oder eingeprägter) kathodischer Schutz 53

Fragen und Probleme 53

3 Säure- und Basenchemie 57

3.2.1 Konjugat von Säuren und Basen 61

3.3 Äquivalente und Normalität 61

3.4 Lösung von Multigleichgewichtssystemen 62

3.5.1 Verdünnung einer gepufferten Lösung 65

3.5.2 Der effektivste pH-Wert für einen Puffer 65

3.6 Säure- und Basentitrationen 66

3.6.1 Titration starker Säuren und Basen 66

3.6.2 Titration schwacher Säuren und Basen 68

3.6.3 Endpunkt einer Säure&ndashBase-Titration anzeigen 71

3.7 Natürliche Pufferung von Wässern aus Kohlendioxid und verwandten Verbindungen 73

3.7.1 Säure und Alkalinität 74

Fragen und Probleme 76

4 Organische und Biochemie 81

4.2 Eigenschaften organischer Verbindungen 81

4.4 Arten von organischen Verbindungen 83

4.4.1 Aliphatische Verbindungen 83

Alkohole, Ester und Ether 83

4.4.2 Stickstoffhaltige Verbindungen 83

4.5.1 Verbindungen von Schwefel 85

4.6 Natürlich vorkommende organische Verbindungen 85

4.9 Der Tricarbonsäurezyklus 88

Fragen und Probleme 91

5 Analysen und Inhaltsstoffe in Wasser 95

5.1.1 Komplex- und Niederschlagsbildungstitrationen 95

5.1.2 Redox-Titrationen und potentiometrische Analysen 96

5.1.3 Indikatoren für die potentiometrische Analyse 98

5.2 Farbmetrische Analysen 99

5.2.1 Die Beer&ndash-Lambert-Gesetze für die Lichtdurchlässigkeit 99

5.3.2 Trübung und Farbe 101

5.4 Bestimmung der organischen Materie 102

5.4.1 Chemischer Sauerstoffbedarf 103

Allgemeine Reaktion für CSB 104

Störungen mit dem CSB-Test 105

5.4.2 Biochemischer Sauerstoffbedarf 105

Auswirkungen der Temperatur auf die BSB-Anstrengung 108

Kohlenstoff- und stickstoffhaltiger BSB 109

Labormethoden zur Bestimmung des BSB 110

Grenzen des BSB-Tests für die Prozessgestaltung der biologischen Abwasserbehandlung 110

Analyse einer BSB-Progression 111

5.4.3 Gesamter organischer Kohlenstoff 113

Fragen und Probleme 113

Abschnitt II: Mikroorganismen im Wasser und Wasserqualität 119

6.1 Gruppen von Mikroorganismen und der Stammbaum 121ogene

6.2 Bakterien und Archaeen 121

6.2.1 Klassifizierung von Bakterien 124

Stoffwechselbedarf 125

Salz- und Zuckerkonzentrationen 127

6.4 Andere Mikroorganismen 130

6.4.1 Viren und Phagen 130

6.5 Bestimmung des Wachstums von Mikroorganismen 132

6.5.1 Wachstum von Reinkulturen 132

6.5.2 Wachstum von Mischkulturen 135

6.5.3 Lebensfähigkeit und Masse in wachsenden Kulturen 136

6.5.4 Zählung von Mikroorganismen 136

Praktische Überlegungen zur Ermittlung von Mittelwerten 140

6.5.5 Werkzeuge für mikrobielle Genomik und molekulare Mikrobiologie 141

Phylogenetische mikrobielle Gemeinschaftszusammensetzungsanalyse 141

Fragen und Probleme 143

7 Wasser, Abfall und Krankheiten 147

7.1.1 Bakterielle Krankheitserreger 147

7.1.3 Protozoen-Erreger 150

7.1.5 Krankheitsvektoren bei Insekten und Tieren 153

7.2 Indikator-, Test- und Modell-Mikroorganismen 153

7.3 Indikatoren für fäkale Kontamination 155

7.4 Indikator-Mikroorganismen 156

7.4.1 Coliforme: Total, thermotolerant und E. coli 156

7.6 Überleben von Mikroorganismen in der aquatischen Umwelt 159

7.7 Mindestinfektiöse Dosis 162

Fragen und Probleme 163

8 Wasserbestandteile und Qualitätsstandards 167

8.1 Toxizität von Elementen und Verbindungen 167

8.2 Schadstoffe im Wasser 170

8.2.1 Neu auftretende Schadstoffe 171

8.2.2 Häufige Schadstoffe 173

8.2.4 Radioaktive Bestandteile 175

8.4 Grundlagen für Standards 178

8.4.1 Risikobewertung für mikrobielle Infektionen 179

8.4.2 Bestimmung der Karzinogenität 180

8.4.3 Toxizitätsbestimmung 182

8.4.4 Umweltstandards für die Wasserqualität 184

8.5 Standards für Trinkwasser 184

8.5.1 Internationale Trinkwassernormen 185

8.5.2 US Safe Drinking Water Act 185

8.5.3 Kanadische Richtlinien zur Wasserqualität 186

8.6 Vergleich von Trinkwasserstandards 187

8.6.1 Mikrobiologische Parameter 187

WHO-Richtlinien für mikrobiologische Qualität 187

US-amerikanische Standards für mikrobiologische Qualität 187

Kanadische Richtlinien für mikrobiologische Qualität 188

8.6.2 Chemische und physikalische Eigenschaften 188

8.6.3 Ästhetische Qualität 188

8.6.4 Radiologische Bestandteile 188

8.6.5 Andere Wasserstandards 192

8.8 Kanadische Abwasserqualitätsrichtlinien des Bundes 195

8.9 Abwassereigenschaften 195

8.10 Abwasserproduktion 197

Fragen und Probleme 198

Abschnitt III: Wasser- und Abwasserbehandlung 205

9 Wasser- und Abwasserbehandlungsbetriebe 207

9.1 Wasseraufbereitungsvorgänge 207

Mikrobielle Verunreinigungen 212

9.1.1 Hauswasseraufbereitungsanlagen 216

9.2 Betrieb der Abwasserbehandlungsanlage 216

9.3 Hydraulische Auslegung von Wasser- und Abwasserbehandlungsanlagen 225

Durchfluss in Druckrohren 225

Durchfluss in offenen Kanälen 226

Fragen und Probleme 230

10 Massenbilanzen und hydraulische Durchflussregime 235

10.1 Einrichtung von Massenbilanzen 235

10.1.1 Mischeigenschaften von Becken 236

10.1.2 Massenbilanzen für PF-Reaktoren 237

10.1.3 Massenbilanzen und Reaktion für CM-Becken 242

10.2 Strömungsanalyse von CM- und PF-Reaktoren 245

10.2.1 Tracer-Analyse kompletter Mischreaktoren 245

10.2.2 Tracer-Analyse von Pfropfenströmung 247

10.2.3 Komplette Mischreaktoren der Baureihe 247

10.2.4 Andere Strömungsunregelmäßigkeiten: Totvolumen und Kurzschluss 248

10.2.5 Typische Fließeigenschaften von Becken 249

10.2.6 Messung der Dispersion 250

10.3 Verweilzeit in Schiffen 250

10.3.1 Durchschnittliche Haftzeit 251

10.3.2 Die Auswirkungen von Flow Recycle auf die Haftzeit 251

10.3.3 Die Auswirkungen von Recycling auf das Mischen 253

10.4 Durchfluss- und Qualitätsausgleich 253

10.5 System-Materialwaagen 256

Fragen und Probleme 266

Abschnitt IV: Physikalische und chemische Behandlungsprozesse 273

11 Screening und Sedimentation 275

11.1 Bildschirme und Bar-Racks 275

11.1.1 Bildschirme für Wasseraufbereitungsanlagen 276

11.1.2 Bildschirme an Kläranlagen 277

11.2.1 Partikelabsetzgeschwindigkeit 279

11.3.1 Horizontale Fließkornkammern 282

Kanal mit unterschiedlichem Querschnitt 283

Konstruktionshinweise für eine parabolische Sandkammer 284

11.3.2 Belüftete Sandkammern 290

11.3.3 Quadratischer Tank-Degritter 292

11.3.4 Vorrichtungen zum Entfernen von Wirbelkörnern 293

11.4 Typ-I-Sedimentation 294

11.5 Typ-II-Sedimentation 297

11.5.1 Laborbestimmung der Setzungsgeschwindigkeitsverteilung 298

11.5.2 Sedimentationsdatenanalyse Typ II 298

11.5.3 Alternative Methode zur Berechnung des Gesamtabtrags 302

11.5.4 Dimensionierung des Beckens 303

11.6 Röhren- und Lamellenklärer 303

11.7 Wehr&ndashLaunder Design 309

11.8 Auslegung von Klärbecken für die Wasser- und primäre Abwasserbehandlung 313

11.8.1 Auslegungsbereiche typischer Klärbecken zur Wasser- und Abwasserbehandlung 313

11.8.2 Chemisch verstärkte Vorbehandlung 315

11.8.3 Tiefe in Sedimentationsbecken 318

11.9 Zulaufhydraulik für Sedimentationsbecken 319

11.9.1 Flussverteilungen 319

Fragen und Probleme 323

12 Stoffaustausch und Belüftung 331

12.2.1 Berechnung des Stoffübergangskoeffizienten 335

12.2.2 Die Auswirkungen des pH-Werts auf den Stofftransport 336

12.3 Belüftung in der Wasser- und Abwasseraufbereitung 336

12.3.1 Gefahren im Zusammenhang mit Sauerstoff, Kohlenmonoxid und Schwefelwasserstoff 338

12.4 Auslegung von Belüftungssystemen 339

12.4.1 Gravity Aerators 339

12.4.3 Diffused Aerators 344

Questions and Problems 346

13 Coagulation and Flocculation 351

Recovery of Alum and Iron Coagulants 355

13.2 Mixing and Power Dissipation 356

13.3.1 Mechanical Mixers 359

13.3.2 Pneumatic Mixers 362

13.3.3 Hydraulic Mixers 363

Venturi Sections and Hydraulic Jumps 363

13.4.1 Paddle Flocculators 369

13.4.2 Vertical-Shaft Turbine Flocculators 375

13.4.4 Baffled Channels 376

13.4.5 Upflow Solids Contact Clarifier 377

13.4.6 Alabama Flocculator 377

13.4.7 Spiral Flow Tanks 378

13.4.8 Pebble Bed Flocculators 379

13.4.9 Ballasted Flocculation 380

Questions and Problems 382

14.1 Slow Sand Filters and Rapid Filters 388

14.2 Filtering Materials 389

14.2.1 Grain Size and Distribution 389

14.3 Headloss in Filters 394

14.3.1 Grain Size Distribution and Headloss 397

14.4 Backwashing Filters 398

14.4.1 Total Head Requirements for Backwashing 400

Losses in the Expanded Media 400

14.4.2 Backwash Velocity 401

Headloss and Expansion in a Stratified Bed 405

14.5 Support Media and Underdrains in Rapid Filters 409

Other Design Features of Filters 411

Auxiliary Wash and Air Scour Systems 411

14.6 Filter Beds for Water and Wastewater Treatment 412

14.7 Air Binding of Filters 415

14.8 Rapid Filtration Alternatives 417

14.8.1 Single-medium and Multimedia Filters 417

14.8.2 Constant- and Declining-rate Filtration 417

14.8.3 Direct Filtration 418

14.10 Slow Sand Filters 419

14.10.1 Slow Sand Filters for Tertiary Wastewater Treatment 421

14.11 Biological Filtration for Water Treatment 421

Questions and Problems 424

15 Physical&ndashChemical Treatment for Dissolved Constituents 431

15.2 Lime&ndashSoda Softening 433

15.2.1 Treatment Methods for Lime&ndashSoda Hardness Removal 434

Lime Recovery and Sludge Reduction 441

15.3 Corrosion Prevention in Water Supply Systems 441

15.3.1 The Langelier Index Misconception 443

15.4 Iron and Manganese Removal 447

15.4.3 Sequestering Iron and Manganese 449

15.4.4 Biological Removal of Iron and Manganese 449

15.5 Phosphorus Removal from Wastewater by Chemical Precipitation 450

15.5.1 Removal of Phosphorus by Chemically Reactive Species 452

15.6 Removal of Arsenic and Metals 453

15.7 Advanced Oxidation Processes 455

15.8.1 Activated Alumina 457

15.8.2 Ammonia and Nitrate Removal by Ion Exchange 458

15.9 Fluoridation and Defluoridation 458

15.10 Membrane Processes 460

15.10.1 Assessment of Water Suitability for Membrane Treatment 466

15.10.2 Concentrate Disposal 468

15.10.3 Membranes for Water Treatment 468

Microfiltration and Ultrafiltration Systems 468

Nanofiltration and Reverse Osmosis Treatment 469

15.11 Activated Carbon Adsorption 472

15.11.1 Activated Carbon &ndash Preparation and Characteristics 473

15.11.2 Adsorption Isotherms 474

15.11.3 Granular Activated Carbon Adsorbers 477

15.12 Design of Fixed-bed Adsorbers 478

15.12.1 Rate Formulation for Adsorption 479

15.12.2 Theory of Fixed-bed Adsorber Systems 480

The Capacity Utilized in the Adsorption Zone 481

Competitive Adsorption 490

15.12.3 Bed-depth Service Time Method 490

15.12.4 Rapid Small-Scale Column Tests 494

15.12.5 Granular Activated Carbon Reactors in Series 498

15.12.6 Design of a Suspended Media PAC or GAC Continuous Flow Reactor 498

Questions and Problems 499

16.1 Kinetics of Disinfection 510

16.2.1 Chemistry of Chlorine 512

16.2.2 Measurement of Free and Residual Chlorine 516

16.2.4 Drinking Water Disinfection by Chlorine 518

16.2.5 Wastewater Disinfection by Chlorine 519

16.2.6 Design of Contacting Systems for Chlorine 521

16.2.7 Disinfection as the Sole Treatment of Surface Water 521

16.2.8 Other Applications of Chlorine 522

16.4.1 Chlorine Dioxide Doses as a Primary Disinfectant 525

16.4.2 Chlorine Dioxide for Pre-disinfection or for Residual Disinfection 525

16.4.3 Generation of Chlorine Dioxide 526

16.5 Peracids: Peracetic Acid (PAA) and Performic Acid (PFA) 527

Kinetics of Disinfection Using PAA 528

Measuring PAA Residuals 529

Applications for Wastewater Disinfection 530

Chemical Disinfection Process Control 530

16.6.1 Determining the Appropriate Ozone Dose 532

16.6.2 Ozone Generation 533

16.6.3 Ozone Dissolution Systems 534

16.6.4 Ozone Contactor Basins 535

16.6.5 Ozone Chemistry: Mass Transfer Coefficients and Radicals Production 536

16.6.6 Ozone for Wastewater Disinfection 537

16.6.7 Ozone for Destruction of Micropollutants 538

16.7 Ultraviolet Radiation 538

16.7.1 Mechanism of UV Disinfection 538

16.7.2 Repair of UV Damage 539

16.7.4 Generation of Ultraviolet Light and Ultraviolet Reactors 541

16.7.5 Disinfection Kinetics 541

16.7.6 Disinfection Doses (or Fluences) 542

16.7.7 Determination of UV Fluence 542

16.7.8 Ultraviolet Reactors 545

16.8 Point-of-use Disinfectants: Solar Disinfection (SODIS), with or without Photoreactants such as TiO2 547

16.9 Disinfection Byproducts 548

16.9.3 Chlorine Dioxide 550

16.9.7 Comparative Risks 551

16.10 Disinfection to Combat Invasive Species 551

Questions and Problems 553

Section V: Biological Wastewater Treatment 565

17 Aerobic Biological Treatment: Biotreatment Processes 567

17.1 Microorganisms in Aerobic Biological Treatment 567

17.2 The Activated Sludge Process 568

17.3 Substrate Removal and Growth of Microorganisms 569

17.3.1 Substrate Removal 569

Temperature Dependence of Rate Coefficients 571

BOD, COD, and TOC Removal 571

17.3.2 Growth of Microorganisms and Biological Sludge Production 572

Sludge Composition and Nutrient Requirements 573

17.4 Activated Sludge Configurations 574

17.4.1 Definition of Symbols for the Activated Sludge Process Models 575

17.4.3 System Effluent and Waste Sludge Line 577

17.5.1 Physical Concentration of Solids in the Bioreactor 578

17.5.2 Solids Retention Time 580

17.5.3 Sludge Volume Index 580

17.5.4 CM Reactor Without Recycle 582

17.5.5 CM Reactor with Recycle 585

17.5.6 Application of the Basic Model in the Historical Context 586

Frailties of the Historical Models 590

17.5.7 Matrix Representation of the Basic (Soluble Substrate) Model 591

17.5.8 The Rate of Recycle 593

17.5.9 Food-to-Microorganism Ratio and SRT 594

17.6 Advanced Model for Carbon Removal 596

17.6.1 Total Effluent COD from the Process 599

17.6.2 Removal of Influent Particulate Organic Matter 599

17.6.3 Estimation of Parameters and Calibration of the Advanced Model 600

17.6.4 Calibration of Models to Existing Data 602

17.7 Sludge Production in Activated Sludge Systems 604

17.8 Plug Flow Activated Sludge Treatment 607

17.9 Variations of the Activated Sludge Process 609

17.9.1 Sequencing Batch Reactors 609

17.9.2 Extended Aeration 612

17.10 Other Activated Sludge Process Variations 613

17.10.1 Pure Oxygen Activated Sludge Process 615

17.10.2 Powdered Activated Carbon Activated Sludge Process 615

Design Parameters and Operating Conditions for Activated Sludge Processes 615

17.11 Design of Activated Sludge Processes for Nitrogen and Phosphorus Removal 616

17.11.1 Nitrogen Transformations 616

Nitrogen Removal&ndashDenitrification 621

17.11.2 Advanced Denitrification Processes 626

17.11.3 Enhanced Phosphorus Uptake 628

Fermentation of Primary or Activated Sludge 630

Phostrip and Bardenpho Bio-P Processes 632

17.12 Operating Characteristics of Activated Sludge Processes 632

17.12.1 SRT and Characteristics of Waste Activated Sludge 632

17.13 Granular Activated Sludge and Membrane Processes 634

17.13.1 Granular Activated Sludge Processes 634

17.13.2 Membrane Activated Sludge Processes 635

Design of Submerged Membrane Reactors 637

17.14 Fixed-Film Activated Sludge Processes 639

17.14.1 Integrated Fixed-Film Activated Sludge and Moving Bed Bioreactor Processes 639

17.14.2 Biologically Activated Filters 645

Design of Biological Active Filters 647

17.14.3 Rotating Biological Contact Units 648

17.15 Fixed-Film Trickling Filter Processes 650

17.15.1 Trickling Filters 650

Sludge Production from Trickling Filters 656

Air Supply in Trickling Filters 656

Operation of Trickling Filters 660

17.15.2 Hydraulic Design of Distributors for Trickling Filters 660

17.16 Oxygen Uptake in Activated Sludge Processes 663

17.17 Metals Removal in Activated Sludge Processes 664

17.18 Aerobic Sludge Digestion 664

17.18.1 Model for Aerobic Sludge Digestion 665

Oxygen Uptake in Aerobic Digestion 668

Rate Constants and Sludge Degradability 668

17.18.2 Thermophilic Aerobic Digestion 669

Pre-treatment for Aerobic Sludge Digestion 672

17.18.3 Indicator Microorganism Reduction in Aerobic Digestion 672

Questions and Problems 673

18 Aerobic Biological Treatment: Other Process Operations 689

18.1 Aeration in Biological Wastewater Treatment 689

18.1.1 Aeration Devices in Wastewater Treatment 692

Surface and Other Aerators 692

18.2 Post-aeration Systems for Wastewater Treatment 697

18.2.1 Diffused Aeration Systems 697

18.3 Type III Sedimentation: Zone Settling 700

18.3.1 Design of a Basin for Type III Sedimentation 703

18.3.2 Secondary Clarifier Design 708

18.3.3 Modeling for Secondary Clarifier and Operation 709

18.3.4 Membrane Separation of Solids 711

18.4 Sludge Settling Problems and Foaming 712

18.4.2 Selectors and Process Operating Conditions 713

Questions and Problems 715

19 Anaerobic Wastewater Treatment 721

19.1 Anaerobic Metabolism 722

19.1.2 Acid Formation: Acidogenesis and Acetogenesis 723

19.1.4 Other Metabolic Pathways 725

19.1.5 Environmental Variables 725

Oxidation&ndashReduction Potential 725

Ammonia and Sulfide Control 726

Nutrient Requirements 727

19.2 Process Fundamentals 727

19.2.1 Solids Yield and Retention Time 727

19.2.2 Biogas Potential 729

Biochemical Methane Potential and Anaerobic Toxicity Assay 729

Methane Production in Anaerobic Treatment 730

19.3.1 Definition of Symbols for the Anaerobic Models 733

19.3.2 General Model for an Anaerobic Process 734

Anaerobic Reactor Receiving Only Particulate Substrate 734

Anaerobic Reactor Receiving Only Soluble Substrate 737

The Traditional Digester Sizing Equation for Anaerobic Sludge Digesters 737

19.3.3 Advanced Model for an Anaerobic Process 740

Substrate Removal and Biomass Accumulation 741

Temperature Effects on Rate Coefficients 747

19.4 Misconceptions and Barriers about Anaerobic Treatment 747

19.5 Anaerobic Treatment Processes 750

19.5.1 Conventional Anaerobic Treatment 750

19.5.3 Upflow Anaerobic Sludge Blanket Reactor 754

19.5.4 Fixed-Film Reactors 756

Upflow Fixed-Film Reactors 757

Downflow Fixed-Film Reactors 758

Fluidized Bed Reactors 759

19.5.5 Two-Phase Anaerobic Digestion 759

19.5.6 Thermophilic Digestion 760

19.5.7 Membrane Anaerobic Treatment 760

19.5.8 Pre-treatment of Sludge for Anaerobic Digestion of Biosolids 760

19.6 Anaerobic Digestion of Municipal Solid Waste 762

19.7 Process Stability and Monitoring 763

19.7.1 Chemical Precipitation Problems in Anaerobic Digesters 764

19.7.2 Recovery of Nutrients through Struvite Harvesting 764

19.7.3 Sludge Production 766

19.7.4 Anaerobic Treatment of Low-Strength Wastes 766

19.8 Comparison of Anaerobic and Aerobic Treatment Processes 767

19.8.1 Pollutant Removal Efficiency 768

19.8.2 Number and Size of Operations 768

19.8.3 Energy and Chemical Inputs 769

19.9 Energy Assessment of Anaerobic and Aerobic Treatment 774

Anaerobic Versus Aerobic Treatment 776

Calculation of the Energy Potential of a Waste 777

19.10 Pathogen Reduction in Anaerobic Processes 777

Questions and Problems 778

20 Treatment in Ponds and Land Systems 789

20.1 Overview of Stabilization Ponds 789

20.1.2 Pond Effluent Quality 791

20.3 Design of Pond Systems 795

20.3.1 Design of Ponds in the Far North 796

20.3.2 Models for Facultative Ponds 798

20.3.3 Nitrogen and Phosphorus Removal 798

20.3.4 Heat Balance for Ponds 799

20.4 Removal of Suspended Solids from Pond Effluents 800

20.5 Indicator Microorganism Die-off in Ponds 801

20.7 Treatment of Wastewater in Land Systems 804

20.7.1 Land Treatment of Wastewater 804

Measurement of Hydraulic Conductivity 805

Wastewater Constituents Influencing Land Treatment 807

20.7.2 Slow Rate Land Application Systems 807

20.7.3 Soil Aquifer Treatment 814

20.7.4 Overland Flow Systems 815

Questions and Problems 817

Section VI: Final Disposal and Impact Analysis 823

21 Sludge Processing and Land Application 825

21.1 Sludge Characteristics and Conditioning 825

21.2 Sludge Generation and Treatment Processes 828

21.3 Sludge Conditioning 833

21.4 Sludge Thickening 836

21.4.1 Gravity Thickening 836

21.4.2 Flotation Thickening 837

21.5 Mechanical Sludge Dewatering 839

21.5.2 Vacuum Dewatering 843

21.5.3 Plate Pressure Filters 846

21.6 Land Application of Sludge 847

Questions and Problems 854

22 Effluent Disposal in Natural Waters 859

22.1 Pollutants in Natural Waters 859

22.1.1 Water Quality Indices 859

Fish Survival and Temperature 862

Nutrient Loadings to Lakes 864

22.2 Loading Equations for Streams 865

22.2.1 Pollutant Decay in Streams 865

22.2.2 Conservative Substance 866

22.2.3 Substances That Are Transformed by One Reaction 866

22.3 Dissolved Oxygen Variation in a Stream 870

22.3.1 Nitrification in Natural Waters 873

22.3.2 Factors Affecting the Dissolved Oxygen Sag Curve 874

22.3.3 The Reaeration Rate Coefficient 877

22.3.4 Reaeration at Dams 878

22.4 Combined Sewer Overflows Abatement 878

Questions and Problems 881

23 Life Cycle Analysis 887

23.1 Historical Development of LCA 888

23.2 Why Use LCA What Are the Objectives What Are Its Benefits and What Does It Not Do? 888

23.3 ISO Standards 14040 and 14044 889

23.4 Definitions of Terms in ISO 14040 and 14044 889

23.5 Principles Established by ISO 14040 890

23.6 Key Components of the ISO Standards 891

23.6.2 System Boundaries 892

Life Cycle Inventory Analysis 893

23.6.3 Life Cycle Impact Assessment 894

Selection of Impact Categories, Category Indicators, and Characterization Models 894

Assignment of LCI Results to the Selected Impact Categories (Classification) 895

Calculation of Category Indicator Results (Characterization) 895

Characterization Factors, Midpoints and Endpoints 896

Optional Elements of the LCIA 897

23.6.4 Limitations of LCIA 898

23.7 Software and Databases 899

23.8 Examples of Case Studies of LCA in Water and Wastewater Treatment Projects 899


The hydrous properties of subcontinental lithospheric mantle: Constraints from water content and hydrogen isotope composition of phenocrysts from Cenozoic continental basalt in North China

To investigate the hydrous properties of subcontinental lithospheric mantle, phenocrysts from Cenozoic continental basalt in North China were analyzed by FTIR for structural hydroxyl content and by TC/EA-MS for total water content and hydrogen isotope composition. The concentration of structural hydroxyl, while not detectable in olivine, ranges from 62 to 913 ppm in clinopyroxene phenocrysts. Both olivine and clinopyroxene phenocrysts exhibit high total water contents, indicating the presence of molecular water as nanoscale inclusions. The majority of clinopyroxene phenocrysts contain less total water than olivine phenocrysts, and all the clinopyroxene phenocrysts exhibit higher δD values than olivine phenocrysts, suggesting that the molecular water in olivine is rather D-poor. The phenocryst minerals exhibit δD values of −145‰ to −94‰ that are negatively correlated with their total water contents.

The initial basaltic melt is inferred to contain 0.6 wt% total water, which increases to 3.5–6.7 wt% due to fractional crystallization, rendering the melt water-saturated in the late stage of its evolution. Also during this process, structural hydroxyl in the melt is partly converted to molecular water, leading to the depletion of D in the phenocrysts and the systematic variation of structural hydroxyl content with the Mg number of clinopyroxene. The mantle source of the basaltic melt is inferred to have a structural hydroxyl content of 290 ppm, which is slightly higher than that of MORB-type mantle but similar to that of OIB-type mantle. Thus, we suggest that the subcontinental lithospheric mantle of North China is rather hydrous and D-depleted, probably due to the entrainment of recycling subducted crustal material.


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