Umweltschutztechnik (eBook)

Professor Dr. rer. nat. Ulrich Förstner leitete von 1982 bis 2005 den Arbeitsbereich Umweltschutztechnik an der Technischen Universität Hamburg-Harburg. Mit über fünfzig Forschungsprojekten und mit 16 Büchern war er an den wesentlichen Entwicklungen auf dem Gebiet des Gewässer- und Bodenschutzes seit Anfang der siebziger Jahre beteiligt. Für seine wissenschaftlichen Leistungen und das „herausragende Buch“ – Umweltschutztechnik, 8. Auflage – wurde ihm 2016 die Georgius-Agricola-Medaille der Deutschen Mineralogischen Gesellschaft verliehen.  Professor Dr.-Ing. Stephan Köster vertritt seit 1. April 2016 die Siedlungswasserwirtschaft am Institut für Siedlungswasserwirtschaft und Abfalltechnik der Leibniz Universität Hannover. Im April 2017 hat er die geschäftsführende Leitung des Institutes übernommen. Köster hat an der RWTH Aachen Bauingenieurwesen studiert. Im direkten Anschluss an sein Studium war er mehrere Jahre in einem Ingenieurbüro und hier vorrangig in Vorhaben der Entwicklungszusammenarbeit tätig. Im Jahr 2000 kehrte er an die Aachener Hochschule zurück und promovierte 2004. Bevor Köster 2011 als Professor an die TU Hamburg-Harburg wechselte, war er sieben Jahre als Oberingenieur am Institut für Siedlungswasserwirtschaft der RWTH Aachen tätig.

Vorwort zur 9. Auflage 5
Vorwort zur 4. Auflage 7
Inhaltsverzeichnis 8
Verzeichnis der Kasten-Themen 14
1 Grundlagen der Umweltschutztechnik 17
1.1 Leitbilder und Strategien 17
1.1.1 Umweltprobleme und Umwelthandeln 20
1.1.2 Frühe Denkansätze zu Umwelt und Technik 22
1.1.3 Leitbild Nachhaltigkeit 24
1.1.4 Umsetzung des Leitbildes Nachhaltigkeit 25
1.1.5 Steuerungsebenen für Klimawandel und Energiewende 29
1.1.6 Strategische Handlungsfelder – Perspektiven 2020 34
1.2 Gesetze und Märkte 36
1.2.1 Entwicklung des Umweltrechts in Deutschland 36
1.2.2 Maßnahmen zur Umsetzung von umweltpolitischen Zielen 39
1.2.3 Innovationen zwischen Technik und Politik 42
1.2.4 Instrumente ökologischer Industriepolitik 44
1.2.5 Marktperspektiven für Umweltschutztechnologien 45
1.3 Ökologische Grundlagen 48
1.3.1 Struktur von Ökosystemen 48
1.3.2 Stabilität von Ökosystemen und technischen Systemen 49
1.4 Technologische Grundlagen 52
1.4.1 Risikoforschung 54
1.4.2 Umweltinformatik 58
1.4.3 Verfahrenstechnik 62
1.4.4 Biotechnologie 64
1.4.5 Green Chemistry 65
1.4.6 Nanotechnologie 66
1.4.7 Technische Geochemie 67
1.4.8 Ingenieurgeologie und Geotechnik 68
1.4.9 Materialwirtschaft und Logistik 69
1.4.10 Produktion- und Fertigungstechnik 70
1.4.11 Industrielle Symbiose – Ökopark 72
1.4.12 Umweltschutztechnik als Querschnittsdisziplin 73
1.5 Literatur 75
2 Nachhaltiges Wirtschaften – Ressourcenschutz 83
2.1 Umweltschutz im Unternehmen 83
2.1.1 Einflüsse des Umweltschutzes auf die Unternehmen 85
2.1.2 Einsatz ökologieorientierter Managementsysteme 88
2.2 Beitrag der Ökonomie zur Nachhaltigen Entwicklung 91
2.3 Ressourceneffizienz und nachhaltige Rohstoffpolitik 98
2.3.1 Umweltbelastung durch Bergbau 102
2.3.2 Ressourceneffizienz und Ressourcenproduktivität 109
2.3.3 Umgang mit kritischen Rohstoffen für Zukunftstechnologien 119
2.4 Literatur 127
3 Schadstoffe 141
3.1 Gefahrstoffrecht, Schadwirkungen 141
3.1.1 Gefahrstoffrecht 144
3.1.2 Entwicklung und Leitbilder der Chemiepolitik 146
3.1.3 Schadwirkungen 148
3.1.4 Umweltgefährliche Stoffeigenschaften 151
3.1.5 Umweltstandards 152
3.1.6 Zeitskalen der Schadstoffausbreitung 154
3.1.7 Parameter der Stoffdynamik in der Umwelt 155
3.2 Schwermetalle 157
3.2.1 Umwelttechnische Relevanz 157
3.2.2 Herkunft und Wirkung 158
3.3 Organische Schadstoffe 160
3.3.1 Umwelttechnische Relevanz 160
3.3.2 Herkunft und Wirkung 163
3.4 Strahlung 167
3.4.1 Natürliche Strahlenbelastung 168
3.4.2 Künstliche Strahlenbelastung 169
3.4.3 Elektrosmog 170
3.5 Literatur 171
4 Klima und Energie 175
4.1 Grundlagen des Klimaschutzes 175
4.1.1 Wirkung und Herkunft der Treibhausgase 177
4.1.2 Übergang zu einem nachhaltigeren Energiesystem 178
4.2 Rationelle Energieerzeugung 180
4.2.1 Umwandlung von Energieformen 180
4.2.2 Entkarbonisierung 181
4.2.3 Kraft-Wärme-Kopplung 182
4.2.4 Einsatz von Brennstoffzellen, Energiespeicher 184
4.2.5 Erhöhung der Wirkungsgrade von Kraftwerken 186
4.2.6 CO?-Sequestrierung – Carbon Capture Storage Technologien 189
4.3 Einsparpotenziale bei Treibhausgasen 190
4.3.1 Industrie 192
4.3.2 Gewerbe, Handel, Dienstleistungen 192
4.3.3 Verkehr – Fahrzeugtechnik 193
4.3.4 Haushalte – Raumwärme und Geräte 194
4.3.5 Gebäude – Vermeidungskostenkurve 196
4.4 Erneuerbare Energien 198
4.4.1 Technologien: Nutzungsformen und Potenziale 201
4.4.2 Geothermie 204
4.4.3 Solarthermische Wärmebereitstellung 205
4.4.4 Photovoltaik 206
4.4.5 Windenergie 208
4.4.6 Biomasse 210
4.5 Instrumente der Energiewende 216
4.5.1 Rechtliche Regelungen 216
4.5.2 Wasserstoff aus Biomasse 217
4.5.3 Stromspeicher 218
4.5.4 Lastmanagement 219
4.5.5 IKT-betriebene Energiesysteme 220
4.5.6 Sektorkopplung von Strom, Wärme und Verkehr 222
4.5.7 World Energy Scenarios: The Grand Transition 223
4.6 Literatur 224
5 Immissionsschutz 235
5.1 Ursachen und Wirkungen von Luftbelastungen 235
5.1.1 Entwicklung bei typischen Luftschadstoffen 236
5.1.2 Luftschadstoffe in der Troposphäre 236
5.1.3 Entstehung von Stickoxiden 238
5.1.4 Entstehung von Schwefeldioxid 239
5.1.5 Reaktionen bei der Ausbreitung von Luftschadstoffen 240
5.1.6 Wirkungen von Luftschadstoffen 241
5.2 Rechtsnormen und Ausbreitungsmodelle 244
5.2.1 Regelbereiche 244
5.2.2 Rechtsnormen und Technische Anleitungen 245
5.2.3 EU-Regelungen für Industrieemissionen (IE-Richtlinie) 247
5.2.4 Feinstaub/Schwebstaub (PM) 248
5.2.5 Ausbreitungsmodelle 250
5.3 Luftreinhaltungstechniken 251
5.3.1 Staubemissionen 251
5.3.2 Verminderung gasförmiger Emissionen 255
5.3.3 Entschwefelung in Kraftwerken 258
5.3.4 Minderung von Stickoxiden 259
5.3.5 Abgasreinigung bei Kraftfahrzeugen 264
5.4 Verkehrslärm 268
5.5 Literatur 271
6 Abwasser 277
6.1 Der urbane Wasserkreislauf 278
6.1.1 Elemente des urbanen Wasserkreislaufs 278
6.1.2 Rechtliche Rahmenbedingungen 281
6.2 Abwässer und ihre Zusammensetzung 288
6.2.1 Abwasseraufkommen und -bilanzierung 288
6.2.2 Abwasserqualitäten und -parameter 292
6.3 Grundlagen der Stadtentwässerung 295
6.3.1 Systeme der Stadtentwässerung 296
6.3.2 Rohrmaterialien, Querschnittsformen, Einbauten und Bauwerke 304
6.3.3 Auslegung von Stadtentwässerungssystemen 312
6.3.4 Betrieb und Instandhaltung von Stadtentwässerungsnetzen 313
6.4 Verfahren der Abwasserreinigung 317
6.4.1 Übersicht konventionelle Abwasserreinigung 317
6.4.2 Mechanische Reinigung 318
6.4.3 Biologische Prozesse in der Abwasserreinigung 326
6.4.4 Verfahrenstechnische Umsetzung 332
6.4.5 „Vierte“ Reinigungsstufe: Sonderverfahren zur weitergehenden Abwasseraufbereitung 344
6.4.6 Energieverbrauch von Kläranlagen 351
6.5 Behandlung und Entsorgung der Reststoffe aus der Abwasserreinigung 353
6.5.1 Reststoffe aus der mechanischen Reinigung 353
6.5.2 Schlammaufkommen und -behandlung 355
6.6 Literatur 356
7 Trinkwasser 363
7.1 Praxis der Trinkwasserversorgung 364
7.1.1 Elemente einer Trinkwasserversorgungsanlage 368
7.1.2 Auslegungsgrößen für eine Trinkwasserversorgungsanlage 368
7.1.3 Betrieb und Instandhaltung von Wasserversorgungsanlagen 373
7.2 Rohwasservorkommen und -gewinnung 375
7.2.1 Rohwasserdargebot und -schutz 375
7.2.2 Rohwassergewinnung 380
7.3 Trinkwasseraufbereitung 397
7.3.1 Rahmenbedingungen der Trinkwasseraufbereitung 397
7.3.2 Aufbereitungsverfahren und -technologien 398
7.4 Trinkwasserverteilung 416
7.5 Weitere Aspekte der Trinkwasserversorgung 422
7.5.1 Wassersparen: pro und contra 422
7.5.2 Konzept des virtuellen Wassers 425
7.5.3 Mikroschadstoffe: Handlungsbedarf im Wasserwerk? 427
7.6 Literatur 427
8 Bodenschutz 434
8.1 Grundlagen und Stand des Bodenschutzes 434
8.1.1 Georessource Boden – Themenfelder 437
8.1.2 Nachhaltige Landwirtschaft 439
8.1.3 Flächenrecycling – nachhaltiges Flächenmanagement 441
8.1.4 Art und Ausmaß von Schadstoffeinträgen in Böden 442
8.2 Sedimente 445
8.2.1 Sedimente, das Gedächtnis der Gewässer 446
8.2.2 Biologische Wirkungen 447
8.2.3 Chemische Zeitbombeneffekte 448
8.2.4 Schwerpunkte aktueller Sedimentforschung 450
8.3 Altlastenprobleme 451
8.3.1 Sanierungsziele 453
8.3.2 Erkundung von Altablagerungen und Altstandorten 454
8.4 Altlastensanierung 457
8.4.1 Sicherungsmaßnahmen 457
8.4.2 Sanierung von Altlasten 462
8.4.3 In-situ Methoden 469
8.4.4 Flussgebietsmanagement mit kontaminierten Sedimenten 476
8.4.5 Böden und Sedimente im Flusseinzugsgebiet – Synthese 479
8.5 Literatur 480
9 Abfall 490
9.1 Abfallbeseitigung – vom Abraum bis zum Hausmüll 490
9.1.1 Abfälle aus Gewinnung und Behandlung von Bodenschätzen 491
9.1.2 Behandlung von Massenabfällen 493
9.1.3 Chemisch-physikalische Behandlung von Industrieabfällen 495
9.1.4 Hausmüll 497
9.1.5 Abfallaufkommen in Deutschland 499
9.2 Müllverbrennung 501
9.2.1 Müllverbrennungsanlagen 503
9.2.2 Rauchgasreinigung 505
9.2.3 Rückstandsbehandlung 507
9.2.4 Verwertung von Müllverbrennungsschlacken 509
9.2.5 Thermische Abfallbehandlungsanlagen in Deutschland 510
9.3 Deponierung 511
9.3.1 Deponiegas und Sickerwasser 513
9.3.2 Mechanisch-Biologische Vorbehandlung von Abfällen 516
9.3.3 Langzeitprognose für Reaktordeponien 517
9.3.4 Leitperspektive Endlagerqualität 519
9.4 Literatur 524
10 Kreislaufwirtschaft 532
10.1 Integrierte Stoffwirtschaft 532
10.1.1 Entwicklung einer integrierten Abfallwirtschaft in Europa 532
10.1.2 Märkte und Gesetze in der Kreislaufwirtschaft 533
10.1.3 EU-Aktionsplan für eine umfassende Kreislaufwirtschaft 535
10.1.4 Recycling innerhalb der Wertschöpfungskette 538
10.1.5 Theorie und Praxis des Recyclings 539
10.1.6 Formen des Recyclings – Dimensionen der Praxis 541
10.1.7 Prioritäten im System „Kreislaufwirtschaft“ 543
10.2 Stoffstrommanagement 544
10.2.1 Stoffflussanalysen für ein nachhaltiges Materialmanagement 545
10.2.2 Anthropogener Stoffwechsel in urbanen Systemen 547
10.2.3 Energetische Bilanzierung von Stoffkreisläufen 549
10.2.4 Material- und Energie-Intensität über einen Gebrauchszyklus 551
10.2.5 Vermeidung von Abfällen und Schadstoffen 552
10.3 Recycling in den einzelnen Wirtschaftszweigen 553
10.3.1 BGR-Regelkreis und wirtschaftsstrategische Rohstoffe 554
10.3.2 Verwertung gefährlicher Abfälle – Beispiel: Säurerecycling 555
10.3.3 Aufbereitung von Organikresten – Kompostierung 557
10.3.4 Urban Mining, Recycling von Baumaterialien 559
10.3.5 Werkstoffrecycling – Beispiel Kunststoffe 562
10.3.6 Verwertung von Verpackungsabfällen 567
10.3.7 Aufbereitung von Elektro- und Elektronikaltgeräten 569
10.3.8 Altfahrzeug-Verwertung 570
10.3.9 Batterien-Recycling 571
10.4 Weiterentwicklung der Kreislaufwirtschaft 573
10.4.1 Produktverantwortung – § 23 im Kreislaufwirtschaftsgesetz 573
10.4.2 Wiederaufarbeitung von Produkten 575
10.4.3 Ersatzbaustoffe zwischen Recycling und Bodenschutz 577
10.4.4 Kreislaufwirtschaft im Zeichen des Klimaschutzes 579
10.5 Literatur 580
Sachverzeichnis 592