Qualitative Untersuchung des Lebensmittels Trinkwasser in Deutschland

Inhaltsverzeichnis

1. Trinkwasser als Lebensmittel
1.1 Einführung
1.2 Wasserversorgung
1.2.1 Grundwasser
1.2.2 Quellwasser
1.2.3 Oberflächenwasser

2. Inhaltsstoffe des Trinkwassers
2.1 Allgemeines
2.2 Belastung des Wasser durch Kationen
2.2.1 Bleibelastung (Pb2+)
2.2.2 Manganbelastung (Mn2+)
2.3 Belastung des Wassers durch Anionen
2.3.1 Halogenidbelastung (Cl-, F-, Br-, I-)
2.3.2 Nitratbelastung (NO3-)
2.4 Grenzwerte bestimmter Inhaltstoffe

3. Untersuchungsmethoden zur Bestimmung der Inhaltstoffe von Trinkwasser
3.1 Allgemeines
3.2 Bestimmung kationischer Inhaltsstoffe
3.2.1 Nachweis von Blei (Pb2+)
3.2.2 Nachweis von Mangan (Mn2+)
3.3 Bestimmung anionischer Inhaltstoffe
3.3.1 Nachweis von Chlorid (Cl-)
3.3.2 Nachweis von Nitrat (NO3-)

4. Chemische Wasseraufbereitung
4.1 Allgemeines
4.2 Entmanganung
4.3 Verfahren zur Verringerung der Nitrationenkonzentration im Trinkwasser
4.3.1 Denitrifikation
4.3.2 Anionenaustausch

5. Ausblick
5.1 Weltwasserwirtschaft
5.2 Schlusswort

6. Literaturverzeichnis

1. Trinkwasser als Lebensmittel

1.1 Einführung

„ Trinkwasser ist das wichtigste Lebensmittel. Es kann durch nichts ersetzt werden ¹ “ Trinkwasser - das Lebensmittel, das wir alle jeden Tag in hohen Mengen verbrauchen und dabei kaum bemerken, daß wir das am besten kontrollierte und reinste Lebensmittel überhaupt konsumieren. Kein anderes Lebensmittel in Deutschland wird permanent so harten Kontrollen unterzogen wie das Trinkwasser. Ebenso gelten für kein anderes Lebensmittel so harte Grenzwerte einzelner Stoffe wie eben für Trinkwasser. Diese Gründlichkeit der Untersuchung beruht auf der vielseitigen Nutzung des Trinkwassers, es wird täglich gebraucht; Entweder zum Trinken selbst, oder aber zum Kochen, Waschen, Putzen oder als Nutzwasser. Und damit bei diesem ständigen Konsum für den Menschen keinerlei gesundheitliche Gefahr besteht, wurden diese strengen Richtlinien, die in der DIN 2000 vereint sind, aufgestellt. Im folgenden möchte ich nun kurz den Trinkwasserkreislauf, von der Versorgung aus Quellwasser über die Untersuchungen bestimmter Inhaltsstoffe bis zur chemischen Wasseraufbereitung, unter chemischen Aspekten betrachten.

1.2 Wasserversorgung

Die Wasserversorgung ist in Deutschland kein Problem mehr. Heutzutage hat fast jeder einheimische Haushalt fließend Wasser; und dieser Wassseranschluß wird mit Trinkwasser versorgt. Die Herkunft dieses Wassers kann jedoch variieren, in Deutschland liefern vor allem Grund-, Quell- und Oberflächenwasser den Hauptteil der Trinkwasserversorgung. Auf diese drei Hauptlieferanten, die fast 100% des Bedarfs decken, wird im folgenden näher eingegangen.

1.2.1 Wasserversorgung durch Grundwasser

Entstehung von Grundwasser Grundwasser entsteht, indem Niederschlag in den Boden versickert, bis er auf eine nicht poröse Schicht (meist Ton oder Mergel) trifft, die eine weitere Versickerung nicht mehr zulässt. Ob und wieviel Wasser nach Niederschlägen versickert, hängt von folgenden Faktoren ab. (Siehe Abb. 1)

a) Wasserfassungsvermögen des Bodens

b) Oberflächenabfluss

c) Verdunstung

d) Versickerung

Vor allem hängt die Größe des Grundwasserspeichers von der Wasserkapazität des Bodens ab. Diese ist identisch mit dem sogenannten Porenvolumen des Bodens. Die maximale Wasserkapazität eines Bodens ist also erreicht, wenn alle Poren ( „ Als Poren werden Hohlr ä ume bezeichnet, die sich in Lockergesteinen [Sand, Kies, Ton, Tuff]... in Bach- oder Flu ß niederungen zwischen den einzelnen, sich ... ber ü hrenden Gesteinspartikeln befinden ² “ ) in denen sich Wassermoleküle ansammeln können, gefüllt sind. Das Porenvolumen wiederum ist dependent von der Größe der Poren, in denen das Wasser gespeichert wird. Das geringste Fassungsvermögen hat hier Granit. Es besitzt ein Porenvolumen von 0,05 - 0,9%, das größte Volumen besitzt Feinsand mit etwa 42%. (Die Prozentzahl gibt die vorhandene Menge an Porenvolumen in einem best. Volumen des entsprechenden Gesteins an). Ein weiterer Faktor, der die Größe des Grundwasserspeichers bestimmt, ist der Oberflächenabfluß. Je abschüssiger der Boden, desto mehr Wasser fließt ab, anstatt zu versickern. Ebenso sinkt die Versickerung mit ansteigender Verdunstung.

Wasserversorgung

Größere Mengen von Grundwasser findet man meistens in der Nähe von Flüssen. Dort kann ein starrer Grundwasserspeicher oder ein Grundwasserstrom mit Fließgeschwindigkeiten von wenigen Metern in 24 Stunden mit Hilfe von sog. Rohrbrunnen mit einem Sammelbrunnen zur Wasserversorgung genutzt werden. Der Wasserbedarf in Deutschland wird zu ca. 64%³mit Grundwasser gedeckt.

1.2.2 Wasserversorgung durch Quellwasser

Auftreten von Quellen

Quellen treten an Grenzen von wasserführenden und wasserundurchlässigen Schichten auf, d.h. sie befördern einen Grundwasserstrom wieder an die Oberfläche. Quellen, die nicht permanent laufen, sondern nur zeitweise Wasser führen, nennt man intermittierende Quellen.

Wasserversorgung

Quellwasser ist nur bedingt für die Trinkwasserversorgung geeignet, da Quellen nur dann als permanente Trinkwasserquelle dienen können, wenn ihre Ergiebigkeit über einen längeren Zeitraum erwiesen worden ist. Des Weiteren ist die Gefahr einer Verunreinigung höher als beim Grundwasser, das wiederum bedeutet, das für die Quellen evtl. ein Schutzgebiet geschaffen werden muß. Generell kann man sagen, das bei Quellwasser vor allem die Wirtschaftlichkeit fehlt, was sich auch in der Quellwasserversorgung von Deutschland widerspiegelt. Nur etwa 6,6%⁴ des Wasserbedarfs werden durch Quellwasser abgedeckt.

1.2.3 Wasserversorgung durch Oberflächenwasser

Oberflächenwasser

Als Oberflächenwasser wird das Wasser bezeichnet, das weder als Grundwasser, noch als Wasserdampf (Wolken) vorliegt, also das Wasser, das weder versickert, noch verdunstet, sondern abfließt. Oberflächenwasser kann in mehreren Formen als Trinkwasserlieferant dienen, nämlich aus Regenwasserzisternen und aus Seen und Talsperren, sowie aus Flüssen.

Wasserversorgung aus Regenwasserzisternen

In Gebieten, in denen es an Grundwasser mangelt und in denen Oberflächenwasser in Form von Flüssen oder Talsperren ebenfalls nicht als Wasserspender dienen kann, ist man oft auf sog. Zisternen angewiesen. Zisternen sind 3-4 Meter tiefe Brunnen, in denen das Regenwasser, das fällt, gesammelt wird, über eine Filterkammer in eine Entnahmekammer läuft und von dort verwendet werden kann. (Siehe Abb. 2)

Wasserversorgung aus Seen und Talsperren

Wasserversorgung aus Seen und Talsperren unterliegen prinzipiell den gleichen Kriterien, beide müssen eine bestimmte Mindesttiefe besitzen, um den Abnahmepunkt des Wassers unter eine bestimmte Tiefe legen zu können. Deshalb kommen nur stehende Gewässer mit einer Mindesttiefe von 40m in Frage. Des weiteren müssen gewisse Nachteile in Kauf genommen werden. Zum einen ist die Temperatur des Wasser nicht konstant, die Qualität des Wassers ist nicht gleichbleibend und anfällig für Verunreinigungen, sei es durch biologische Einflüsse (Algen/Bakterien) oder äußere Einflüsse (Abwassereinleitung/Regen). Deshalb muß Trinkwasser, das aus Talsperren stammt häufiger aufbereitet werden als Grundwasser, da dieses einen natürlichen Filtrationszyklus durchläuft. Dennoch stammen etwa 29,3%⁵ des Wasserbedarfs in Deutschland aus Oberflächenwasser.

Wasserversorgung aus Flüssen

Flußwasser ist in den letzten Jahren als Trinkwasserlieferant immer mehr zu einem Problemfall geworden, da die zunehmende Verschmutzung durch die Industrie eine kostengünstige Entnahme, d.h. ohne eine zu kostenintensive Aufbereitung, fast unmöglich gemacht hat. Daher spielt die Versorgung aus Flußwasser kaum noch eine Rolle bei der Trinkwasserverteilung in Deutschland.

2. Inhaltsstoffe des Trinkwassers

2.1 Allgemeines

Wasser ist nicht gleich Wasser, und damit es als Trinkwasser bezeichnet werden darf, muß es gewissen Anforderungen, die vom entsprechenden Gesetzgeber (EU/Deutschland) festgeschrieben wurden, entsprechen. Dabei gibt es zwingende Richtlinien und solche, die als wünschenswert eingestuft worden sind. Zu den zwingenden Richtlinien gehören:

a) „ Trinkwasser mu ß frei von Krankheitserregern sein “ ⁶

b) „ Trinkwasser mu ß ... in chemischer Hinsicht frei von toxischen Stoffen sein “ ⁷

Hinsichtlich a) ist eine permanente Kontrolle von Krankheitserregern sehr schwierig und würde in den meisten Fällen eine Infektion nicht verhindern. Daher wird in Trinkwasser ständig nach sog. Indikatorkeimen gesucht ( escherichia coli und sog. Fäkal - Streptokokken). Sind diese Erreger nicht zu finden, so geht man davon aus, dass auch andere Krankheitserreger im untersuchten Wasser nicht zu finden sind.

Hinsichtlich b) gilt eine vom Gesetzgeber vorgeschriebene Reihe von Grenzwerten, die unterboten werden müssen, damit das entsprechende Wasser als Trinkwasser deklariert werden darf. Ein Auszug aus den nicht näher besprochenen Inhaltsstoffen (siehe Punkte 2.2 und 2.3) ist in Kapitel 2.4 zu finden. (Tabelle 1)

Trinkwasser sollte außerdem noch eine Reihe von weiteren Eigenschaften besitzen, um den hohen und vielseitigen Ansprüchen, die an Trinkwasser gestellt werden, gerecht zu werden. Da diese Anforderungen alle gleichzeitig gar nicht erfüllt sein können, sind sie gesetzlich nicht vorgeschrieben, sollten aber trotzdem eingehalten werden. Zu diesen wünschenswerten Eigenschaften gehören.⁸

a) „ Trinkwasser soll keimarm sein “

b) „ Trinkwasser soll appetitlich sein ... Es soll farblos, klar, k ü hl ... und geschmacklich einwandfrei sein “

c) „ Der Gehalt an gel ö sten Stoffen soll sich in Grenzen halten “

Hinzu kommt, dass Trinkwasser an Materialien, mit denen es in Berührung tritt, keine Korrosionsschäden hervorrufen sollte und an der entsprechenden Abgabestelle (Haushalt entsprechend der Wasserhahn, Waschmaschine etc.) in genügender Menge und ausreichendem Druck vorliegt.

Bezüglich a) ist zu sagen, dass 100% keimfreies Wasser weder möglich noch wirklich notwendig ist. Selbst bei aufbereitetem Wasser, das z.B. gechlort wurde, sind nicht alle Keime abgetötet. Man

kann sagen, dass im allgemeinen die Koloniezahl maximal 100 je 1ml Wasser betragen sollte. Steigt diese jedoch rapide an, so sind weitere Untersuchungen vorzunehmen, da ein schnelles Ansteigen Anzeichen für eine stärkere Verunreinigung sein kann.

Die Appetitlichkeit von Wasser [Punkt b)] soll sich vor allem durch seine äußere Beschaffenheit ausdrücken. Das Wasser sollte keine Anzeichen von Verschmutzung enthalten, d.h. es dürfen keine Organismen, Pflanzen oder Verschmutzungen mit dem bloßen Auge erkennbar sein. Außerdem darf die Gewinnung des Wassers beim Konsumenten keine Scheu hervorrufen. Um dies zu gewährleisten sollten alle Stoffe, die z.B. Trübungen hervorrufen, auch wenn sie ungefährlich sind oder erst nach längerem Stehen auftreten, entfernt werden. Das Wasser soll zudem geruchlos sein und darf keinen fremdartigen Geschmack haben, da dies die Güte und Appetitlichkeit beeinträchtigt.

Hinsichtlich c) gilt in etwa wie dasselbe wie für Punkt a). Das heißt, die Inhaltstoffe des Wassers komplett zu entfernen wäre kaum möglich noch sinnvoll, da im Wasser von Natur aus ein riesige Vielfalt an gelösten Stoffen vorhanden ist. Ein bestimmter Gehalt an gelösten Salzen ist sogar erwünscht, jedoch sollen sich die Werte in Grenzen halten, um keine Geschmacksbeeinträchtigungen oder Gesundheitsschädigungen hervorzurufen.

2.2 Belastung des Wassers durch Kationen

Allgemeines

Trinkwasser, das wir aus dem Wasserhahn beziehen, hat eine sehr reine Qualität, da es unter Umständen chemisch, mechanisch oder biologisch aufbereitet wurde. Da sich gelöste kationische Inhaltstoffe aus verschiedenen Herkünften nun im Wasser befinden, müssen diese gemäß der Grenzwerte aus der DIN 2000 entfernt bzw. reduziert werden. Im folgenden möchte ich auf die Herkunft und Wirkung zwei dieser im Wasser gelösten Kationen näher eingehen, nämlich Blei (Pb2+) und Mangan (Mn2+). Die Bestimmung und ggf. Entfernung eben genannter wird in Kapitel 3 bzw. Kapitel 4 näher behandelt.

2.2.1 Bleibelastung (Pb2+)

Herkunft

Blei ist ein nichtessentielles Spurenelement, daraus folgt, das Blei fast nie geologischen Ursprungs ist, falls es im Wasser gefunden werden kann. Das gelöste Blei entstammt meist Zuflussrohren oder Armaturen, vor allem dann, wenn das Wasser längere Zeit im Rohrsystem verweilt.

Wirkung

Blei ist sehr toxisch und wirkt schon in geringsten Mengen schädlich für den menschlichen Körper. So wird zum Beispiel ein für die Blutbildung benötigtes Enzym geschädigt, ebenso wird die Nervenfunktion beeinträchtigt. Das aufgenommene Blei lagert sich vor allem in den Knochen ab, jedoch auch in der Leber, den Nieren und den Haaren, dort wird auch ggf. die Bleibelastung gemessen. Bis es jedoch zu durch Blei hervorgerufenen Schädigungen kommt, muß es über einen längeren Zeitraum aufgenommen werden. So ruft z.B. die Aufnahme von 1 mg Blei über einige Wochen eine Bleivergiftung hervor, ebenso ein permanenter Bleigehalt im Trinkwasser von mehr als 0,3 mg/l.⁹Einen Bleigehalt von 0,4 mg/l Blut kann man noch symptomlos ertragen, eine Konzentration von 0,7 - 0,8 mg/l hingegen stellt schon eine akute Gefahr dar. Man muß jedoch sagen, dass heute, trotz der Bleibelastung unserer Umwelt durch die bleihaltigen Abgase der Autos im Trinkwasser selten noch Werte von mehr als 0,02 mg/l gefunden (ohne evtl. Stagnation in bleihaltigen Zuflussrohren). Der Grenzwert von Blei liegt laut TVO ¹⁰ bei 0,04 mg/l.

2.2.2 Manganbelastung (Mn2+)

Herkunft

Mangan ist (ebenso wie Eisen) in Spuren in fast allen natürlichen Gewässern vorhanden, in hohen Konzentrationen in sog. reduzierten Grundw ä ssern .¹¹(Gewässer, in denen O2 - Mangel herrscht und CO2, NH4+ und H2S vorliegen). Mangan kann oft als Humat (Stoff in einem gelösten kolloiden Huminstoff¹²) in Grundwässern gefunden werden.

Wirkung

Mangan liegt schon von Natur aus relativ gering konzentriert in oxidierter Form vor (Mn2+), meist maximal 1 - 2 mg/l. Eine Konzentration von 0,3 mg/l an Mn2+ - Ionen verursacht einen metallischen Geschmack des Wassers und bewirkt bei gerbesäurehaltigen Getränken, wie etwa Tee, eine tintenartige Verfärbung sowie einen metallischen Geschmack bei Kaffee und Tee. Außerdem kann eine zu hohe Mangankonzentration zum Beispiel die Bierbrauerei beeinträchtigen, da es aufgrund der hohen Mn2+ - Belastung des Wassers zu Trübungen des Bieres kommt. Weitere Betriebe, die aufgrund der Werkstoffbeschaffenheit der Materialien, mit denen das Wasser in Berührung kommt, mangan- und eisenfreies Wasser benötigen, sind generell alle Betriebe, in denen das Wasser mit Lebensmitteln in Kontakt tritt, da es dort häufig zu Geschmacksbeeinträchtigungen kommen kann.

2.3 Belastung des Wassers durch Anionen

Allgemeines

Neben einer Belastung durch Kationen spielen auch Anionen bei der Trinkwasserqualität eine sehr große Rolle. So ist zum Beispiel die Konzentration an Kohlensäure und ihren Derivaten (CO32- und HCO3-) für die sog. tempor ä re Wasserh ä rte verantwortlich. Diese tempor ä re H ä rte kann im Gegensatz zur Wasserhärte, die durch Calcium- und Magnesiumsalze¹³bestimmt wird, durch Auskochen beseitigt werden. Ebenso sind im Trinkwasser oft Spuren von Halogeniden, Sulfaten und Stickstoffverbindungen zu finden. Auf zwei dieser Anionen, nämlich die Halogenide und die Stickstoffverbindungen, hier vor allem die Nitrate (NO3-) möchte ich nun etwas näher eingehen.

2.3.1 Halogenidbelastung

Herkunft

In fast allen Binnengewässern kann man gelöste Halogenidionen finden, wobei das Vorkommen an Bromid- und Iodidionen in gewöhnlichen Gewässern, das heißt solche, die nicht durch Abwässer oder Industrieanlagen überdurchschnittlich verschmutzt sind, kaum bekannt ist (gelegentlich kommen Konzentrationen von 2 - 10 µg/l vor, diese sind aber nicht beachtenswert), spielen Chlorid und Fluorid auch im Trinkwasser eine relativ bedeutende Rolle. So ist das Chloridvorkommen, vor allem in Küstengebieten und Gebieten in der Nähe von Salzlagerstätten besonders hoch, aber auch in Gewässern, deren Ursprung oder Untergrund aus Urgestein aus Granit oder Buntsandstein besteht kann man eine gewisse Chloridkonzentration finden (in letzteren meist < 10 mg/l). Fluorid ist ebenfalls in fast allen Gewässern vorhanden, wenn auch nur in sehr geringen Mengen (meist < 0,5 mg/l).

Wirkung

Sowohl Chlorid als auch Fluorid werden vom menschlichen Körper benötigt, jedoch wie alle Spurenelemente in geringen Mengen. So ist eine Chloridkonzentration von 400 mg/l gesundheitlich noch unbedenklich, das betroffene Wasser bekommt jedoch einen salzartigen Geschmack, der zum Beispiel Kaffee- und Teearomen beeinflußt. Im Körper selbst stellt das Chloridion das Gegenion

zum Na+ - Ion dar und bewirkt den osmotischen Druck der extracellulären Flüssigkeit, (i.e. die Flüssigkeit, die sich nicht in den Zellen selbst befindet). Darüber hinaus ist es zur Sekretion des Magensaftes notwendig. (Magensäure ist eine sehr gering konzentrierte Salzsäure [HCl]). Der Grenzwert von Chloridionen liegt laut TVO ¹⁴ bei 250 mg/l.

Auch Fluorid wird vom Körper benötigt, etwa zur Verhinderung von Zahnkaries oder zum Aufbau des Skeletts. Hierfür werden täglich etwa 1,5 mg F- gebraucht, wovon jedoch nur etwa 0,5 mg über die Nahrung aufgenommen werden. Trotzdem wird von einer generellen Fluoridierung abgesehen, da das Trinkwasser nicht als Träger medikamentöser Stoffe dienen darf (vgl. TVO [DIN 2000]) . Ein Gehalt an F- - Ionen von etwa 0,6 - 1,2 mg/l wäre wünschenswert, eine Konzentration von mehr als 1,5 mg/l ruft bereits sog. Fluorose - Erscheinungen hervor, die sich zum Beispiel in Haarausfall und Hautauschlägen äußern. Daher liegt der Grenzwert von Fluoridionen laut TVO ¹⁵ bei 1,5 mg/l.

2.3.2 Nitratbelastung

Allgemeines

Nitrate und andere Stickstoffverbindungen (Ammoniak, Ammoniumionen, Nitrite) entstammen entweder aus Mineralgesteinen, die Salpeter enthalten, oder aber (hier vor allem Nitrate) als Produkt mikrobieller Redoxvorgänge. Nitrate kann man in fast allen Gewässertypen finden, jedoch in stark variierender Konzentration. So sind in Oberflächengewässern Konzentrationen von 0,5 - 8 mg/l keine Seltenheit, in Grundwässern kann die Konzentration bei starker Verschmutzung durch Düngerausschwemmungen oder durch eine geologisch bedingte hohe Salpeterkonzentration des angrenzenden Gesteins 50 - 4000 mg/l erreichen. Die Grenzwerte von Stickstoffverbindungen

liegen laut TVO ¹⁶ bei: - Ammonium: 0,5 mg/l

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Wirkung

Ein hoher Nitratgehalt im Trinkwasser verursacht bei Kleinkindern bei längerer Aufnahme die sog. Blausucht¹⁷. Eine direkte Gefahr geht von Nitraten selbst nicht für den Menschen aus, Nitrat wird aber als latent krebserzeugend eingestuft, da im Körper eine Reduktion zu Nitrit erfolgen kann.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Die Nitrite selbst gelten erwiesenermaßen als wichtigste Substanz zur Bildung sog. Nitrosoverbindungen, ( „ Nitrosoverbindungen ... organische Verbindungen, die die einwertige Nitrosogruppe [- N = O] an ein Kohlenstoff- oder Stickstoffatom gebunden haben ¹⁸ “ ) die krebserzeugend sind. Daher ist es sehr erstaunlich, das bis vor wenigen Jahren, und teilweise sogar noch heute, die der Fleischkonservierung und Frischhalteindustrie Pökelsalz mit Natriumnitrit (NaNO2) und Natriumnitrat versetzt worden ist. Das behandelte Fleisch konnte somit bis zu 200mg an Nitrit und/oder Nitrat enthalten, was bedeutet, das der für das Trinkwasser zulässige Grenzwert um das 2000-fache überschritten worden wäre.

2.4 Grenzwerte bestimmter Inhaltsstoffe

Hier nun ein kurzer Auszug aus den Grenzwerten der Trinkwasserverordnung vom Dezember 1990. (Siehe Tabelle 1)

Tabelle 1: Grenzwerte bestimmter Inhaltsstoffe des Trinkwassers

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Um zu sehen, wie streng die Kontrolle des Wasser ist, kann man gewisse Grenzwerte des Trinkwassers mit den Konzentrationen entsprechender Stoffe zum Beispiel in Mineralwasser betrachten. So ist zum Beispiel in 1 Liter Gerolsteiner Sprudel ¹⁹ die doppelte Menge an Magnesium enthalten, als im Wasser zugelassen ist (etwa 108 mg/l).

3. Untersuchungsmethoden zur Bestimmung der Inhaltstoffe von Trinkwasser

3.1 Allgemeines

Um die durch die TVO festgelegten Grenzwerte auch einhalten zu können, wird das Trinkwasser durch verschiedenste Forschungsinstitute untersucht. Um die vorhandenen Inhaltstoffe sowohl qualitativ als auch quantitativ Nachweisen zu können, wurden bestimmte Verfahren entwickelt, die in den DEV ²⁰vereinigt sind. Einige dieser Verfahren zur Bestimmung einzelner Kationen und Anionen möchte ich im folgenden an konkreten Beispielen erläutern.

3.2 Bestimmung kationischer Inhaltsstoffe

3.2.1 Nachweis von Blei (Pb2+)

Methode

Photometrische Konzentrationsbestimmung des Bleigehaltes in Form eines Blei - Dithizon - Komplexes. Blei bildet mit Dithizon (1,5 - Diphenylthiocarbazon) einen karminrötlichen Komplex, der mit organischen Lösungsmitteln (Chloroform) extrahierbar ist.

Ablauf

Die Probelösung wird mit Dithizon und dem organischen Lösungsmittel versetzt. Nachdem sich der Komplex gebildet und abgesetzt hat, wird er in eine Küvette filtriert. Anschließend wird mit Hilfe einer sog. Standardlösung, d.h. eine Lösung deren Bleikonzentration bekannt ist, eine Eichkurve aufgestellt. Dabei wird die Probe in einer Küvette in ein Photometer gestellt und mit den entsprechenden Wellenlängen bestrahlt. Der Quotient aus eingestrahlter und durchgelassener Energie wird als Transmissionsgrad bezeichnet. Bevor die Wasserprobe schließlich untersucht wird, muß noch der Transmissionsgrad des Lösungsmittels bestimmt werden, da dieser am Ende von dem der Probe abzuziehen ist. Die zu untersuchende Probe wird schließlich mit einer Wellenlänge von 520 nm bestrahlt und der Transmissionsgrad sowie die Extinktion werden berechnet und mit dem der Eichkurve verglichen. Der Mechanismus der Photometrie wird im folgenden näher erklärt:

Mechanismus der Photometrie

Aufgrund ihrer Farbe absorbieren bestimmten Stoffe oder Komplexe Licht einer entsprechenden Wellenlänge. Diese absorbierte Energie kann in einem Fotometer als Abnahme eines durch Licht erzeugten Photostromes berechnet werden. Aus dem Quotienten aus eingestrahlter und durchgelassener Energie wird der Transmissionsgrad τ berechnet. Ebenso ist die Anzahl der absorbierten Lichtquanten abhängig von der Konzentration c der Lösung und dem in ihr zurückgelegten Weg bzw. der Schichtdicke d , sowie dem stoffspezifischen Extinktionskoeffizient ε. Dieser entspricht der Extinktion eines Stoffes in 1M Lösung bei einer Schichtdicke von 1 cm.

Die Extinktion E berechnet sich nach dem Lambert - Beer - Gesetz wie folgt: E = -log τ

Ist die Schichtdicke bekannt, so kann aus dem Quotienten bestimmenden Stoffes berechnet werden.

Probleme

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

die Konzentration des zu

Dithizon ist kein spezifisches Reagenz auf Blei, d.h. andere Kationen müssen entsprechend entfernt bzw. maskiert werden. Des Weiteren müssen eventuell vorhandene organische Bleiverbindungen durch Eindampfen mit Schwefelsäure, sowie mit wenigen Tropfen Salpetersäure, zerstört werden.

3.2.2 Nachweis von Mangan (Mn2+)

Da die Nachweismethode des kationischen Inhaltsstoffes Mn2+ sehr ähnlich mit der des Nitrates ist, beide Male wird die Kolorimetrie verwendet, wird das Verfahren in 3.3.2 näher erläutert.

3.3 Bestimmung anionischer Inhaltsstoffe

3.3.1 Nachweis von Chlorid (Cl-)

Methode

Titration der Probelösung mit Hilfe von Quecksilber - (II) - Nitratlösung bis zum Farbumschlag bei einer Komplexbildung mit 1,5 - Diphenylcabazon (blauviolett gefärbter Komplex). Dieser Farbumschlag tritt beim geringsten Überschuß an Hg2+ - Ionen auf, die diesen Komplex mit dem Metallindikator bilden, auf. Die genauesten Ergebnisse werden im pH - Bereich von 3 - 3,5 erreicht. Daher wird neben dem Metallindikator noch ein Säure - Base - Indikator hinzugegeben, der bei pH 3,6 nach gelb umschlägt (Bromphenolblau).

Ablauf

Die Probelösung wird mit den Indikatoren versetzt und mit Salpetersäure titriert, bis Bromphenolblau von blau nach gelb umschlägt. Man gibt nun aus einer Mikrobürette solange Quecksilber - (II) - Nitrat zur Probelösung, bis eine bleibende blau/violett - Färbung eintritt. Die ablaufende Reaktion ist die folgende:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Aus dieser Gleichung folgt, daß 1 Liter Hg(NO3)2 [c(½Hg(NO3)2 = 1 mol/l] genau ein Mol an Chloridionen umsetzt. Dies entspricht 35,5 Gramm Chloridionen. Demnach entspricht 1 ml Hg(NO3)2 [c(½Hg(NO3)2 = 0,01 mol/l] genau 0,355 mg Chloridionen.

Rechenbeispiel

Angenommen, in 100 ml einer Wasserprobe befinden sich 0,71 mg Chloridionen, was einer Konzentration von c = 0,2 mg/l entspricht. Man titriert die Lösung und stellt fest, daß man bis zum Farbumschlag nach blau genau 2 ml Hg(NO3)2 [c(½Hg(NO3)2 = 0,01 mol/l] benötigt hat.

Daraus ergibt sich aus der

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Gleichung²¹:

W

Hierbei ist V [ml] das Volumen der Titrationslösung und W [ml] das Volumen der Probelösung. Die errechnete Menge an Chloridionen bezieht sich auf 1 Liter und muß noch entsprechend umgerechnet werden.:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Neben Chloridionen reagieren auch Iodid und Bromid zum selben blau/violetten Komplex und müssen deshalb ggf. gesondert bestimmt werden. Außerdem stören Konzentrationen von mehr als

50 mg/l an Kohlensäure. Diese können jedoch durch Auskochen beseitigt werden.

3.3.2 Nachweis von Nitraten

Sowohl Manganionen als auch die Stickstoffverbindungen (NH4+, NO3-, NO2-) werden meist durch kolorimetrische Testverfahren bestimmt. Die Funktionsweise der Kolorimetrie ist die folgende:

Methode

Kolorimetrischer Vergleich der Probelösung mit gegebenen Farbskalen, die eine entsprechende Nitrationenkonzentration angeben. Hierfür wird die zu untersuchende Probe mit entsprechenden Reagenzien versetzt, die eine typische Färbung auslösen. Anhand des optischen Vergleiches der entstandenen Farbe der Probe mit (meist im Testsatz enthaltenen) geeichten Standardlösungen kann die Konzentration meist in Schritten von 5 mg/l bestimmt werden. Ein solches Testverfahren ist zum Beispiel der Aquaquant ²² Test von Merck.

Außerdem können die oben genannten Ionen ebenfalls durch photometrische Verfahren bestimmt werden. Diese sind genauer, erfordern aber entsprechend einen höheren, oft nicht benötigten, Arbeitsaufwand.

4. Chemische Wasseraufbereitung

4.1 Allgemeines

Chemische Wasseraufbereitung wird dann notwendig, wenn das Wasser dem Verwendungszweck, für den es benötigt wird, nicht mehr gerecht werden kann. Sei es nun als Trinkwasser oder als Wasser, welches die Industrie benötigt, d.h. welches frei von bestimmten Substanzen sein muß. Generell kann man sagen, die chemische Wasseraufbereitung hat 3 Aufgabenstellungen zu erfüllen.

a) „ Entfernung organischer und anorganischer Verunreinigungen aller Art, ..., die f ü r den Verwendungszweck st ö rend sind. “

b) „ Stabilisierung gel ö ster und kolloidal gel ö ster Verunreinigungen, die den nicht korrosiven und sedimentationsfreien Transport in Rohrleitungen gew ä hrleistet. “

c) „ Desinfektion organisch verunreinigten Wassers, wenn es als Trinkwasser oder h ö herwertiges Brauchwasser eingesetzt werden soll “ ²³

Um diese Aufgabenstellungen zur Lösen stehen diverse Verfahren zur Verfügung, die sich anhand ihrer Techniken einordnen lassen. Im groben kann man drei große Methoden zur Wasseraufbereitung unterscheiden. Diese sind:

a) Mechanische Aufbereitung

Unter mechanischer Aufbereitung werden alle Verfahren zusammengefaßt, deren Wirkung ausschließlich auf rein mechanischer Einwirkung basiert. Dazu zählen zum Beispiel:

a) Entfernung von Stoffen durch Rechenanlagen mit entsprechendem Stababstand

b) Entfernung von Stoffen durch Siebmaschinen

b) Physikalische Aufbereitung Diese Verfahren beruhen auf rein physikalischen Gesetzten, so zum Beispiel folgende Methoden:

a) Sedimentadion

b) Flotation

c) Adsorption

d) Filtration

c) Chemische Aufbereitung

Chemische Aufbereitung des Wassers erfolgt durch Zugabe bestimmter Chemikalien, die durch eine ablaufende Reaktion die Inhaltsstoffe des Wasser beeinflussen, oder aber durch Filtration über chemisch aktive Substanzen. Folgende Methoden zählen zur chemischen Wasseraufbereitung:

a) Flockung durch Zugabe von Flockungsmitteln

b) Fällung

c) Oxidation

d) Ionenaustausch

Auf chemische Verfahrenstechniken, nämlich die Entmanganung und die Denitrifikation des Wassers wird im folgenden etwas näher eingegangen.

4.2 Chemische Entmanganung

Allgemeines

Wasser, d.h. Trinkwasser als auch Nutzwasser für industrielle Unternehmen, muß unter gewissen Umständen einer Entmanganung unterzogen werden. Dies ist notwendig, wenn z.B. der für Trinkwasser geltende Grenzwert überschritten wurde, oder aber ein Unternehmen mangan- (und eisen-) freies Wasser benötigt. Häufig wird dies verlangt, damit an den Materialien, mit denen das Wasser in Berührung kommt, keine korrosiven Schäden, sowie nicht zu Sedimentation an strömungsungünstigen Stellen des Rohr- oder Leitungssystems führen, falls die gelösten Ionen durch den Luftsauerstoff zu wasserunlöslichen Ionen oxidiert werden. Die Entmanganung findet wie folgt statt:

Methode

Die im Wasser auftretenden Manganverbindungen sind meistens Salze, in denen sich Mn2+ - Ionen

befinden. Zu diesen Salzen zählen:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Um diese Ionen zu entfernen, werden sie oxidiert, dafür reicht oft der Luftsauerstoff schon aus. Die ablaufende Reaktion folgend vereinfachend dargestellt, da die tatsächlich ablaufenden Reaktionsmechanismen sehr komplex sind:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Das als Endprodukt entstehende Mangan - (IV) - Oxid (Braunstein) fällst als Niederschlag aus und kann durch Filtration entfernt werden.

Probleme

Einen wesentlichen Einfluß auf den Ablauf der Reaktion hat der pH - Wert. Das Manganoxidhydroxid [MnO(OH)2] tritt nur dann als wasserunlösliche Verbindung auf, wenn der pH - Wert über 9 liegt. Da aber solch hohe pH - Werte beim Trinkwasser nicht zu erwarten sind, wird in der Regel eine chemische Entmanganung, es sei denn die Mangankonzentration ist zu hoch, in der Praxis nicht durchgeführt.

4.3 Verfahren zur Verringerung der Nitrationenkonzentration im Trinkwasser

4.3.1 Denitrifikation

Unter Denitrifikation versteht man die Reduzierung von Nitrationen durch mikrobielle Organismen. Diese werden daher Denitrifikanten genannt. Es gibt zwei Arten von solchen Mikroorganismen, nämlich die heterotrophen und die autotrophen Organismen. Der Unterschied ist derjenige, daß die heterotrophen Mikroben als Substrat eine organische Kohlenstoffverbindung benötigen, autotrophe Organismen im Gegensatz dazu imstande sind, anorganische C- Verbindungen zu organischen aufzubauen. Man kann zwei generelle Reaktionstypen unterscheiden:²⁴

Heterotrophe Denitrifikation:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Man kann hier deutlich erkennen, daß die Nitrationen zu Stickstoffgas umgewandelt werden (Reduktion). Es wird jedoch pro abgebautem Mol Nitrat auch ein Mol Hydrogencarbonat gebildet, das als Abfallprodukt der mikrobiellen Reduktion entsteht. Das bedeutet, daß durch die Denitrifikation die Carbonathärte des Wassers erhöht wird. Diese kann durch auskochen beseitigt werden.

Autotrophe Denitrifikation:

Um diese Form der Nitrationenreduktion durchführen zu können, benötigen die beteiligten Mikroorganismen eine oxidierbare Schwefelverbindung, hier am Beispiel Pyrit (FeS2):

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Des Weiteren benötigen die Mikroorganismen eine Phosphorquelle, sowie Spurenelemente, um diese Reaktion durchführen zu können. Außerdem ist zu erkennen, daß die Nitrationenreduktion eine Erhöhung der Konzentration an Sulfat- und Eisenionen zur Folge hat. Die Eisenionen können zu Korrosionsschäden an Werkstoffen führen, während eine den Grenzwert nicht überschreitende Sulfatkonzentration keine korrosiven und gesundheitlichen Schäden verursacht.

4.3.2 Anionenaustausch

Ionenaustauscher

Ionenaustauscher sind hochmolekulare organische oder anorganische Feststoffe, die in einem dreidimensionalen, wasserunlöslichen Gerüst vorliegen, vorwiegend als Harze. Sie enthalten sogenannte Ankergruppen (z.B. SO42- oder NH4+) an die entsprechende Gegenionen locker angelagert sind, d.h. diese Gegenionen können leicht abgespalten und durch andere, gleich geladene Ionen, ersetzt werden. Wird ein Kation ausgetauscht, so spricht man von einem Kationentauscher, bei Anionen analog von einem Anionentauscher. Bei diesem Vorgang werden also lediglich die Partner der entsprechenden Ionen getauscht.

Nitrationenaustausch

Setzt man ein Ionenaustauschharz ein, so können die im Wasser enthaltenen Nitrationen gegen die am das Harz locker gebunden Anionen getauscht werden. Hier am Beispiel eine Hydrogencarbonatharzes:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Verbinden sich die Nitrationen mit dem Austauscherharz, so können sie zusammen mit diesem als Feststoff entfernt werden.

Probleme

Je nach angelagertem Anion muß dieses durch ein entsprechendes Verfahren ebenfalls aus dem Wasser entfernt werden. Hier im Beispiel würde wieder die Carbonathärte des Wassers erhöht werden, d.h. das Wasser müßte wieder ausgekocht werden.

5. Ausblick

5.1 Weltwasserwirtschaft

Aufgrund der immer knapper werdenden Wasserressourcen und der gleichzeitig ansteigenden Weltbevölkerung sind Konflikte um die Benutzung von gemeinsamen Wasserspeichern vorprogrammiert. Während in Europa heute noch meistens Wasserüberschuss herrscht, sind schon in Teilen der USA und Kanadas alle natürliche Grundwasserspeicher aufgebraucht und es herrscht Wasserknappheit. Besonders dramatisch ist die Situation in Afrika, denn dort ist fast der gesamte Kontinent von einer totalen Wasserarmut bedroht, lediglich im Kongobecken gibt es genug Wasser zum überleben. Schon heute haben mehr als 1,5 Mrd. Menschen keinen Zugang zu reinem Trinkwasser. Wird dies in einem Zeitraum von 50 Jahren nicht erreicht, so prognostizieren Experten²⁵, wird der Hauptgrund von bewaffneten Konflikten das Wasser sein. Die Zukunft des Wassers, nicht nur im Hinblick auf die weitere Qualitätssicherung, sondern auch hinsichtlich der Zugangsmöglichkeiten zu reinem Wasser der Länder der sog. Dritten Welt, liegt in den Händen der Industrieländer. Hier müssen Mittel und Wege gefunden werden, diesen hohen Standart, der an das Wasser gestellt wird, beizubehalten, und dennoch oder zugleich, eine gerechte oder zumindest gleichmäßige Verteilung der Wasservorkommen zu gewährleisten.

5.2 Schlusswort

Für mich ist es nun wesentlich leichter zu verstehen, warum das Trinkwasser als das beste und reinste Lebensmittel überhaupt gilt. Ebenso ist es nun klar, welcher Aufwand betrieben wird, um dies weiterhin zu gewährleisten. Jedoch muß, wie in Punkt 5.1 angesprochen, eine gleichmäßigere Verteilung des Lebenselexiers Wasser erreicht werden, da sonst die Gefahr besteht, daß unser so reines Trinkwasser als Kriegsgrund genutzt wird.

6. Literaturverzeichnis

Hütter: Wasser und Wasseruntersuchung, Diesterweg Salle Sauerländer, Aarau 1979

Klee: Trinkwasser – Abwasser – Gewässerschutz, Georg Thieme Verlag, Stuttgart 1991

Hancke: Wasseraufbereitung – Chemie und chemische Verfahrenstechnik, Springer, Trier 1998

Schröter, Lautenschläger: Chemie, Fakten und Gesetze, VEB Fachbuchverlag Leipzig, 1982

Lüthje, Gall, Reuber: Lehrbuch d. Chemie – Anorganische Chemie, Diesterweg Frankfurt, 1982

Lüthje, Gall, Reuber: Lehrbuch der Chemie – Organische Chemie, Diesterweg Frankfurt, 1983

Jäckel, Risch: Chemie heute – Sekundarbereich II, Schroedel Hannover, 1988

Fischer, Reuß, Stadelmann: Schüler Duden: Die Chemie, Dudenverlag Mannheim 1995

Bäck, Marder, Patzel: Metalltechnik – Fachbildung Gas- und Wasserinstallation, Westermann Braunschweig, 1996

Zierhut, Kimmel, Specht: Gas- und Sanitärinstallation, Kieser Neusäß, 1998

Harenberg Lexikon der Gegenwart (Aktuell ’99), Harenberg Kommunikation Dortmund, 1998

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¹DIN 2000915

²Hütter: Wasser und Wasseruntersuchung, Diesterweg Salle Sauerländer, Aarau 1979; S. 29

³Bäck, Marder, Patzel: Metalltechnik - Fachbildung Gas- und Wasserinstallation, Westermann Braunschweig, 1996; S. 163

⁴Bäck, Marder, Patzel: Metalltechnik - Fachbildung Gas- und Wasserinstallation, Westermann Braunschweig, 1996; S. 163

⁵Bäck, Marder, Patzel: Metalltechnik - Fachbildung Gas- und Wasserinstallation, Westermann Braunschweig, 1996; S. 163

⁶ Quelle: DIN 2000

⁷ Quelle: DIN 2000

⁸Auszüge aus der DIN 2000

⁹ Quelle: Hütter: Wasser und Wasseruntersuchung, Diesterweg Salle Sauerländer, Aarau 1979

¹⁰ TVO: TrinkWasserVerordnung (DIN 2000)

¹¹Hütter: Wasser und Wasseruntersuchung, Diesterweg Salle Sauerländer, Aarau 1979

¹² kolloide Huminstoffe sind organische hochmolekulare Verbindungen, die sehr komplex aufgebaut sind. Oft enthalten sie Fe, Mn, Cu und Zn.

¹³Methoden zur Wasserenthärtung sind zum Beispiel Fällungs- und Ionentauschverfahren

¹⁴ TVO: TrinkWasserVerordnung (DIN 2000)

¹⁵ TVO: TrinkWasserVerordnung (DIN 2000)

¹⁶ TVO: TrinkWasserVerordnung (DIN 2000)

¹⁷Blausucht (Methämoglobinämie)

¹⁸Fischer, Reuß, Stadelmann: Schüler Duden: Die Chemie, Dudenverlag Mannheim 1995, S. 286

¹⁹Auszug aus der amtlich anerkannten Analyse vom 23.04.1986 (Kontrollanalyse 03.02.1999) Durchgeführt vom Institut Fresenius , Taunusstein

²⁰Deutsche Einheitsverfahren zur Wasser-, Abwasser- und Schlammuntersuchung

²¹Hütter: Wasser und Wasseruntersuchung, Diesterweg Salle Sauerländer, Aarau 1979, S. 238

²²Hütter: Wasser und Wasseruntersuchung, Diesterweg Salle Sauerländer, Aarau 1979, S. 11

²³ Han>11

²⁴ Han>13

²⁵Harenberg Lexikon der Gegenwart (Aktuell ’99), Harenberg Kommunikation Dortmund, 1998, S. 375