Parameter der chemisch-physikalischen Gewässeruntersuchung

Hansjörg Groenert

SAUERSTOFFMESSUNG (mit Hilfe des Sauerstoffmeßgerätes)

Meßprinzip: Die eingesetzten WTW-Sauerstoffmeßzellen bestehen aus einem Elektrodensystem (Silberanode-KCL-Gel-Goldkathode), das durch eine sauerstoffdurchlässige Membranfolie vom Meßgut mechanisch getrennt ist (Clark Prinzip). Wird an die Kathode eine negative Gleichspannung von z.B. 800 mV angelegt, so polarisiert sich das Elektrodensystem. Bringt man diese Meßzelle nun in ein sauerstoffhaltiges Medium, so führt der Partialdruckunterschied zwischen Membranaußen- und -innenwand zu einer Sauerstoffdiffusion (=Wanderung) durch die Membranfolie. Der Sauerstoff stört nun den Polarisierungsvorgang, da er kathodisch mit dem Elektrolyten reagiert.

Kathodenreaktion: Au + O2 + 4e- = Au + 4 (OH)- Anodenreaktion: 2 Ag + 2 Cl- = 2 AgCl + 2e- 2 Ag + 2(OH)- = 2 Ag2O + H2O + 2e-
1. Die Diffusion des Sauerstoffs durch die Membranfolie ist temperaturabhängig.
2. Die Lösungsfähigkeit des Sauerstoffs in Wasser ist temperaturabhängig. Die maximale Sauerstofflösung in Wasser einer bestimmten Temperatur und in Abhängigkeit des Luftdrucks (Sauerstoffsättigung = 100%) entnahmen wir einer Tabelle.
3. Wir berechneten bei jeder Messung die Sauerstoffsättigung in %, die gelöste Sauerstoffmenge in mg/l und die Temperatur..

BSB₅: BSB₅= Biochemischer Sauerstoffbedarf in 5 Tagen: Er gibt an, wieviel Sauerstoff Bakterien in 5 Tagen zum Abbau organischer, leicht abbaubarer Substanzen des Gewässers brauchen. Der BSB₅-Wert gibt die Sauerstoffmenge an, die die Destruenten in 5 Tagen zum Abbau der organischen Stoffe des Abwassers verbrauchen. Die Wassermenge wird nach ihrem biochemischen Sauerstoffbedarf bei einer konstanten Temperatur von 20 Grad im Verlaufe von 5 Tagen bewertet. Das heißt, Temperatur und Sauerstoffgehalt werden am 1. und am 5. Tag gemessen. Die Differenz der beiden Sauerstoffgehalte ist der BSB₅-Wert.

Grenzwerte: Flußwasser:1-3 mg/l biologisch gereinigtes Wasser < 30 mg/l

Für alle BSB₅ - Bestimmungen werden sogenannte Sauerstoffflaschen mit gut schließendem, schrägem Stopfen und genau gemessenem Inhalt benutzt. Solche Sauerstoffflaschen standen uns nicht zur Verfügung. Stattdessen haben wir braune Flaschen mit 100 ml Volumen und Drehverschluß benutzt. Diese Flaschen wurden bis zum oberen Rand gefüllt, damit bei Verschluß keine Luft mehr eindringen konnte. Die Gefahr der Meßungenauigkeit ist groß, da diese Flaschen keinen hundertprozentigen luftdichten Verschluß gewährleisten. Die Meßergebnisse fallen besser aus als sie in Wirklichkeit sind.

BSB₂: BSB₂= Biochemischer Sauerstoffbedarf in 2 Tagen: Er gibt an, wieviel Sauerstoff Bakterien in 2 Tagen zum Abbau organischer, leicht abbaubarer Substanzen des Gewässers brauchen.

BSB- Werte werden zum Vergleich immer auf BSB₅ umgerechnet. Das geschieht mit folgenden Faktoren: BSB₁ * 3,33; BSB₂ * 1,85; BSB₃ * 1,37; BSB₄ * 1,136; BSB₆ * 0,91; BSB₇ * 0,855.

WASSERTEMPERATUR: Die Lebensmöglichkeiten für Wassertiere werden durch die Temperatur begrenzt. Mit sinkender Temperatur steigt die Fähigkeit des Wassers Gase z.B. Sauerstoff zu lösen. Die Wassertemperatur wird in der Tiefe gemessen, in der auch die anderen Proben gezogen werden. Dabei wird das Thermometer oder die Meßeinheit 1-2 Minuten leicht hin und her bewegt und die Temperatur auf ein Zehntel Grad genau abgelesen.

PHOSPHAT: Herkunft: Spül- und Waschmittel (zur Verhinderung des Grauschleiers), Dünger, Wurst, Schinken und Schmelzkäse (erhöht Wasserbindungsvermögen).Seit dem 1.1.1985 gilt die Phosphathöchstmengenverodrnung für Waschmittel von 0,8mg/l. Wirkung: Bei Überschreitung des Grenzwertes (1mg/l) führt Phosphat zur Eutrophierung, was ein Umkippen des Gewässers zur Folge hat. Wir messen das im Wasser gelöste Ortho-Phosphat (Molybdat-Methode).

AMMONIUM: Herkunft: Abbauprodukt von Harnstoff; auch im Dünger vorhanden. Wirkung: Es wandelt sich in (giftiges) Ammoniak um, wenn der pH-Wert des Wassers größer als 7, also alkalisch ist. Ammoniak führt in größeren Mengen zu Vergiftungen. Wenn genug Sauerstoff vorhanden ist, wird es durch Nitrisomonas (Bakterien) zu Nitrit abgebaut.

NITRIT: Herkunft: Abbaustoff von Ammonium in aeroben Prozessen und Abbaustoff von Nitrat bei anaeroben Prozessen; auch im Dünger vorhanden. Wirkung: Nitrit in größeren Mengen ist krebserregend (Grenzwert: giftig bei mehr als 0,1mg/l, bedrohlich bei mehr als 1mg/l). Wenn genug Sauerstoff vorhanden ist, wird es durch die Bakterien Nitrobacter zu Nitrat abgebaut. Ist kein Sauerstoff vorhanden entsteht es durch denitrifizierende Bakterien aus Nitrat.

NITRAT: Herkunft: Abbaustoff von Nitrit bei aeroben Prozessen; auch im Dünger vorhanden Wirkung: In größeren Mengen toxisch; es baut sich in die Erythrozyten ein und verhindert die Sauerstoffaufnahme. (Trinkwassergrenze: 50mg/l, Koblenzer Trinkwasser 30mg/l) Als wichter Pflanzennährstoff wird Nitrat von Algen und Wasserpflanzen dem Gewässer entzogen. Es fördert Eutrophierung. Fehlt Sauerstoff im Gewässer bauen die denitrifizierenden Bakterien Nitrat zur eigenen Sauerstoffgewinnung ab und scheiden dabei Nitrit aus.

pH-WERT: Der pH-Wert gibt die Wasserstoffionenkonzentration in g/Liter an. Der pH-Wert ist der positiv genommene Exponent der Wasserstoffionenkonzentration (potentia hydrogenia). In einem Liter chemisch reinem, neutralem Wasser sind bei 22 Grad Celsius 10^-7 Mol H⁺ und 10^-7 Mol (OH^-) enthalten. In einer sauren Lösung ist H⁺ > 10^-7und OH^- <10^-7 , in einer basischen Lösung H⁺ < 10^-7und OH^- > 10^-7. Jede pH-Verschiebung um einen Wert bedeutet also eine Verzehnfachung der Säure- bzw. Basenstärke. Die Toleranz der Wasserlebewesen gegenüber pH-Schwankungen ist gering. Optimal ist für die meisten Lebewesen der Bereich zwischen 7,5 und 8,5.

LEITFÄHIGKEIT: Im Wasser gelöste Salze bilden Ionen und erhöhen dadurch die elektrolytische Leitfähigkeit, die über die Stromstärke bei konstanter Spannung meßbar ist. Allgemein versteht man aber unter elektrischer Leitfähigkeit den Kehrwert des elektrischen Widerstandes. Die elektrische Leitfähigkeit ist also umso größer, je kleiner der Widerstand ist. Die Einheit der Leitfähigkeit ist ein Siemens (1S=1/Ohm). Bei Elektrolytlösungen bezieht man die spezifische Leitfähigkeit auf den Widerstand einer Elektrolytlösungssäule von 1cm² Querschnitt zwischen 2 Elektroden im Abstand 1cm. Wir messen die Leitfähigkeit mit einem Batterie-Konduktometer mit einer speziellen Meßzelle mit Temperaturkompensation in µS/cm.

GESAMTFESTSTOFFE: Hier werden alle löslichen (Abdampfrückstand) und unlöslichen (Gesamttrockenrückstand und Absetzstoffe) Inhaltsstoffe im Wasser in mg/Liter gemessen. Der Wert steht in einer guten Korrelation zur Leitfähigkeit, die schneller und leichter zu Messen ist: 50-80mg/l Gesamtfeststoffe entsprechen 100-200µS/cm Leitfähigkeit und stellen den Optimalwert für gesunde Wasserqualität dar. Da die Kurvenverläufe der entsprechenden Transformationskurven bei Bach und GREEN ähnlich sind, können die Gütepotentialwerte für die Leitfähigkeitsmessungen von Bach als Gütepotentialwerte für Gesamtfeststoffe bei GREEN übernommen werden.

TRÜBUNG und SICHTTIEFE: Tübung entsteht durch Reflexion des Lichte an Schwebstoffen (suspendierte Teilchen: Ton und Lehm Huminstoffe, Plankton, Algen, Abwässer, Schwermetalle (besonders Eisen) im Wasser. Außerdem kann das Wasser durch gelöste Substanzen gefärbt sein. Reines Wasser ist farblos, durchsichtig allenfalls schwach bläulich gefärbt.

Meßmethode:
1. Bestimmung mit Secchi-Scheibe: weiße Porzellanscheibe von 20cm Durchmesser, die an drei Fäden waagerecht hängt und an einer Schnur solange nach unten ins Wasser gelassen wird, bis die Scheibe gerade noch sichtbar ist. Die eingetauchte Tiefe wird in cm angegeben (Zentralwert von 5 Messungen). Da wir die Trübung mit den dimensionslosen Zahlen 1 (keine Trübung), 2 (schwache -), 3 (mittlere -), 4 (starke -) und 5 (undurchsichtig) angeben, ordnen wir im Hinblick auf die Transformationsfunktion von GREEN (gilt für Messungen mit der Secchischeibe) Sichttiefen ab 180cm der 1, ab 160cm der 2, ab 110cm der 3, ab 10cm der 4 und unter 10cm der 5 zu.
2. Bestimmung mit einem Durchsichtigkeitszylinder: Diese Methode eigenet sich besonders bei Bachwasser. Ein Glaszylinder (oder hohes Becherglas) wird auf eine Schriftprobe von 3,5mm Höhe gestellt und dann wird solange Probewasser eingefüllt bis die Schrift (schwarz auf weißem Grund) nicht mehr lesbar ist. Die Höhe des Wasserstandes in cm ist Maß für die Trübung. Wir verwendeten ein Becherglas von 24cm Tiefe und einem Durchmesser von 13cm. Da wir die Trübung mit den dimensionslosen Zahlen 1 (keine Trübung), 2 (schwache -), 3 (mittlere -), 4 (starke -) und 5 (undurchsichtig) angeben, haben wir das Becherglas (24/5=ca.5) so geeicht, daß alle 5cm eine Markierung vorgenommen wurde, der von oben (1) nach unten (5) die entsprechende Trübung zugeordnet wurde.
3. Luxmeter: die Differenz (in Lux) unter dem Gefäßboden gemessen zwischen 10 cm hoch gefüllten Bechergläsern mit aqua dest. und Probenwasser kann als Trübungsmaß genommen werden.

Die Ergebnisse sollten dann möglichst mit der 5er-Skala angegeben werden.: keine, schwach, mittel, stark und undurchsichtig

Angewandte Meßmethoden

1. Reagenzpapier zum qualitativen Nachweis: Damit prüfen wir: Schwefelwasserstoff

2. Merckoquant - Teststäbchen: Damit untersuchen wir: - Kupferionen - Manganionen - Zinkionen
Durchführung: Das Teststäbchen wird mit der weißen Reaktionszone kurz in die Wasserprobe getaucht. Die Farbe der Reaktionszone wird dann mit der Farbskala verglichen, die auf dem Röhrchen aufgedruckt ist, und dann der zugeordnete Meßwert ablesen.

3. Microquant - Testsätze: Damit untersuchen wir: - Nitritgehalt - Nitratgehalt - Ammoniumgehalt
Microquant-Tests enthalten einen 10-Stufen-Drehscheibenkomparator mit Kunststoff-Farbscheiben, deren Lichtechtheit garantiert wird. Dies ermöglicht auch einen Gebrauch in trübem Wasser. Hier handelt es sich um eine kolorimetrische Untersuchung.
Durchführung: Beide Gläser werden mittels einer Kolbenspitze mit dem vorgeschriebenen Volumen Probelösung gefüllt. Die Reagenzien werden in das rechte Glas gegeben und gelöst. Das Glas bleibt die vorgeschriebene Zeit stehen, bis die Farbbildung abgeschlossen ist. Den Komparator gegen das Licht halten und Farben der beiden Gläser durch Drehen der Farbscheibe abgleichen. Meßwert im kleinen Fenster an der rechten Seite des Komparators ablesen.

4. Aquamerck - Testsätze: Damit untersuchen wir: - Gesamthärte (Titrimetrische Methode ) - Phosphat-, Ammonium- Nitrit-, Nitratgehalt (Kolorimetrische Methode )
Titrimetrische Methode: Das Prinzip dieser Methode beruht darauf, daß der Wasserprobe ein Reagenz zugesetzt wird, das selektiv mit dem zu bestimmenden Stoff reagiert. Das Ende dieser Reaktion wird durch den Farbumschlag eines entsprechenden Indikators angezeigt. Aus der Menge des bis zum Umschlag zugesetzten Stoffes wird der Gehalt eines bestimmten Inhaltsstoffes ermittelt.
Durchführung: Das Meßgefäß wird mit dem zu prüfenden Wasser gespült und bis zur 5 ml - Markierung aufgefüllt. Reagenzien und Indikator werden zugegeben. Unter Umschwenkung wird tropfenweise Titrierlösung zugesetzt, bis die Farbe des Indikators umschlägt. Die gezählten Tropfen ergeben den Meßwert.
Kolorimetrische Methode: Bei den kolorimetrischen Verfahren werden der Probe eine oder mehrere Reagenzien zugesetzt, die mit dem zu bestimmenden Stoff eine selektive Farbreaktion eingehen. Je nach Gehalt des zu bestimmenden Inhaltstoffes färbt sich die Probe unterschiedlich intensiv. Die auftretende Färbung wird mit vorgegebenen Farbstandarts verglichen, denen Konzentrationsangaben zugeordnet sind.
Durchführung: Das Meßgefäß wird mit dem zu prüfenden Wasser gespült und bis zur Markierung aufgefüllt. Reagenzien werden zugesetzt und gelöst. Zeit bis zur Ausbildung der Färbung abwarten. Farbe der Lösung mit dem Farbstandart (Farbkarte, Prüfgefäß) vergleichen. Meßwert ablesen.

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