Untersuchungen über die Verdünnung von Abwässern aus der Titandioxid-Produktion bei Einleitung in das Schraubenwasser eines Schiffes

Zusammenfassung

Seit Mai 1969 werden täglich etwa 1300 bis 1800 t Abwässer aus der Titandioxid-Produktion (Dichte bei 40°C: 1250 kg/m³) in die Deutsche Bucht eingebracht. Die Abwässer werden mit Spezialtankern in das Einbringungsgebiet (20 bis 30 km nordwestlich von Helgoland) transportiert und dort bei einer Fahrtgeschwindigkeit von 10 bis 15 km/h in das Schraubenwasser der Tanker eingeleitet. Auf diese Weise werden die Abwässer sofort stark mit Meerwasser verdünnt. Jede Entladung dauert etwa 90 bis 100 min. Während dieser Zeit werden etwa 1100 m³ Abwässer ins Meer eingebracht.

Die Verdünnung der Abwässer beim Einleiten in das Schraubenwasser der Säuretanker und die anschließende Vermischung des Schraubenwassers mit unverschmutztem Meerwasser wurden in den Jahren 1969 bis 1974 untersucht. Die Ermittlung der Verdünnungs-Geschwindigkeit ist deshalb besonders wichtig, weil die Abwässer erst bei einer Verdünnung von etwa 1∶10000 ihre (zunächst sehr starke) Toxizität gegenüber Meeresorganismen verlieren.

Die durch die TiO₂-Abwässer hervorgerufene Änderung der Fe-Konzentration (ΔFe) und des pH-Wertes (ΔpH) im Schraubenwasser sowie das Verdünnungs-verhältnis von Abwasser zu Meerwasser sind in den Abb. 4 und 5 dargestellt. Außerdem sind dort die ungefähren Verdünnungskurven eingezeichnet, die aus den jeweils größten ΔFe- und |ΔpH|-Werten konstruiert wurden (Ausnahme: Ergebnisse der ersten Einbringung am 13. 5. 1969). Bei den gegebenen Versuchsbedingungen war das Verdünnungsverhältnis 1∶1000 nach etwa 6 min erreicht, das Verdünnungs-verhältnis 1∶10000 nach etwa 65 min, das Verhältnis 1∶100000 nach etwa 650 min. Bei extrem ruhigem Wetter dürfte die Verdünnung wegen der geringen Turbulenz des Wassers langsamer ablaufen, bei stürmischem Wetter schneller.

Bei unsern Versuchen war das Meerwasser im Einbringungsgebiet stets vertikal geschichtet (σ_{t(20 m)}−σ_{t(5 m)}≧1,0). Daher sank das mit Abwasser belastete Schraubenwasser der Tanker gar nicht oder nur wenig nach unten ab. Die untere Begrenzung des Schraubenwassers erreichte eine maximale Tiefe von 12 bis 14 m. Durch einen Sturm oder anhaltende Westwinde (Abdrängen des durch Elbe und Weser ausgesüßten Oberflächenwassers nach Osten) können die vertikalen Dichteunterschiede im Einbringungsgebiet, vor allem im Winter, sehr geringe Werte annehmen oder sogar völlig verschwinden. In diesem Falle ist damit zu rechnen, daß das mit den Abwässern belastete Schraubenwasser auf den Meeresboden absinkt. Die schädliche Wirkung auf die Bodenfauna wird dann allerdings durch eine weitere Verdünnung während des Absinkvorganges gemildert.

Summary

Since May 1969, about 1300 to 1800 t of waste waters daily from Titanium dioxide production (density at 40°C: 1250 kg/m³) were dumped in the German Bight. The waste waters are transported to the dumping area (20 to 30 km northwestwards of Helgoland) by special tankers, and then introduced into the tanker's screw water at a travelling speed of 10 to 15 km/h. In this manner, the waste waters are strongly diluted with seawater immediately. Every discharge lasts about 90 to 100 min. During this time, about 1100 m³ waste waters are dumped into the sea.

The dilution of the waste waters by their introduction into the acid tanker's screw water, and the subsequent mixing of the screw water with unpolluted seawater, were investigated during the period 1969 to 1974. Therefore, ascertainment of the dilution speed is especially important because the waste waters first lose their (in the first instance, very strong) toxicity — with regard to marine organisms — at a dilution of about 1∶10000.

The change of the Fe concentration (ΔFe) and the pH value (ΔpH) in the crew water brought about by the TiO₂ waste waters, as well as the dilution ratio of waste water to seawater, are shown in Figs. 4 and 5. Moreover, the approximate dilution curves are drawn there, which were constructed from the largest ΔFe and |ΔpH| values (Exception: the results of the first dumping on 13. 5. 1969). Under the experimental conditions given, the dilution ration 1∶1000 was reached after about 6 min; the dilution ratio 1∶10000 after about 65 min; and the ratio 1∶100000 after about 650 min. In extremely calm weather it is likely that the dilution takes place more slowly because of the negligible turbulence: in stormy weather, more rapidly.

During our investigations, the water in the dumpig area was vertically layered (σ_{t(20 m)}−σ_{t(5 m)}≧1,0). Hence, the waste water burdened screw water sank down towards the bottom either not at all or only a little. The bottom limit of the screw water attained a maximum depth of 12 to 14 m. As the result of a storm or sustained West wind, (deflection towards the East of the surface water — sweetened by the Elbe and Weser) the vertical differences of density in the dumping area — especially in winter — can adopt very low values or even completely disappear. In such a case, it is to be expected that the waste water burdened screw water sinks down to the sea bottom. The damaging effect upon the bottom fauna would then certainly be mitigated because of a further dilution during the sinking process.

Résumé

Depuis mai 1969, de 1300 à 1800 tonnes d'eau usées provenant de la fabrication du bioxyde de titane (Densité à 40 degrés centigrades: 1250 kg/m³) sont déversées chaque jour dans la Baie Allemande. Des bateaux citernes spéciaux transportent les eaux usées dans la zone de déversement (à 20 ou 30 km au Nord-Ouest d'Heligoland) et, là, elles sont déversées dans le sillage du bateau citerne, qui navigue à une vitesse de 10 à 15 km/h. De cette façon, les eaux usées sont tout de suite fortement diluées dans l'eau de la mer. Chaque déchargement dure environ de 90 à 100 minutes. Pendant ce temps, à peu près 1100 m³ d'eau usée sont déversés dans la mer.

On a étudié, dans les années 1969 à 1974, la dilution des eaux usées qui sont déversées dans le sillage de la citerne et le mélange consécutif de ce dernier avec l'eau de mer non polluée. Dans cette affaire, la recherche de la vitesse de dilution est particulièrement importante, car les eaux usées d'une dilution d'environ 1 pour 10000 perdent leur toxicité (en premier lieu très forte) à l'égard des organismes marins.

Les changements de la concentration du fer (ΔFe) et de la valeur du pH (ΔpH) produits dans le sillage par les eaux usées de bioxyde de titane, ainsi que la dilution relative des eaux usées par rapport à l'eau de mer, sont indiqué aux figures 4 et 5. On y a, en outre, tracé les courbes de dilution qui ont été construites d'après les plus grandes valeurs de ΔFe et de |ΔpH| (à l'exception des premiers déversements du 13 mai 1969). Dans les conditions actuelles de la recherche, le rapport de dilution de 1 pour 1000 était atteint après environ 6 minutes, celui de 1 pour 10000 après environ 65 minutes et le rapport de 1 pour 100000 après environ 650 minutes. Dans une eau extrèmement calme, la dilution peut évoluer plus lentement en raison de la faible turbulence de l'eau, et plus vite par gros temps.

Au cours de nos recherches, l'eau de mer, dans la zone de déversement, se répartissait verticalement par couches (σ_{t(20 m)}−σ_{t(5 m)}≧1,0), c'est pourquoi l'eau du sillage du bateau-citerne, chargée d'eau usée, ne tombait pas plus bas, ou très peu. La profondeur limite atteinte par le sillage est, au plus, de 12 à 14 mètres. En cas de tempéte ou de coup de vent d'ouest bien établi (les eaux de surface, édulcorées par l'Elbe et la Weser, sont repoussées vers l'Est) les densités dans le sens vertical, à l'intérieur de la zone de déversement, peuvent, surtout en hiver, présenter de très faibles différences qui arrivent même à s'annuler complètement. Dans ce cas, il est possible que, pour cette raison, l'eau du sillage, chargée d'eau usée, se dépose au fond de la mer. L'effet nuisible sur la faune du fond alors, sans doute, atténué par une plus grande dilution au cours du processus de descente.