Vandets kredsløb

(kilde: http://biologibogen.systime.dk/fileadmin/filer/figurer/2.30.jpg)

Fordampning og fortætning

Vandets kredsløb er en cirkulær bevægelse, hvorfor man ikke kan sige, det starter et sted, men her vil jeg tage udgangspunkt i havvandet. Dette havvand vil før eller siden fordampe, da solens stråler tilfører energi til vandet, som vil gå fra flydende til gasform. Selvom vandet ikke når 100° C, kan det godt fordampe, hvis den rette mængde energi tilføres. Det afhænger af vandets temperatur og fordampningsvarme, hvor meget energi der skal til for at fordampe det. Hvis temperaturen af et molekyle stiger, vil molekylernes hastighed stige tilsvarende, så den elektriske tiltrækning får sværere ved at holde stoffet sammen – og så gennemgår det en faseovergang.

Vandet stiger nu til vejrs. Det gør det, da stoffets densitet falder, når temperaturen stiger. Densitet er lig med massen divideret med rumfanget  p=m/v, og når temperaturen stiger, udvider stoffer sig, hvorfor massefylden altså vil falde. Derfor har varm luft en lavere densitet end kold luft, hvilket gør, at det stiger til vejrs. Når vanddampen er steget til vejrs, vil det blive nedkølet på et tidspunkt, og det bliver omdannet til skyer ved en fortætning af stoffet. Man siger, at luften kun kan indeholde en bestemt mængde vanddamp, og når luftfugtigheden rammer 100 %, vil man kunne se vanddampen. Skyer kan altså dannes på to måder; enten ved en fortætning af stoffet, når temperaturen falder, eller når luften ikke kan indeholde mere vanddamp.

Skyerne vil på et tidspunkt afgive deres vand i form af nedbør, som bl.a. rammer landfladen. Som vist på illustrationen på forrige side, vil noget af vandet nedsive til grundvandet, mens noget af det igen vil fordampes af solens stråler. Her afhænger solens evne til at fordampe stoffet blandt andet af vinklen, hvormed strålerne rammer vandet, og af stoffets fordampningsvarme – der afhænger af massen og den specifikke fordampningsvarme, som for vand er 4,18 kJ/K*kg. Det vil sige, at der skal tilføres 4,18 kJ hver gang et kilogram vand skal stige én grad.

Imidlertid afhænger fordampningen også af vinden. Når det blæser bliver vanddampen fjernet over vandoverfladen, hvorved fordampningen af vandet foregår hurtigere, da luftfugtigheden vil falde, så der er plads til mere vanddamp i luften.

Nedsivning til grundvandet

Vandet, der ikke fordamper, siver ned til grundvandet. Dette er en langvarig proces, hvor vandet gennemsiver forskellige jordlag, der har indflydelse på renheden af vandet. I Danmark findes typisk sandet jord og lerjord, og det har hver sin indflydelse på dannelsen af grundvandet; mere af nedbøren går til grundvandsmagasinerne ved sandet jord en ved leret jord, da vandet nedsiver hurtigere i sandet jord, der ikke er så kompakt. For eksempel er jorden i Jylland mange steder sandet, mens der er meget leret jord på Sjælland, og derfor er grundvandsmagasinerne størst i Jylland. Det er, fordi sandet jord holder dårligt på vandet, men til gengæld har det en dårlig vandrensende evne. Derimod renser leret jord vandet meget bedre, så drikkevandet herfra bliver af bedre kvalitet. Grunden hertil er, at ler indeholder nogle salte, der kan neutralisere vandets indhold af syre og nitrat.

En anden afgørende faktor for vandets kvalitet er kalkindholdet. Jo mere kalk der er i vandet, desto hårdere er det. På Sjælland er kalkindholdet for eksempel højt, hvorfor vandet ikke er særlig blødt her.

Vandet skal imidlertid ikke kun gennem et lag jord. Nedbøren kommer igennem mange forskellige slags jordlag, der har hver deres rensende evner, og som bidrager på hver deres måde. Vandet kommer igennem både aerobe (iltrige) og anaerobe (iltfattige) miljøer.

Det meste af grundvandet dannes i de måneder med mest nedbør, oftest vinteren. Grundvandsdannelsen er nemlig meget afhængig af nedbørsmængde. Derfor er der forskelle i grundvandsmagasinerne om sommeren og om vinteren.

For at beskrive vandets kredsløb bruger naturgeografien også en bestemt formel: N = F + Ao + Au + Q + ΔR

Grundvandsmagasinerne

Når nedbøren er sivet ned gennem jordlagene, møder det grundvandsmagasinerne, som består af ferskvand. Dette ferskvand ligger og flyder på saltvand på grund af forskelle i densiteten. Det danner et skillelag, der adskiller de to former for vand, hvor ferskvandets højde er ca. 1/40 gange højere end saltvandets højde, da det er forskellen i densiteten mellem de to stoffer. Dette udførte vi et forsøg om, hvor vi påviste sammenhængen mellem salt- og ferskvand og fandt ud af, at forskellene i densiteterne er lig det modsatte forhold af højderne af væskerne: hf/hs=ps/pf. Denne forskel er vigtig at kende til, når man skal pumpe grundvand op og bruge det som drikkevand, da man ikke er interesseret i at få saltvand med.

Noget af grundvandet vil – som det ses på illustrationen på forrige side – strømme ud i havet, hvor vandets kredsløb er tilbage, hvor det startede. Imidlertid er vandets kredsløb ikke så enkelt mere. Mennesket har en stor påvirkning på dette kredsløb, da vi bruger vand i mange henseender og herved forurener vores eget leve- og drikkevand. Derfor er vi nødt til at regulere dette kredsløb, så vi fortsat kan drikke vores grundvand og leve sundt. Det er denne del af vandets ”unaturlige” kredsløb, som jeg vil skrive om i den næste del af rapporten.

Vandets unaturlige kredsløb

Vandets kredsløb er altså ikke det samme i dag, som det altid har været. Mennesket er kommet ind og bruger af vandet, men det har vi altid gjort. Det, der har en stor indvirkning, er til gengæld, at vores måder at bearbejde naturen og vores måder at arbejde, producere og leve på generelt har ændret sig. I dag er de største forureningskilder landbruget, som bruger næringsstoffer og pesticider, organiske stoffer som olie – et følge af vores forandrede levestil – og ubehandlet spildevand fra byerne, hvorfra vi tidligere udledte mange naturuvenlige stoffer. Disse forureningskilder vil man naturligvis gerne fjerne eller minimere, så vi fortsat kan leve af at drikke af vores grundvand. Dette afsnit handler om, hvordan mennesket har indflydelse på vandets kredsløb.

Når vi gerne vil have rent vand at drikke fra vores vandhaner, er vi nødt til at hente dette et sted fra, da vi ikke har mulighed for at skabe så store mængder vand selv. Derfor pumper vi som nævnt store mængder grundvand op fra grundvandsmagasiner. Dette vand er mere eller mindre rent, da det har været igennem en masse jordlag, hvor det er blevet renset – og da det er mange år gammelt og muligvis fra en tid uden forurening som i dag. Vandet er imidlertid ikke 100 % rent, hvorfor vandet løber igennem en begrænset rensning i vores vandværker.

Rensning af spildevand

Efter vandet har været igennem denne milde rensning, løber det videre til byerne og beboede områder. Her bruges vandet til alt muligt: alt fra drikkevand til rengøring. Dette vand belastes igennem denne tur og bliver beskidt og direkte usundt at drikke – nu kaldes det spildevand. Spildevandet kommer primært fra personligt brug, men en del af kommer også fra industrien.

Tidligere tænkte vi ikke på, at dette spildevand kunne være skadeligt for vores miljø og naturen. Derfor gik spildevandet direkte ud i havet igen og i søer, hvorved disse miljøer blev massivt beskadiget. Der er adskillige eksempler på søer, hvis naturlige miljøer er ændret radikalt efter udledning af spildevand.

Ikke desto mindre har dette – og andre hændelser såsom kolera-epidemien i 1800-tallet – fået vores øjne op for, hvor vigtigt det er, at man renser spildevandet. Derfor løber vandet i dag fra byerne videre til et spildevandscenter, hvor det renses, før det udledes til havet. Herved kan vi fortsat have rent drikkevandet, og vi belaster ikke miljøet i samme grad. I det følgende vil jeg forklare, hvordan et spildevandscenter fungerer.

Renseanlæggene skal kunne rense spildevandet for mange forskellige stoffer og materialer, hvorfor vandet gennemløber flere processer. Man skal kunne fjerne organisk stof, næringsstoffer, fast affald og mange andre unaturlige eller skadende forekomster. Der findes mange regler og kvoter, hvor store mængder af de forskellige stoffer, vandet må indeholde, så rensningen er god nok. Man er især meget opmærksom på stoffer som kvælstof (N) og fosfor (P).

Spildevandet løber først igennem en rist, hvor større og faste materialer fjernes. Herefter ledes det ud i et stort bassin, hvor sand og grus bundfælder og bliver skrabet væk. Også organiske stoffer som fedt og olie fjernes her. Dette er den mekaniske rensning.

Der er stadig nu klorid i vandet. Dette er ikke et stort problem, men det er dog vigtigt, at der ikke kommer for meget, da man i så fald ikke kan drikke vandet pga. sundheds- og smagsproblemer. Imidlertid nedbrydes klor under anaerobe forhold, som ved denitrifikation og i grundvandsmagasinerne.

Nitrifikation

Spildevandet fortsætter derefter gennem nogle biologiske rensningstrin, hvor man primært fjerner organisk stof og gødningssalte. Dette gør man ved at tilføre ilt, så de mange bakterier og mikroorganismer i vandet kan nedbyde de organiske stoffer – disse bakterier arbejder altså under aerobe forhold. Ved disse forhold frigøres kvælstof og ammoniak, som bliver omdannet til nitrit og siden nitrat under disse aerobe forhold. Denne proces kaldes nitrifikation, og det er de nitrificerende bakterier, der omdanner ammoniak. Kemisk ser nitrifikation således ud:

(kilde: http://www.spildevandscenter.dk/)

Denitrifikation

Efter nitrifikationen vil man imidlertid gerne fjerne den dannede nitrat igen, hvorved man slukker for tilførelsen af ilt – luftningsanlæggene. Hurtigt vil bakteriernes respiration fjerne alt ilt fra vandet. Derfor vil de denitrificerende bakterier, der arbejder under anaerobe forhold, hvor der ikke er noget ilt, nu bruge ilten i nitrat til deres respiration. Herved omdannes nitrat (NO2) til nitrogen (N), som frit svæver op. Denitrifikations kemiske proces ser således ud:

(kilde: http://www.spildevandscenter.dk/)

Samtidigt med nitrifikation og denitrifikation har bakterierne brugt fosfor, og hermed er mængden af både kvælstof, fosfor og organiske stoffer nu nedsat drastisk. Nu skal vandet også renses for de mange bakterier – slam – som var med til at fjerne fosfor og kvælstof under den biologiske rensning. Dette sker i såkaldte efterklaringstanke, hvor slammet vil bundfældes stille og roligt og fjernes. Inden vandet til sidst ledes ud i havet, åer, vandløb osv. iltes det over en iltningstrappe, så det ikke ændrer det miljø, det ender i.

Vandet har nu været igennem en række gennemgående rensningsprocesser, og koncentrationen af nitrogen og fosfor bør være bragt under de værdier, som spildevandet maksimum må indeholde. Vandet kan nu indgå uden store negative konsekvenser i dets kredsløb. Det har været igennem en mekanisk rensning, en kemisk rensning og en række biologiske rensningstrin. Hele denne proces kan også ses på det følgende billede:

(kilde: biologibogen.dk)

Kredsløbet begynder forfra

Vandet ledes nu ud i havet, åer, vandløb, fjorde osv., og vandets – naturlige såvel som unaturlige – kredsløb kan nu starte forfra. Mennesket har trådt succesfuldt ind i denne cirkulære bevægelse, så det selv kan få størst muligt udbytte, og så naturen overlever med bedst mulige vilkår for fremtiden.

Især rensningen af spildevandet men som sådan hele den menneskelige indvirkning på kredsløbet som helhed er bogstavelig talt livsnødvendigt og bidrager til menneskets og naturens fortsatte eksistens. Derfor er det så vigtigt at rense vandet, for vi skåner ikke kun naturen dermed, da en forplejning af naturen er en forplejning af os selv.

Nedsivning til grundvandet

Vandet, der ikke fordamper, siver ned til grundvandet. Dette er en langvarig proces, hvor vandet gennemsiver forskellige jordlag, der har indflydelse på renheden af vandet. I Danmark findes typisk sandet jord og lerjord, og det har hver sin indflydelse på dannelsen af grundvandet; mere af nedbøren går til grundvandsmagasinerne ved sandet jord en ved leret jord, da vandet nedsiver hurtigere i sandet jord, der ikke er så kompakt. For eksempel er jorden i Jylland mange steder sandet, mens der er meget leret jord på Sjælland, og derfor er grundvandsmagasinerne størst i Jylland. Det er, fordi sandet jord holder dårligt på vandet, men til gengæld har det en dårlig vandrensende evne. Derimod renser leret jord vandet meget bedre, så drikkevandet herfra bliver af bedre kvalitet. Grunden hertil er, at ler indeholder nogle salte, der kan neutralisere vandets indhold af syre og nitrat.

En anden afgørende faktor for vandets kvalitet er kalkindholdet. Jo mere kalk der er i vandet, desto hårdere er det. På Sjælland er kalkindholdet for eksempel højt, hvorfor vandet ikke er særlig blødt her.

Vandet skal imidlertid ikke kun gennem et lag jord. Nedbøren kommer igennem mange forskellige slags jordlag, der har hver deres rensende evner, og som bidrager på hver deres måde. Vandet kommer igennem både aerobe (iltrige) og anaerobe (iltfattige) miljøer.

Det meste af grundvandet dannes i de måneder med mest nedbør, oftest vinteren. Grundvandsdannelsen er nemlig meget afhængig af nedbørsmængde. Derfor er der forskelle i grundvandsmagasinerne om sommeren og om vinteren.

For at beskrive vandets kredsløb bruger naturgeografien også en bestemt formel: N = F + Ao + Au + Q + ΔR [1]. Denne vil jeg dog ikke forklare nærmere, men det er en alternativ måde at vise vandets kredsløb på, hvorved man ved hjælp af tal kan forklare, hvad der sker.


[1] Side 75 i NV-kompendiet

Litteratur:
Kompendium i Naturvidenskabeligt Grundforløb Øregård Gymnasium og uddelte papirer uden kildeangivelse
FysikABBogen og FysikCBogen

Internetsider og dokumenter:
www.biologibogen.dk

http://www.globalemiljoe.dk/flash/rensning/default.htm

http://www2.blst.dk/udgiv/Publikationer/2007/978-87-92256-33-1/html/helepubl.htm

PowerPoint fra Avedøre Spildevandscenter – www.spildevandscenter.dk
Forsøgsbeskrivelser fra Avedøre Spildevandscenter – www.lectio.dk

http://www.svendborgvand.dk/index.php?ID=42&lang=da

3 thoughts on “Vandets kredsløb

  1. this is so good, it really saved my life when i was writing a report and i got lost so i read this and now i feel like i know everything about it :)

  2. Pingback: vandets kredsløb | speedfoto.dk

Leave a Reply