Häufig verwendete Indikatoren in der Wasserqualitätsanalyse

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1. Parameter der Organischen Chemie: Gelöster Sauerstoff (Abkürzung: DO) bezeichnet den in Wasser gelösten Sauerstoff in molekularer Form (O2), abgekürzt DO. Der Gehalt an gelöstem Sauerstoff im Wasser hängt von Faktoren wie dem Luftdruck, der Wassertemperatur und dem Salzgehalt ab. Ein Rückgang des Luftdrucks, eine Erhöhung der Wassertemperatur sowie ein Anstieg des Salzgehalts führen alle zu einem Rückgang des Sauerstoffgehalts im Wasser. In normalerweise sauberen Flüssen kann der Gehalt an gelöstem Sauerstoff dem Sättigungswert bei der jeweiligen Temperatur nahekommen. Wenn es zu einer starken Algenvermehrung kommt, kann der Gehalt an gelöstem Sauerstoff übergesättigt sein. Wenn das Wasser durch organische Stoffe oder anorganische Reduktionsstoffe verschmutzt wird, sinkt der Gehalt an gelöstem Sauerstoff – er kann sogar auf Null sinken. In solchen Fällen vermehren sich anaerobe Bakterien aktiv, was zur Verschlechterung der Wasserqualität führt. Wenn der gelöste Sauerstoffgehalt im Wasser unter 3–4 mg/L liegt, haben viele Fische Schwierigkeiten zu atmen und sterben an Erstickung. Lösliches Sauerstoff ist einer der wichtigen Indikatoren für den Zustand der Wasserverschmutzung. Chemischer Sauerstoffbedarf (Chemical Oxygen Demand, abgekürzt COD): Der chemische Sauerstoffbedarf bezeichnet die Menge an Oxidationsmittel, die zur Oxidation der reduzierenden Stoffe im Wasser benötigt wird – wobei als Oxidationsmittel Kaliumdichromat (K2Cr2O7) oder Kaliumpermanganat (KMnO4) verwendet werden. Das Ergebnis wird in Mengeneinheiten von Sauerstoff ausgedrückt (in mg/L). Zu den reduzierenden Stoffen im Wasser gehören organische Substanzen sowie anorganische Stoffe wie Sulfite, Sulfide und Eisensalze. Der chemische Sauerstoffbedarf gibt an, inwieweit das Wasser durch reduzierende Stoffe verschmutzt ist. Da die Verschmutzung von Gewässern durch organische Stoffe ein häufig vorkommendes Phänomen ist, wird dieser Indikator auch als einer der umfassenden Indikatoren für den relativen Gehalt an organischen Stoffen verwendet. In verschiedenen Vorschriften bezüglich der Wasserqualität dient er als Kontrollkriterium. Hinweis: In den von unserem Land im Jahr 1988 erlassenen Standards für die Qualität von Oberflächenwassern sind die mit der Methode des sauren Kaliumdichromats gemessenen COD-Werte als chemischer Sauerstoffbedarf bezeichnet (Abkürzung: CODCr). Die mit der Methode des Kaliumpermanganats gemessenen COD-Werte hingegen werden als Permanganatindex bezeichnet (Abkürzung: CODMn). Permanganatindex, Sauerstoffverbrauch (CODMn): Der Permanganatindex, auch als Sauerstoffverbrauch bezeichnet, ist ein gängiger Indikator für die Verschmutzung von Gewässern durch organische und anorganische, oxidierbare Stoffe. Definiert als: Unter bestimmten Bedingungen wird mit Kaliumpermanganat bestimmte organische Stoffe sowie anorganische reduzierende Substanzen in Wasserproben oxidiert; die Menge an Sauerstoff, die dabei verbraucht wird, wird anhand der verbrauchten Menge an Kaliumpermanganat berechnet. Es gibt Aufschluss über die Menge an anorganischen und organischen Stoffen, die in Wasser suspendiert oder gelöst sind und von Kaliumpermanganat oxidiert werden können. Der Permanganatindex wurde in früheren Analysen zur Überwachung der Wasserqualität auch als Kaliumpermanganat-Methode für den chemischen Sauerstoffbedarf bezeichnet. Doch da bei dieser Methode unter den vorgegebenen Bedingungen nur ein Teil der organischen Stoffe im Wasser oxidiert werden kann, handelt es sich dabei nicht um den theoretischen Sauerstoffbedarf. Zudem ist dieser Wert auch kein Maß für den Gesamtgehalt an organischen Stoffen im Wasser. Daher ist es sinnvoller, den Begriff „Permanganatindex“ als Indikator für die Wasserqualität zu verwenden – im Gegensatz zum chemischen Sauerstoffbedarf, der durch die Kaliumdichromat-Methode ermittelt wird. Dies entspricht besser der objektiven Realität. Der CODcr ist in der Regel 2 bis 5 Mal so hoch wie der CODMn. Die von uns in der Praxis ermittelten Werte liegen im Allgemeinen in diesem Bereich. Die biologische Sauerstoffbedarf (Biochemical Oxygen Demand, kurz BOD) bezeichnet die Menge an gelöstem Sauerstoff, die von aeroben Mikroorganismen im Zuge der biochemischen Oxidation organischer Stoffe im Wasser verbraucht wird – vorausgesetzt, es ist genügend gelöster Sauerstoff vorhanden. Dazu gehört auch die Menge an Sauerstoff, die für die Oxidation reduzierender anorganischer Stoffe wie Sulfide und Eisen(II)-Verbindungen benötigt wird – doch dieser Anteil macht in der Regel nur einen sehr kleinen Teil aus. Die aerobe Zersetzung organischer Stoffe unter dem Einfluss von Mikroorganismen lässt sich im Großen und Ganzen in zwei Phasen einteilen. 1) Oxidationsphase der kohlenstoffhaltigen Stoffe: Dabei werden kohlenstoffhaltige organische Verbindungen hauptsächlich in Kohlendioxid und Wasser umgewandelt.
2) Nitrierungsphase: Dabei werden nitrogenhaltige organische Verbindungen unter dem Einfluss von Nitrierbakterien in Nitrite und Nitrate zerlegt. Es setzt sich erst nach etwa 5–7 Tagen deutlich in Gang. Daher beinhaltet die derzeit übliche fünftägige Kulturmethode bei 20 °C (BOD5-Methode) zur Bestimmung des BOD-Werts in der Regel nicht die Nitrifizierungsphase. Der BOD ist ein umfassender Indikator für das Ausmaß der Verschmutzung von Gewässern durch organische Stoffe. Er ist außerdem ein wichtiger Parameter bei der Untersuchung der biologischen Abbaubarkeit von Abwässern sowie der Wirksamkeit der biologischen Reinigungsmethoden. Zudem spielt er eine wichtige Rolle bei der Konzeption und Dynamik der Prozesse zur biologischen Behandlung von Abwässern. Gesamtphosphor (abgekürzt TP) ist der wichtigste Indikator zur Kontrolle der Eutrophierung von Gewässern. Insgesamt die Menge an Phosphor in allen Formen, die im Wasser durch starke Oxidationsmittel zu Phosphaten oxidiert werden können. Phosphor ist ein Nährstoff für das Pflanzenwachstum und außerdem unverzichtbar für das Leben. Wenn der Phosphorgehalt im Wasser die kritische Konzentration überschreitet, wird das Wachstum von Wasserpflanzen gefördert, was zu Algenblüten führt und eine Eutrophierung des Gewässers verursacht. Phosphor gelangt auf verschiedene Weise in Gewässer, beispielsweise durch den Abfluss von Abwässern, die Phosphorverbindungen enthalten, durch Oberflächenabflüsse von Ackerflächen sowie aus Tierhaltungsbetrieben. In den letzten Jahren ist aufgrund des Einsatzes phosphorhaltiger Waschmittel und anderer täglich verwendetener phosphorhaltiger Stoffe auch die Phosphorausstoßmenge gestiegen. Ammoniakstickstoff (abgekürzt NH3-N) bezeichnet im Wasser den Stickstoff, der in Form von freiem Ammoniak NH3 (auch als nichtionisches Ammoniak bezeichnet) sowie ionischem Ammoniak NH4+ vorliegt. Für Grundwasser wird häufig die Bestimmung des nichtionischen Ammons gefordert. Das Verhältnis beider Bestandteile hängt vom pH-Wert und von der Temperatur des Wassers ab. Wenn der pH-Wert hoch ist, ist der Anteil an freiem Ammoniak größer; umgekehrt ist dann der Anteil an Ammoniumsalzen höher. Der Ammoniakgehalt im Wasser stammt hauptsächlich aus den Zerfallsprodukten von stickstoffhaltigen Organismen in Abwässern aus dem Haushalt, aus Industrieabfällen wie denen aus der Kohleverarbeitung oder der Ammoniaksynthese sowie aus Entwässerungen aus landwirtschaftlichen Flächen. Bei hohem Ammoniakgehalt wirkt es giftig auf Fische und kann für den Menschen in unterschiedlichem Maße schädlich sein. Gesamtnitrogen (abgekürzt TN) ist die Gesamtmenge an anorganischem und organischem Nitrogen in Wasser. Einschließlich anorganischen Stickstoffs wie NO3-, NO2- und NH4+ sowie organischem Stickstoffs wie Proteinen, Aminosäuren und organischen Aminen, gemessen in Milligramm Stickstoff pro Liter Wasser. Wird häufig verwendet, um den Grad der Belastung von Gewässern durch Nährstoffe anzugeben. Der Gesamtnitrogenspiegel im Wasser ist einer der wichtigen Indikatoren zur Beurteilung der Wasserqualität. Seine Bestimmung hilft dabei, den Grad der Verschmutzung sowie die Selbstreinigungsfähigkeit von Gewässern zu bewerten. Wenn der Gehalt an Stickstoff und Phosphor im Oberflächenwasser zu hoch ist, vermehren sich die Mikroorganismen in großer Anzahl, die Planktonarten wachsen stark, und es entsteht ein Zustand der Eutrophierung. Der Gesamtrohstoffkohlenstoff (Total Organic Carbon, abgekürzt TOC) ist ein umfassender Indikator für die Gesamtmenge an organischen Stoffen in Gewässern, ausgedrückt in Kohlenstoffgehalt. Da bei der Bestimmung des TOC die Verbrennungsmethode verwendet wird, können alle organischen Stoffe vollständig oxidiert werden. Dadurch spiegelt der TOC besser die Gesamtmenge an Organikum wider als der BOD5 oder COD. Der Gesamstoxidgehalt (Total Oxygen Demand, abgekürzt TOD) bezeichnet die Menge an Sauerstoff, die benötigt wird, damit die organischen Stoffe im Wasser bei der Verbrennung oxidiert werden können. Das Ergebnis wird in mg/L O2 angegeben. TOD kann nur die Menge an Sauerstoff widerspiegeln, die benötigt wird, damit fast alle organischen Stoffe bei der Verbrennung in CO2, H2O, NO, SO2 usw. umgewandelt werden können. Es liegt näher an dem theoretischen Sauerstoffbedarf als BOD und COD. 2. Anzeigerwerte der anorganischen Chemie – Härte: Ursprünglich bezeichnete die Härte das Ausmaß der Schaumbildung durch Seife im Wasser. Heute wird in der Chemie der Gehalt an Ca- und Mg-Ionen im Wasser in einen entsprechenden Wert für CaCO3 umgerechnet, um so den Härtewert zu ermitteln. Dieser wird in mg/L angegeben. Die Härte kann auf verschiedene Weise angegeben werden: Gesamthärte, Kalziumhärte, Magnesiumhärte, Carbonathärte (vorübergehende Härte) sowie Nicht-Carbonathärte (dauerhafte Härte). pH-Wert: Der pH-Wert gibt an, wie sauer oder basisch das Wasser ist. Er wird durch den negativen Logarithmus der Aktivität der Wasserstoffionen im Lösungsmittel ausgedrückt: pH = -lgαH+. Der pH-Wert ist eine grundlegende Eigenschaft des Wassers. Er bestimmt das Ausmaß der Dissoziation schwacher Säuren und Basen im Wasser, verringert die Toxizität von Chloriden, Ammoniak, Schwefelwasserstoff usw. und verhindert außerdem die Freisetzung von Schwermetallen aus dem Schlamm. Es hat Einfluss auf Veränderungen der Wasserqualität, auf die Entwicklung der Organismen, auf die Korrosionsfähigkeit sowie auf die Wirksamkeit der Wasseraufbereitung und ist daher ein wichtiger Parameter zur Beurteilung der Wasserqualität. Der pH-Wert von natürlichem Wasser liegt in der Regel zwischen 6 und 9; bei Trinkwasser liegt er zwischen 6,5 und 8,5. Bei bestimmten Industriewässern muss der pH-Wert zwischen 7,0 und 8,5 gehalten werden, um zu verhindern, dass Metallgeräte und Rohrleitungen korrodieren. Leitfähigkeit: Die Leitfähigkeit von Wasser hängt in gewissem Maße von der Menge an anorganischen Säuren, Basen und Salzen, die es enthält, ab. Dieser Indikator wird häufig verwendet, um die Gesamtkonzentration der Ionen oder den Salzgehalt im Wasser abzuschätzen. Verschiedene Arten von Wasser haben unterschiedliche Leitfähigkeiten. Oxidations-Reduktionspotential: Das Oxidations-Reduktionspotential ist das Ergebnis der Oxidations- und Reduktion Reaktionen zwischen verschiedenen Oxidations- und Reduktionsstoffen im Wasser. Obwohl dieser Indikator nicht als Maß für die Konzentrationen von Oxidations- und Reduktionsstoffen dienen kann, hilft er uns dabei, die elektrochemischen Eigenschaften des Wassers zu verstehen und die Eigenschaften des Wassers zu analysieren. Es handelt sich dabei um einen umfassenden Indikator. Das Redoxpotential des Wassers muss vor Ort gemessen werden. 3. Physikalische Eigenschaften – Trübkeit (Turbidity) Die Trübkeit gibt an, inwieweit die im Wasser vorhandenen Suspensionspartikel das Durchdringen des Lichts behindern. Wenn Wasser mit suspendierten Stoffen wie Schlamm, Ton, Organismen, Anorganikum, Plankton und Mikroben angereichert ist, kann dies das Licht streuen oder absorbieren, wodurch die Trübheit erhöht wird. Die Trübheit des Wassers hängt nicht nur von der Menge an Partikeln im Wasser ab, sondern auch von deren Größe, Form sowie von den Eigenschaften der Partikeloberfläche bezüglich der Lichtstreuung. Der Grad der Trübheit sagt in der Regel nicht direkt etwas über das Ausmaß der Wasserverschmutzung aus, doch ein Anstieg der Trübheit deutet darauf hin, dass die Wasserqualität schlechter wird. Transparenz bezeichnet den Grad der Klarheit eines Wassermusters; klares Wasser ist transparent. Transparenz ist das Gegenteil von Trübheit: Je mehr Suspensionsstoffe und kolloidale Partikel im Wasser vorhanden sind, desto geringer ist die Transparenz. Zu den Methoden zur Bestimmung der Transparenz gehören die Schriftzeichenmethode, die Sayt’sche Plattenmethode und die Kreuzmethode. Schwimmende Stoffe (abgekürzt SS) sind feste Schadstoffe im Wasser, die hauptsächlich in geschwommenem, kolloidalem oder gelöstem Zustand im Wasserkörper vorhanden sind. Feste Schadstoffe im suspendierten Zustand werden üblicherweise als Trübstoffe bezeichnet und umfassen Verunreinigungen, anorganische Stoffe wie Schlamm sowie organische Substanzen und Plankton, die von Tier- und Pflanzenkörpern stammen. Feste Suspensionsstoffe können dazu führen, dass das Erscheinungsbild des Wassers verschlechtert wird, die Trübheit zunimmt und die Farbe des Wassers sich ändert. Sedimente setzen sich am Flussboden ab und verursachen Ablagerungen im Flussbett. Dadurch wird die Fortpflanzung der Lebewesen, die im Wasser leben, beeinträchtigt, was wiederum die Fischereiproduktion beeinflusst. Wenn sich Sedimente in den bewässerten Feldern ablagern, blockieren sie die Kapillaren im Boden, was die Durchlässigkeit des Bodens beeinträchtigt und zu einer Verklumpung des Bodens führt – was wiederum das Wachstum der Pflanzen behindert. 4. Häufig vorkommende Metallindikatoren: Cadmium (Cd) Das Schmelzpunkt von Cadmium beträgt 320,9 °C, der Siedepunkt 765 °C. Es handelt sich um ein sehr dehnbares und weiches Metall, das in verdünnten Säuren löslich ist. Kadmium ist äußerst giftig und kann sich in den Geweben des Körpers wie Leber und Nieren ansammeln. Dadurch kommt es zu Schäden an diesen Organen – insbesondere an den Nieren. Zudem kann Kadmium Osteoporose und Weichheit der Knochen verursachen, was wiederum Schmerzen auslöst. Der Cadmiumgehalt in der überwiegenden Mehrheit der Süßwasserquellen liegt unter 1 μg/L. In der Natur kommt Cadmium meist in Form von Cadmiumsulfid vor und befindet sich oft zusammen mit Mineralien wie Zink, Blei, Kupfer und Mangan. Daher kann bei diesen Metallraffinationsprozessen eine große Menge an Cadmium freigesetzt werden. Außerdem sind Abwässer aus der Elektroplattierung, Farbenindustrie, Batterie- und Chemieindustrie weitere wichtige Quellen für Cadmiumbelastung. Chrom (sechswertig) (Chromium) (Cr6+) ist ein glänzend silberweißes festes Metall, das korrosions- und hitzebeständig ist. Es gehört zu den essentiellen Spurenelementen für den menschlichen Körper. Die gängigen Oxidationsstufen von Chromverbindungen sind dreiwertig und sechswertig. Die Toxizität von Chrom hängt von seinem Oxidationszustand ab. Metallisches Chrom ist unbedenklich, während hexavalentes Chrom äußerst toxisch ist. Es handelt sich dabei um ein krebserregendes Substanz, das leicht vom Körper aufgenommen und im Körper angesammelt werden kann. Man geht davon aus, dass die Toxizität von hexavalentem Chrom etwa 100 Mal größer ist als die von trivalentem Chrom. Verbindungen von Chrom(III) und Chrom(VI) können ineinander umgewandelt werden. Die wichtigsten Quellen für die industrielle Verunreinigung durch Chrom stammen aus den Abwässern aus der Verarbeitung von Chromerzen, der Oberflächenbehandlung von Metallen, der Gerbung von Leder sowie aus der Textil- und Fotografieindustrie. Chrom ist ein wichtiger Indikator für die Kontrolle der Wasserqualität. Kupfer (Elementsymbol: Cu) ist dehnbar, leicht verarbeitbar und ein guter Leiter für Wärme und Elektrizität. Kupfer ist ein Spurenelement, das für den Körper unerlässlich ist. Ein Mangel an Kupfer kann zu Erkrankungen wie Anämie und Durchfall führen. Doch auch eine übermäßige Zufuhr von Kupfer kann schädlich sein. Kupfer ist für aquatische Lebewesen sehr schädlich. In Gewässern, die durch Kupferionen verschmutzt sind, können Muscheln große Mengen an Kupfer in ihrem Körper ansammeln. In der Bucht von Enogawa in Japan sowie im Fluss Erinxi auf Taiwan kam es zu Fällen von grünen Muscheln. Die Toxizität von Kupfer für aquatische Organismen hängt von seiner Form ab; die Toxizität freier Kupferionen ist weitaus größer als die von kovalent gebundenem Kupfer. Die Hauptquellen für die Verschmutzung durch Kupfer sind Abwässer, die aus Bereichen wie Elektrolegieren, Metallverarbeitung, Bergbau, Petrochemie und Chemieindustrie abgegeben werden. Eisen (Elementsymbol: Fe) ist eines der Spurenelemente in natürlichen Gewässern. Der Gehalt an Eisen hängt von den geologischen Bedingungen der jeweiligen Gegend ab, sowie von anderen chemischen Bestandteilen im Wasser. Die zweiwertigen und dreiwertigen Eisenionen sind die grundlegenden Formen von Eisen in wässrigen Umgebungen. Eisen(II) kommt in Gewässern vor, in denen kein gelöster Sauerstoff vorhanden ist, oder in den Tiefen schichtiger Seen mit anaerobem Boden. Wenn der Gehalt an gelöstem Sauerstoff im Wasser zunimmt oder Oxidationsmittel vorhanden sind, wird Eisen(II) schnell zu Eisen(III)-Ionen oxidiert. Diese setzen sich dann in Form von Eisensulfat oder zusammen mit anderen Anionen im Sediment am Boden des Wassers ab. Die Oxide von Eisen(III) sind eigentlich unlöslich. Wenn im Schlamm Schwefelwasserstoff vorhanden ist, entsteht jeweils Eisen(II)-sulfid, wodurch schwarze anorganische Stoffe entstehen. Eisen ist ein unverzichtbarer Spurenelement für Pflanzen und Tiere. In einigen Gewässern kann Eisen ein Faktor sein, der das Wachstum von Algen und anderen Pflanzen einschränkt. Im Blut von Wirbeltieren sowie einigen Wirbellosen spielt Eisen eine äußerst wichtige Rolle bei der Sauerstofftransportierung. Eisen hat keine toxischen Auswirkungen auf die menschliche Gesundheit, es beeinflusst lediglich die Verwendung von Wasser. Eisen beeinflusst deutlich den Geschmack des Trinkwassers und kann zudem Kleidung verfärben. Zink (Zinc) (Zn) Zink ist ein Metall, das im Alltag häufig verwendet wird. Seine Schmelztemperatur beträgt 419,5 °C. Zink ist in Säuren sowie konzentrierten Laugen löslich. Es verbindet sich oft mit Sulfiden anderer Metalle, insbesondere mit den Sulfiden von Blei, Kupfer, Cadmium und Eisen. Zink ist ein für den Körper unverzichtbares Element, hat aber einen großen Einfluss auf Fische und andere Wassertiere. Die sichere Konzentration von Zink für Fische liegt bei etwa 0,1 mg/L. Außerdem hat Zink eine gewisse hemmende Wirkung auf den Selbstreinigungsprozess von Gewässern. Die Hauptquellen der Verschmutzung sind die Abwässer aus den Bereichen Elektrovergoldung, Metallverarbeitung, Farbstoffherstellung und Chemieindustrie. Selen (Selenium) (Se) kommt in Gewässern in Form von Selenit oder Sulfat vor. Die natürliche Selenkonzentration in Gewässern ist proportional zur Selenkonzentration im Boden. Selen ist ein für den Körper notwendiges Element, doch eine zu hohe Aufnahme kann zu Vergiftungen führen. Metallselen hat eine geringe Toxizität, während Selen in der zweiwertigen Form äußerst toxisch ist. Es wird in der Regel über den Darm aufgenommen und ansammelt sich in Leber und Nieren. Die Hauptquellen der Verschmutzung sind Abwässer aus der Bergbauindustrie, der Metallverarbeitung sowie aus Fabriken, die Selenprodukte herstellen. Schwermetalle: Chemisch werden Metalle anhand ihrer Dichte in Schwermetalle und Leichtmetalle eingeteilt. Als Schwermetalle bezeichnet man in der Regel Metalle mit einer Dichte von mehr als 4,5 g/cm³. Zum Beispiel: Gold, Silber, Kupfer, Blei, Zink, Nickel, Kobalt, Chrom, Quecksilber, Cadmium und etwa 45 weitere Arten. Einige der Schwermetalle im Wasser sind Spurenelemente und essentielle Elemente, die für die Gesundheit des Menschen notwendig sind. Andere hingegen sind schädlich für die menschliche Gesundheit – beispielsweise Quecksilber, Cadmium, Chrom, Blei, Kupfer, Zink, Nickel, Barium, Vanadium und Arsen. Der Gehalt an schädlichen Metallverbindungen in verschmutztem Grundwasser und Industrieabfällen ist in der Regel deutlich erhöht. Wenn schädliche Metalle in den Körper eindringen, können sie bestimmte Enzyme inaktivieren, wodurch Symptome einer Vergiftung in unterschiedlichem Ausmaß auftreten. Die Stärke der Toxizität hängt von der Art des Metalls, seinen physikalischen und chemischen Eigenschaften, der Konzentration sowie vom Vorhandensein bestimmter Oxidationsstufen und Aggregatzustände ab. Zum Beispiel haben Quecksilber, Cadmium, Chrom(VI), Blei sowie ihre Verbindungen schädliche Auswirkungen auf die menschliche Gesundheit. Organische Verbindungen dieser Metalle sind viel giftiger als die entsprechenden anorganischen Verbindungen. Lösliche Metalle sind wiederum giftiger als metallische Partikel. Chrom(VI) ist ebenfalls giftiger als Chrom(III).