Nährstoffbelastung - Nutrient pollution

Nährstoffbelastung durch Oberflächenabfluss von Boden und Dünger während eines Regensturms

Nährstoffbelastung, eine Form der Wasserverschmutzung , bezieht sich auf die Belastung durch übermäßige Zufuhr von Nährstoffen . Es ist eine der Hauptursachen für die Eutrophierung von Oberflächengewässern , in denen überschüssige Nährstoffe, normalerweise Stickstoff oder Phosphor , das Algenwachstum stimulieren . Zu den Quellen der Nährstoffverschmutzung gehören Oberflächenabfluss von landwirtschaftlichen Feldern und Weiden, Einleitungen aus Klärgruben und Feedlots und Emissionen aus der Verbrennung. Rohes Abwasser ist ein großer Beitrag zur kulturellen Eutrophierung da Abwasser in den Nährstoffen hoch ist. Die Freisetzung von Rohabwasser in einen großen Wasserkörper wird als Abwasserdeponierung bezeichnet und kommt immer noch auf der ganzen Welt vor. Überschüssige reaktive Stickstoffverbindungen in der Umwelt sind mit vielen groß angelegten Umweltproblemen verbunden. Dazu gehören Eutrophierung von Oberflächengewässern , schädliche Algenblüten , Hypoxie , saurer Regen , Stickstoffsättigung in Wäldern und Klimawandel .

Seit dem Agrarboom in den 1910er Jahren und erneut in den 1940er Jahren, um der steigenden Nahrungsmittelnachfrage gerecht zu werden, ist die landwirtschaftliche Produktion stark auf den Einsatz von Düngemitteln angewiesen. Dünger ist eine natürliche oder chemisch veränderte Substanz, die den Boden fruchtbarer macht. Diese Düngemittel enthalten hohe Mengen an Phosphor und Stickstoff, was dazu führt, dass überschüssige Nährstoffe in den Boden gelangen. Stickstoff , Phosphor und Kalium sind die „Big 3“-Primärnährstoffe in kommerziellen Düngemitteln, jeder dieser Grundnährstoffe spielt eine Schlüsselrolle in der Pflanzenernährung. Wenn Stickstoff und Phosphor von den wachsenden Pflanzen nicht vollständig verwertet werden, können sie von den Feldern verloren gehen und die Luft- und Wasserqualität beeinträchtigen. Diese Nährstoffe können schließlich in aquatische Ökosysteme gelangen und tragen zu einer erhöhten Eutrophierung bei. Wenn Bauern ihren organischen oder synthetisch hergestellten Dünger ausbringen, wird der größte Teil des Düngers zu Abfluss, der sich flussabwärts sammelt und kulturelle Eutrophierung erzeugt.

Zu den Minderungsansätzen zur Reduzierung von Nährstoffeinträgen zählen die Nährstoffsanierung, der Nährstoffhandel und die Aufteilung der Nährstoffquellen.

Nährstoffe

Die Landwirtschaft ist die Hauptquelle der Nährstoffverschmutzung im Golf von Mexiko . In der Chesapeake Bay ist die Landwirtschaft neben städtischen Gebieten und atmosphärischer Deposition eine Hauptquelle.
Mittlere eutrophierende Emissionen (gemessen als Phosphatäquivalente) verschiedener Lebensmittel pro 100 g Protein
Lebensmittelarten Eutrophierungsemissionen (g PO 4 3- eq pro 100 g Protein)
Rindfleisch
365,3
Zuchtfisch
235.1
Gezüchtete Krebstiere
227.2
Käse
98,4
Lamm und Hammel
97,1
Schweinefleisch
76,4
Geflügel
48,7
Eier
21,8
Erdnüsse
14,1
Erbsen
7,5
Tofu
6.2
Ein Beispiel in Tennessee, wie Boden von gedüngten Feldern schnell in Abfluss umgewandelt werden kann, wodurch ein Nährstofffluss entsteht, der in einen lokalen Wasserkörper fließt.

Stickstoff

Durch den Einsatz synthetischer Düngemittel , die Verbrennung fossiler Brennstoffe und die landwirtschaftliche Tierhaltung , insbesondere durch die konzentrierte Tierfütterung (CAFO), wurden der Biosphäre große Mengen an reaktivem Stickstoff zugeführt . Weltweit sind die Stickstoffbilanzen ziemlich ineffizient verteilt, wobei einige Länder Überschüsse und andere Defizite aufweisen, was insbesondere in ersteren eine Reihe von Umweltproblemen verursacht. In den meisten Ländern der Welt ist der Kompromiss zwischen der Schließung von Ertragslücken und der Minderung der Stickstoffbelastung gering oder nicht vorhanden

Phosphor

Die Phosphorbelastung wird durch den übermäßigen Einsatz von Düngemitteln und Gülle verursacht , insbesondere wenn sie durch Bodenerosion verstärkt wird . Phosphor wird auch von kommunalen Kläranlagen und einigen Industrien ausgetragen.

Die Menschheit hat den Phosphorkreislauf auf der Erde um das Vierfache erhöht , hauptsächlich aufgrund der Produktion und Anwendung von landwirtschaftlichem Dünger. Zwischen 1950 und 1995 wurden schätzungsweise 600.000.000 Tonnen Phosphor auf die Erdoberfläche aufgebracht, hauptsächlich auf Ackerland.

Umwelteinflüsse

Überschüssige Nährstoffe wurden als potenziell führend zusammengefasst:

Quellen für einen hohen Nährstoffabfluss

Die Hauptquelle(n) der Nährstoffbelastung in einem einzelnen Einzugsgebiet hängen von der vorherrschenden Landnutzung ab . Die Quellen können Punktquellen , Nichtpunktquellen oder beides sein:

Die Nährstoffbelastung durch einige Luftverschmutzungsquellen kann unabhängig von der lokalen Landnutzung aufgrund des weitreichenden Transports von Luftschadstoffen aus entfernten Quellen auftreten.

Um einschätzen zu können, wie die Eutrophierung am besten verhindert werden kann, müssen spezifische Quellen identifiziert werden, die zur Nährstoffbelastung beitragen. Es gibt zwei gemeinsame Quellen für Nährstoffe und organische Substanz: Punkt- und Nichtpunktquellen .

Punktquellen

Punktquellen sind direkt einem Einfluss zuzuordnen. In Punktquellen wandert der Nährstoffabfall direkt von der Quelle ins Wasser. Punktquellen sind relativ einfach zu regulieren.

Nonpoint-Quellen

Verschmutzung durch nicht punktuelle Quellen (auch als „diffuse“ oder „abfließende“ Verschmutzung bekannt) ist eine Verschmutzung, die aus schlecht definierten und diffusen Quellen stammt. Nonpoint-Quellen sind schwer zu regulieren und variieren in der Regel räumlich und zeitlich (je nach Jahreszeit , Niederschlag und anderen unregelmäßigen Ereignissen ).

Es wurde gezeigt, dass der Stickstofftransport mit verschiedenen Indizes der menschlichen Aktivität in Wassereinzugsgebieten korreliert, einschließlich des Ausmaßes der Entwicklung. Das Pflügen in Landwirtschaft und Entwicklung sind Tätigkeiten, die am meisten zur Nährstoffbelastung beitragen.

Bodenrückhalt

Nährstoffe aus menschlichen Aktivitäten neigen dazu, sich im Boden anzureichern und dort über Jahre zu verbleiben. Es hat sich gezeigt, dass der Phosphorverlust in Oberflächengewässern linear mit der Phosphormenge im Boden zunimmt. So gelangt ein Großteil der Nährstoffbelastung im Boden schließlich ins Wasser. Stickstoff hat ebenfalls eine Umsatzzeit von Jahrzehnten.

Abfluss in Oberflächengewässer

Nährstoffe aus menschlichen Aktivitäten wandern vom Land ins Oberflächen- oder Grundwasser. Insbesondere Stickstoff wird durch Regenrinnen , Abwasserrohre und andere Formen des Oberflächenabflusses entfernt . Nährstoffverluste in Abfluss und Sickerwasser werden oft mit der Landwirtschaft in Verbindung gebracht . In der modernen Landwirtschaft werden häufig Nährstoffe auf Felder aufgetragen, um die Produktion zu maximieren. Landwirte wenden jedoch häufig mehr Nährstoffe an, als von Feldfrüchten oder Weiden aufgenommen werden. Die Vorschriften zur Minimierung von Nährstoffexporten aus der Landwirtschaft sind in der Regel weit weniger streng als diejenigen für Kläranlagen und andere Punktquellen-Verschmutzer. Es sollte auch beachtet werden, dass Seen innerhalb von Waldgebieten auch unter Oberflächenabflusseinflüssen stehen. Abflüsse können den mineralischen Stickstoff und Phosphor aus Detritus auswaschen und somit die Gewässer versorgen, was zu einer langsamen, natürlichen Eutrophierung führt.

Atmosphärische Ablagerung

Stickstoff wird durch die Verflüchtigung von Ammoniak und die Bildung von Lachgas in die Luft freigesetzt . Die Verbrennung von fossilen Brennstoffen ist ein großer Mensch initiierten Beitrag zur atmosphärischen Stickstoffbelastung. Atmosphärischer Stickstoff erreicht den Boden durch zwei verschiedene Prozesse, der erste ist eine nasse Ablagerung wie Regen oder Schnee und der zweite ist eine trockene Ablagerung, bei der Partikel und Gase in der Luft enthalten sind. Auch atmosphärische Deposition (zB in Form von saurem Regen ) kann die Nährstoffkonzentration im Wasser beeinflussen, insbesondere in hochindustrialisierten Regionen.

Andere Quellen

Jeder Faktor, der erhöhte Nährstoffkonzentrationen verursacht, kann potenziell zur Eutrophierung führen. Bei der Modellierung der Eutrophierung spielt die Geschwindigkeit der Wassererneuerung eine entscheidende Rolle; stehendes Wasser kann mehr Nährstoffe aufnehmen als Körper mit aufgefüllten Wasservorräten. Es wurde auch gezeigt, dass die Austrocknung von Feuchtgebieten eine Erhöhung der Nährstoffkonzentration und nachfolgende Eutrophierungsblüten verursacht.

Minderung von Nährstoffeinträgen

Nährstoffsanierung

Muscheln sind Beispiele für Organismen, die als Nährstoff-Bioextraktoren fungieren

Es wurden innovative Lösungen entwickelt, um die Nährstoffverschmutzung in aquatischen Systemen zu bewältigen, indem natürliche Prozesse verändert oder verbessert werden, um die Nährstoffwirkungen von schädlichen ökologischen Auswirkungen abzuwenden. Die Nährstoffsanierung ist eine Form der Umweltsanierung, betrifft aber nur biologisch aktive Nährstoffe wie Stickstoff und Phosphor . „Sanierung“ bezieht sich auf die Beseitigung von Verschmutzungen oder Kontaminanten, im Allgemeinen zum Schutz der menschlichen Gesundheit. Bei der Umweltsanierung umfassen Technologien zur Nährstoffentfernung die Biofiltration , bei der lebendes Material verwendet wird, um Schadstoffe einzufangen und biologisch abzubauen. Beispiele sind Grüngürtel, Uferbereiche , natürliche und bebaute Feuchtgebiete und Klärteiche. Diese Gebiete erfassen am häufigsten anthropogene Einleitungen wie Abwasser, Regenwasserabfluss oder Abwasserbehandlung zur Landgewinnung nach Bergbau, Raffinerieaktivitäten oder Landentwicklung. Biofiltration nutzt die biologische Assimilation , um die Schadstoffe (einschließlich Nährstoffe) einzufangen, zu absorbieren und schließlich in lebendes Gewebe einzubauen. Eine andere Form der Nährstoffentfernung ist die Bioremediation , bei der Mikroorganismen zur Entfernung von Schadstoffen eingesetzt werden. Bioremediation kann allein als natürliche Abschwächung oder intrinsische Bioremediation erfolgen oder durch Zugabe von Düngemitteln, einer sogenannten Biostimulation, gefördert werden.

Bei der Nährstoffbioextraktion handelt es sich um eine Bioremediation mit kultivierten Pflanzen und Tieren. Nährstoffbioextraktion oder Bioernte ist die Praxis der Zucht und Ernte von Schalentieren und Algen, um Stickstoff und andere Nährstoffe aus natürlichen Gewässern zu entfernen. Es wurde vorgeschlagen, dass die Stickstoffentfernung durch Austernriffe Nettovorteile für Quellen mit Stickstoffemissionsbeschränkungen bringen könnte, ähnlich wie bei anderen Szenarien des Nährstoffhandels. Wenn Austern den Stickstoffgehalt in Ästuaren unter Schwellenwerten halten, die zur Auferlegung von Emissionsgrenzwerten führen würden, ersparen Austern den Quellen effektiv die Befolgungskosten, die ihnen sonst entstehen würden. Mehrere Studien haben gezeigt, dass Austern und Muscheln den Stickstoffgehalt in Flussmündungen dramatisch beeinflussen können. Darüber hinaus haben Studien gezeigt, dass Algen das Potenzial haben, den Stickstoffgehalt zu verbessern.

Nährstoffhandel

Der Handel mit Nährstoffen ist eine Art des Handels mit Wasserqualität , ein marktbasiertes politisches Instrument zur Verbesserung oder Erhaltung der Wasserqualität. Der Handel mit Wasserqualität entstand um 2005 und basiert auf der Tatsache, dass verschiedene Verschmutzungsquellen in einem Einzugsgebiet sehr unterschiedliche Kosten verursachen können, um denselben Schadstoff zu kontrollieren. Der Handel mit Wasserqualität beinhaltet den freiwilligen Austausch von Gutschriften zur Reduzierung der Verschmutzung von Quellen mit geringen Kosten für die Verschmutzungsbekämpfung an solche mit hohen Kosten für die Verschmutzungsbekämpfung, und die gleichen Grundsätze gelten für den Handel mit Nährstoffen in Wasserqualität. Das zugrunde liegende Prinzip ist „ Verursacher zahlt “, in der Regel verbunden mit einer regulatorischen Verpflichtung zur Teilnahme am Handelsprogramm.

Ein Bericht von Forest Trends aus dem Jahr 2013 fasste Handelsprogramme für Wasserqualität zusammen und fand drei Haupttypen von Geldgebern: Begünstigte des Schutzes von Wassereinzugsgebieten, Verschmutzer, die ihre Auswirkungen kompensieren, und "Zahler des öffentlichen Gutes", die möglicherweise nicht direkt profitieren, aber die Gutschriften zur Reduzierung der Umweltverschmutzung im Namen von a . finanzieren Regierung oder NGO . Ab 2013 wurden Zahlungen überwiegend von öffentlichen Gutachtern wie Regierungen und NGOs initiiert.

Aufteilung der Nährstoffquelle

Die Nährstoffquellenzuordnung wird verwendet, um die Nährstoffbelastung aus verschiedenen Sektoren zu schätzen, die nach der Verminderung oder Behandlung in Gewässer gelangen. Die Landwirtschaft ist in der Regel die Hauptquelle für Stickstoff in Gewässern in Europa, während in vielen Ländern Haushalte und Industrien in der Regel die Hauptlieferanten von Phosphor sind. Wo die Wasserqualität durch überschüssige Nährstoffe beeinträchtigt wird, können Lastquellen-Aufteilungsmodelle die proportionale und pragmatische Bewirtschaftung der Wasserressourcen durch die Identifizierung der Verschmutzungsquellen unterstützen. Es gibt zwei breite Ansätze für die Modellierung der Ladungsverteilung, (i) belastungsorientierte Ansätze, die den Ursprung auf der Grundlage von In-Stream-Monitoring-Daten aufteilen , und (ii) quellenorientierte Ansätze, bei denen die Mengen diffuser oder nicht punktueller Schadstoffemissionen unter Verwendung von Modellen berechnet werden in der Regel auf der Grundlage von Exportkoeffizienten aus Einzugsgebieten mit ähnlichen Merkmalen. Das Source Load Aportionment Model (SLAM) verwendet beispielsweise den letztgenannten Ansatz und schätzt den relativen Beitrag von Stickstoff- und Phosphorquellen zu Oberflächengewässern in irischen Einzugsgebieten ohne In-Stream-Überwachungsdaten durch Integration von Informationen zu Punkteinleitungen (städtisches Abwasser, Industrie und Klärgrubensysteme), diffuse Quellen (Weide, Acker, Forstwirtschaft usw.) und Einzugsgebietsdaten, einschließlich hydrogeologischer Eigenschaften.

Länderbeispiele

Vereinigte Staaten

Laut Erhebungen staatlicher Umweltbehörden ist die Verschmutzung durch landwirtschaftliche Nonpoint Source (NPS) die größte Quelle für Beeinträchtigungen der Wasserqualität in den USA. Die NPS-Verschmutzung unterliegt keinen Einleitgenehmigungen gemäß dem Bundesgesetz über sauberes Wasser (CWA). EPA und Bundesstaaten haben Zuschüsse, Partnerschaften und Demonstrationsprojekte genutzt, um Anreize für Landwirte zu schaffen, ihre Praktiken anzupassen und den Oberflächenabfluss zu reduzieren .

Entwicklung der Nährstoffpolitik

Die grundlegenden Anforderungen für die Staaten Nährstoff entwickeln Kriterien und Standards wurden in 1972 Clean Water Act beauftragt. Die Umsetzung dieses Wasserqualitätsprogramms war sowohl für die EPA als auch für die Bundesstaaten eine große wissenschaftliche, technische und ressourcenintensive Herausforderung, und die Entwicklung wird bis weit in das 21. Jahrhundert hinein fortgesetzt.

1978 veröffentlichte die EPA eine Abwassermanagementverordnung, um das seit Jahrzehnten zunehmende nationale Problem der Stickstoffverschmutzung anzugehen. 1998 veröffentlichte die Agentur eine Nationale Nährstoffstrategie mit Schwerpunkt auf der Entwicklung von Nährstoffkriterien.

Zwischen 2000 und 2010 veröffentlichte die EPA Nährstoffkriterien auf Bundesebene für Flüsse/Bäche, Seen/Stauseen, Ästuare und Feuchtgebiete; und dazugehörige Anleitung. In diese Veröffentlichungen wurden „ökoregionale“ Nährstoffkriterien für 14 Ökoregionen in den USA aufgenommen. Während Staaten die von der EPA veröffentlichten Kriterien direkt übernehmen können, müssen die Staaten in vielen Fällen die Kriterien ändern, um standortspezifische Bedingungen widerzuspiegeln. Im Jahr 2004 erklärte die EPA ihre Erwartungen an numerische Kriterien (im Gegensatz zu weniger spezifischen narrativen Kriterien) für Gesamtstickstoff (TN), Gesamtphosphor (TP), Chlorophyll a (chl-a) und Klarheit und stellte „einvernehmlich“ fest nach Plänen" für die Entwicklung staatlicher Kriterien. Im Jahr 2007 stellte die Agentur fest, dass die Fortschritte zwischen den Bundesstaaten bei der Entwicklung von Nährstoffkriterien uneinheitlich waren. Die EPA bekräftigte ihre Erwartungen an numerische Kriterien und versprach ihre Unterstützung für die Bemühungen des Staates, eigene Kriterien zu entwickeln.

Nachdem die EPA 2007 NPDES- Genehmigungen auf Wassereinzugsgebietsbasis eingeführt hatte, führte das Interesse an der Entfernung von Nährstoffen und der Erreichung regionaler Beschränkungen der maximalen Tagesdosis (TMDL) zur Entwicklung von Nährstoffhandelssystemen.

Im Jahr 2008 veröffentlichte die EPA einen Fortschrittsbericht über die staatlichen Bemühungen zur Entwicklung von Nährstoffstandards. Die Mehrheit der Staaten hatte keine numerischen Nährstoffkriterien für Flüsse und Bäche entwickelt; Seen und Stauseen; Feuchtgebiete und Flussmündungen (für die Staaten, die Flussmündungen haben). Im selben Jahr richtete die EPA auch eine Arbeitsgruppe für Nährstoffinnovationen (NITG) ein, die sich aus staatlichen und EPA-Experten zusammensetzt, um die Fortschritte bei der Reduzierung der Nährstoffbelastung zu überwachen und zu bewerten. Im Jahr 2009 veröffentlichte die NTIG einen Bericht mit dem Titel „An Urgent Call to Action“, in dem sie ihre Besorgnis darüber zum Ausdruck brachte, dass sich die Wasserqualität aufgrund der zunehmenden Nährstoffbelastung landesweit weiter verschlechtert, und eine energischere Entwicklung der Nährstoffstandards durch die Bundesstaaten empfiehlt.

Im Jahr 2011 wiederholte EPA die Notwendigkeit für die Staaten zur vollständigen Erfüllung ihrer Nährstoffstandards zu entwickeln, dass die Feststellung , Trinkwasser Verletzungen für Nitrate in acht Jahren verdoppelt hatte, dass die Hälfte aller Ströme bundesweit hatten mittlere bis hohe Mengen an Stickstoff und Phosphor und schädliche Algenblüten zunahmen . Die Agentur legte einen Rahmen für die Staaten fest, um Prioritäten und Ziele auf Wassereinzugsebene für die Reduzierung von Nährstoffen zu entwickeln.

Entlassungsgenehmigungen

Viel Punktquelle Einleiter in den USA, die zwar nicht unbedingt die größten Quellen von Nährstoffen in ihren jeweiligen Einzugsgebieten, sind verpflichtet , mit Nährstoffe erfüllen Abwasser Beschränkungen in ihren Genehmigungen, die durch den ausgegeben werden nationale Pollutant Discharge Elimination System - (NPDES) gemäß dem CWA. Einige große kommunale Kläranlagen , wie die Blue Plains Advanced Wastewater Treatment Plant in Washington, DC, haben Systeme zur biologischen Nährstoffentfernung (BNR) installiert, um die gesetzlichen Anforderungen zu erfüllen. Andere Gemeinden haben die Betriebspraktiken ihrer bestehenden Sekundärbehandlungssysteme angepasst , um Nährstoffe zu kontrollieren.

Auch die Einleitungen aus Großviehbetrieben (CAFO) werden durch NPDES-Genehmigungen geregelt. Der Oberflächenabfluss von landwirtschaftlichen Feldern, die Hauptnährstoffquelle in vielen Wassereinzugsgebieten, wird als NPS-Belastung eingestuft und wird nicht durch NPDES-Genehmigungen reguliert.

TMDL-Programm

Eine Total Maximum Daily Load (TMDL) ist ein Regulierungsplan, der die maximale Menge eines Schadstoffs (einschließlich Nährstoffen) vorschreibt, die ein Gewässer aufnehmen kann, während die CWA-Wasserqualitätsstandards eingehalten werden. Insbesondere verlangt Abschnitt 303 des Gesetzes, dass jeder Staat einen TMDL-Bericht für jedes durch Schadstoffe beeinträchtigte Gewässer erstellt. TMDL-Berichte identifizieren Schadstoffkonzentrationen und Strategien, um die Ziele der Schadstoffreduzierung zu erreichen. Die EPA hat TMDLs als Einrichtung eines „Schadstoffbudgets“ mit Zuweisungen an jede der Schadstoffquellen beschrieben. Für viele Küstengewässer ist das Hauptschadstoffproblem der Nährstoffüberschuss, auch Nährstoffüberanreicherung genannt.

Eine TMDL kann den in einem Gewässer verfügbaren Mindestgehalt an gelöstem Sauerstoff (DO) vorschreiben , der in direktem Zusammenhang mit dem Nährstoffgehalt steht. ( Siehe Aquatische Hypoxie .) Im Jahr 2010 standen landesweit 18 Prozent der TMDLs im Zusammenhang mit dem Nährstoffgehalt, einschließlich organischer Anreicherung/Sauerstoffmangel, schädlichen Pflanzen, Algenwachstum und Ammoniak.

TMDLs identifizieren alle Schadstoffe aus Punktquellen und Nichtpunktquellen innerhalb eines Wassereinzugsgebiets. Um TMDLs mit Punktquellen zu implementieren, werden Abfallzuweisungen in ihre NPDES-Genehmigungen aufgenommen. NPS-Einleitungen erfolgen im Allgemeinen in einem freiwilligen Compliance-Szenario.

In Long Island Sound ermöglichte der TMDL-Entwicklungsprozess dem Connecticut Department of Energy and Environmental Protection und dem New York State Department of Environmental Conservation , ein Stickstoffreduktionsziel von 58,5% in einen regulatorischen und rechtlichen Rahmen zu integrieren.

Siehe auch

Verweise