Studienprojekt von Sarah Flashaar. Studiengang Umwelttechnik, 4. Semester. In der Zeit vom bis Betreuer: Prof. Dr.

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1 Studienprojekt von Sarah Flashaar Studiengang Umwelttechnik, 4. Semester In der Zeit vom bis Betreuer: Prof. Dr. Olaf Elsholz 1

2 Gliederung Seite 1) Einleitung 3 2) Was ist Regen? 4 3) Messmethoden und Bedeutung 5 a) Leitfähigkeit und ph-wert b) Ammoniumbestimmung c) Anionenbestimmung 6 4) Grenzwerte 7 5) Daten Extra 6) Auswertung 8 a) Vergleich der Niederschlagsmengen b) ph-wert und Leitfähigkeit der Regenwasserproben 11 c) Inhaltsstoffe 12 7) Schlusswort 2 8) Quellen 21 2

3 1) Einleitung In einer eigenen kleinen Regenwasserauffangstation -bestehend aus zwei 1-Liter- Glasflaschen mit einmal Edelstahl- und Kunststofftrichter- wurde regelmäßig Regenwasser aufgefangen und Proben genommen. Mit verschiedenen Messmethoden wurden diese Regenwasserproben auf Herz und Nieren untersucht. Gemessen wurden Leitfähigkeit, ph- Wert und verschiedene Ionenkonzentrationen. In der Auffangflasche mit Edelstahltrichter wurden montags, mittwochs und freitags Proben entnommen. Somit ergaben sich 2-Tagesmischproben als auch Wochenendmischproben (3-Tagesmischproben). In der Auffangflasche mit Kunststofftrichter wurden Wochenmischproben aufgefangen, die jeweils montags eingesammelt wurden. Durch diese zwei unterschiedlichen Probenahmen (Kunststoff-/Edelstahltrichter) sollte ein Vergleich in Bezug auf die Niederschlagsmenge und eventuell auf die Inhaltsstoffe geschaffen werden. Unter Einbezug der Daten der Wetterstation auf dem HAW Gebäude in Bergedorf sollte die Größenordnung der Niederschlagsmenge der eigenen Auffangstation überprüft werden, sowie der Einfluss der Windrichtung auf die Inhaltstoffe des Regenwassers. Abb. 1: HAW Gebäude in Hamburg-Bergedorf Quelle: Google Earth 3

4 2) Was ist Regen? Durch Erwärmung von Seen, Meeren und sonstigen Feuchtflächen verdunstet das Wasser und steigt auf. In höheren und kälteren Lagen kondensiert der Wasserdampf zu Wassertropfen. Diese fallen dann in Form von Regen, Schnee oder Hagel wieder zurück zur Erde. Abb. 2: Der Wasserkreislauf Quelle: Viele Stoffe sind aufgrund ihrer Löslichkeit in Wasser gut löslich. Somit können Stoffe, die in der Luft enthalten sind ins Regenwasser übergehen. Der Niederschlag wird dadurch sozusagen zum Abwasser. Daher kann man Aussagen über die Luftverschmutzung durch Landwirtschaft, Industrie- und Fahrzeugabgase und deren Folgen auf Böden und Gewässer treffen. 4

5 3) Messmethoden und Bedeutung a) Leitfähigkeit und ph-wert Mit einem potentiometrischen ph-meter wurde der ph-wert und mit einer Leitfähigkeitsmesselektrode die Leitfähigkeit der Probelösungen gemessen. Der ph-wert gibt Aufschluss über die Luftverschmutzung insbesondere durch säurebildende Abgase. Man spricht von saurem Regen, wenn der ph-wert des Regens unterhalb von 5,5 liegt 1. Die Leitfähigkeit ist ein Maß für den gesamten Ionengehalt einer Probe 2. b) Ammoniumbestimmung Mit der Fließinjektionsanalyse, kurz FIA, wurde durch fotometrische Messung die Ammoniumkonzentration ermittelt. Der Unterschied zur regulären Fotometrie besteht hierbei darin, dass die Zugabe der Reagenzien zur Färbung der Messlösung nicht per Hand geschieht, sondern automatisch und kontinuierlich über eine Peristaltikpumpe. Dadurch wird gewährleistet, dass die Detektion immer nach derselben Zeit passiert, auch wenn die Reaktion noch nicht im Gleichgewicht ist. Reagenz 2 Reagenz 1 Carrier Probe Peristaltikpumpe Injektor Reaktionsschleife 1 Reaktionsschleife 2 Durchflussküvette mit Detektor Auswertung Abb. 3: Fließschema FIA Ammonium wird als ein Indikator für Gewässerverschmutzung genutzt. Es kommt vorwiegend aus der Landwirtschaft und trägt ebenfalls zur Bodenversauerung bei 2. 5

6 c) Anionenbestimmung Mit der Ionenchromatographie, kurz IC, wurden folgende Anionenkonzentrationen in den Regenwasserproben erfasst: Chlorid-, Nitrit-, Nitrat-, Phosphat- und Sulfationen. Detektiert wurden sie mittels der Leitfähigkeit. Abb. 4: Schematischer Aufbau IC Quelle: Chlorid-Ionen stammen hauptsächlich aus Seesalz als auch aus Verbrennungsprozessen von Chlorwasserstoff und haben somit Einfluss auf den ph-wert. Nitrit- und Nitrat-Ionen sind, ähnlich wie der ph-wert, ein Maß für die Luftverschmutzung. Sie entstehen bei der Oxidation von Stickoxiden aus Verbrennungsprozessen, Abgasen und Düngemitteln 2. Phosphat-Ionen kommt in Staub vor, der von Natur aus oder durch Düngung mineralischen Phosphor enthält 3. Sulfat-Ionen sind ein Oxidationsprodukt von Schwefeldioxiden, die in Verbrennungsprozessen von schwefelhaltigen fossilen Brennstoffen frei gesetzt werden 2. Sie tragen mit zum ph-wert bei und sind ebenfalls ein Maß für die Luftverschmutzung. 6

7 4) Grenzwerte Es gibt zurzeit noch keine amtlichen Vorschriften und Grenzwerte für die Beurteilung von Regenwasser. Daher wird für die Beurteilung die EG-Trinkwasserverordnung von 21 herangezogen. Vereinzelt auch Angaben anderer Richtlinien (für NH 4 +, NO 3 -, ph). Parameter Grenzwert Bemerkung Ammonium max.,5 mg/l max.,1 mg/l 6 Chlorid max. 25 mg/l Das Wasser sollte nicht korrosiv wirken Nitrit max.,5 mg/l siehe Nitrat Nitrat max. 5 mg/l max. 2 mg/l 6 Die Summe aus Nitratkonzentration in mg/l geteilt durch 5 und Nitritkonzentration in mg/l geteilt durch 3 darf nicht größer als 1 mg/l sein Phosphat max. 4,7 mg/l Richtwert:,56 mg/l 5 Sulfat max. 24 mg/l ph 5,5 Normaler Wert für Regen 4 Leitfähigkeit max. 25 ms/cm bei 2 C 4 nicht aus der Trinkwasserverordnung 21 5 EU-Trinkwasserrichtlinie 6 Badewasserrichtlinie DIN

8 Niederschlagsmenge [L/m²] Windrichtung [ ] 5) Daten Leider müssen Sie die Daten in einer extra gespeicherten Mappe ( 5Daten) ansehen. Da diese dort im Querformat besser überschaubar sind. Entschuldigen Sie diese Umstände. 6) Auswertung a) Vergleich der Niederschlagsmengen Als erstes habe ich Vergleiche zwischen den Niederschlagsmengen der 2-Tages- und Wochenendproben, sowie der Wochenproben mit den Regenmengen der Wetterstation in Bergedorf angestellt. Theoretisch müssten die Niederschlagsmengen annähernd gleich sein. Einfluss könnte haben, dass unser Probenahmeort in der Nähe einer Fassade ist (in Nördlicher Richtung). Die Windrichtung sollte Aufschluss darüber geben, ob Abweichungen anhand einer Windrichtung festzumachen sind Vergleich der Niederschlagsmenge von 2-Tages- bzw. Wochenendproben und deren Windrichtung W S SSO SSO S S W S S SSO S W W W OSO SO S W NO Diagramm 1: 2-Tages-/Wochenendproben Wetterstation Windrichtung Anmerkungen Diagramm 1: - Der Unterschied am kommt daher, dass die Probenahmeflasche umgekippt war - Die Windrichtung wurde über den Zeitraum des s gemittelt und vereinheitlicht, 8

9 Niederschlagsmenge [ L/m² ] Windrichtung [ ] Niederschlagsmenge [L/m²] Windrichtung [ ] um einen besseren Vergleich zu schaffen Vergleich der Niederschlagsmenge von Wochenproben und deren durchschnittliche Windrichtung SO S O S OSO S S W NO S Diagramm 2: Wochenproben Wetterstation Windrichtung Anmerkungen Diagramm 2: - Probenahmegefäß am umgekippt, daher großer Mengenunterschied - Die Probenmenge am wurde mit einem Messzylinder gemessen - Die Windrichtung wurde über den Zeitraum einer Woche gemittelt und vereinheitlicht, um einen besseren Vergleich zu schaffen Vergleich der Niederschlagsmengen der eigenen Proben innerhalb einer Woche SO S O S OSO S S W NO Diagramm 3: Tagesmischproben Wochenproben Windrichtung 9

10 Anmerkung Diagramm 3: - Die Werte vom , sowie vom sind gleich, da die Menge der Wochenproben aus den Tagesmischproben errechnet wurden Fazit: Im Vergleich der Niederschlagsmengen der Tagesmischproben mit der Wetterstation (Diagramm 1) liegen in 18 von 25 Probedaten die Abweichungen unterhalb von 14, %. Die im Diagramm rot markierten Windrichtungen sind die Daten, an denen die Regenmenge um mehr als 18,9 % vom Mittelwert abweichen. Dies ist vor allem bei geringem Niederschlag der Fall. Eine genaue Aussage über die Windabhängigkeit kann ich nicht treffen. Aber es fällt auf, dass alle Niederschlagswerte stärker abweichen, wenn der Wind aus Westen weht. Die Niederschlagsmenge der Wochenproben ist immer kleiner als die Menge, die in der Wetterstation gemessen wurde (Diagramm 2). Vielleicht liegt das an dem kleineren Trichter auf der Probenahmeflasche. Ungefähr die Hälfte der Werte weisen eine Abweichung, die kleiner als 9 % ist, auf. Die größeren Abweichungen sind nicht nur auf kleine Regenmengen begrenzt. Selbst die Regenmengen in den beiden Probenahmeflaschen sind nicht ganz identisch (Diagramm 3). Außer an dem , wo die Probenahmeflasche umgekippt war, liegen die Abweichungen vom Mittel der Regenwasserproben unterhalb von 26,9 %. Im Vergleich zu den teilweise besonders großen Abweichungen zur Wetterstation (Tagesproben bis zu 8%, Wochenproben bis zu 47,1%), ist dies somit gar nicht so schlecht. 1

11 Leitfähigkeit [µs/cm] Leitfähigkeit [µs/cm] b) ph-wert und Leitfähigkeit der Regenwasserproben ph-wert und Leitfähigkeit der 2-Tages- bzw. Wochenendproben ph-wert Leitfähigkeit Mittel Leitf. Mittel ph Diagramm 4 ph-wert und Leitfähigkeit der Wochenproben ph Leitfähigkeit Mittel Leitf. Mittel ph Diagramm 5 Fazit: 11

12 In den Tagesmischproben ist die Leitfähigkeit im Mittel fast um die Hälfte größer (44,6 µs/cm) als in den Wochenmischproben (28,6 µs/cm). Anhand der Diagramme sieht man aber, dass die Leitfähigkeiten in beiden Fällen sehr stark schwanken. Es werden Spitzenwerte von knapp 1 µs/cm bei den Tagesmischproben erreicht. Jedoch liegen die Werte generell weit unter dem Grenzwert der Trinkwasserverordnung. Die ph-werte sind annähernd stabil und spielen sich meist im gleichen Bereich ab. In beiden Fällen kann man aber von leicht saurem Regen sprechen, da der gemittelte ph-wert der Tagesmischproben bei 5,2, bei den Wochenmischproben sogar bei 4,6 liegt. c) Inhaltsstoffe Die beiden folgenden Diagramme zeigen einen ersten Überblick über die Ionenkonzentrationen in den Regenwasserproben. Die Leitfähigkeitswerte sollten eigentlich die Gesamtzahl der Ionen widerspiegeln, da die Ionenkonzentration einer Lösung und die Leitfähigkeit proportional zueinander sind. Leider ist dies hier nicht der Fall. Schaut man sich z.b. den der Tagesmischproben an, erkennt man, dass die Ionenkonzentration extrem hoch ist. Dies zeigt sich aber nicht annähernd in der Leitfähigkeit. Der Wert ist dort sogar am niedrigsten. Bei der Wochenmischprobe vom sind die Ionengehalte relativ hoch, was sich auch in der Leitfähigkeit zeigt. Am liegt die Leitfähigkeit aber annähernd im gleichen Bereich und die Ionenkonzentration ist viel kleiner. Man kann kein Schema dahinter erkennen. Also muss es einen Faktor geben, der die Leitfähigkeit beeinflusst, den wir aber nicht messen. Dieser Faktor könnte CO 2 sein. CO 2 und Wasser reagieren in geringem Maße zu H + und HCO 3 -. Vielleicht stören diese die Leitfähigkeitsmessung. 12

13 Massenkonzentration [mg/l] Leitfähigkeit [µs/cm] Massenkonzentration [mg/l] Leitfähigkeit [µs/cm] Ionenkonzentrationen der Tagesmischproben NH4 Cl NO2 NO3 PO4 SO4 Leitf. Diagramm 6 Ionenkonzentrationen der Wochenmischproben 8, 7, 6, 4, 3, 2, 1, NH4 Cl NO2 NO3 PO4 SO4 Leitf. Diagramm 7 13

14 Massenkonzentration [mg/l] Niederschlagsmenge [L/m²] Eine grundsätzliche Auffälligkeit ergab sich bei den Tagesmischproben in Bezug auf die Ionenkonzentration und der dazugehörigen Niederschlagsmenge. Bei höheren Regenmengen (ungefähr ab 1 L/m²) liegen die Ionenkonzentrationen stets unterhalb von 5 mg/l. Am , bei der Probe mit den höchsten Konzentrationen, ist die Niederschlagsmenge am geringsten. Dieses Phänomen kann man auch bei den Wochenmischproben erkennen (siehe z.b ). Grund hierfür ist die Verdunstung des Regenwassers in den Probenahmegefäßen. Verdunstet das Regenwasser durch starke Sonneneinstrahlung wird die Probe sozusagen eingeengt. Bei Regen egal ob viel oder wenig- und geringer Sonneneinstrahlung bleibt der Ionengehalt mit dem wahren Gehalt ungefähr identisch. Jedoch bei Regen mit viel Sonneneinstrahlung weichen diese beiden Konzentrationen voneinander ab. Besonders der Mai, sowie auch der Juni hatten besonders viele Sonnenstunden. Laut Deutschem Wetterdienst gab es im Mai 29 durchschnittlich 27 Sonnenstunden, für den Juni Stunden für den Norden Deutschlands Ionengehalte und Niederschlagsmengen der Tagesmischproben NH4 Cl NO2 NO3 PO4 SO4 Menge Diagramm 8 14

15 Massenkonzentration [mg/l] Niederscglagsmenge [L/m²] 7, 6, Ionengehalte und Niederschlagsmenge der Wochenmischproben , 3, 2, 1, NH4 Cl NO2 NO3 PO4 SO4 Menge Diagramm 9 15

16 Massenkonzentration [µs/cm] Windrichtung [ ] Damit man in den Diagrammen mehr erfassen kann, habe ich die Ionen in zwei Gruppen aufgeteilt: 1. Stickstoffhaltige Ionen: NH 4 +, NO 2 - und NO 3 - sind Bestandteile des Stickstoffkreislaufs und hängen somit eng miteinander zusammen. Sie werden durch die Landwirtschaft erzeugt. Somit kann man durch die Windrichtung eventuell landwirtschaftliche Betriebe lokalisieren. 2. Säurebildende Ionen: Cl -, SO 4 2- und in kleinerem Maße auch PO 4 3- tragen überwiegend zum Säurecharakter des Regenwassers bei (auch NO 3 - trägt dazu bei, passt aber besser zur 1.Gruppe). Der ph-wert kann also Auskünfte darüber geben. 1. NH 4 +, NO 2 - und NO 3 - : 3 Stickstoffhaltige Ionen und Wind der Tagesmischproben W S SSO S SSO W S S S SSO S W W W S SO OSO W NO NH4 NO2 SO4 Wind Diagramm 1 16

17 Massenkonzentration [mg/l] Windrichtung [ ] 7, Stickstoffhaltige Ionen und Wind der Wochenmischproben 3 6, 4, 3, 2, SO S O W S S S OSO 25 2 S 15 1 NH4 NO2 NO3 1, NO 5 Wind Diagramm 11 Fazit: Die Ammonium- und Nitratkonzentrationen der Tagesmischproben bewegen sich um die Werte ß(NH 4 + )= 1,6 mg/l und ß(NO 3 - )= 3,3 mg/l, bei den Wochenmischproben um ß(NH 4 + )=,7 mg/l und ß(NO 3 - )= 1,5 mg/l. Nitrit tritt in beiden Probearten nur in geringem Maße auf. Der Mittel bei den Tagesproben beträgt,3 mg/l, bei den Wochenproben,2 mg/l. Anhand der Skalierung kann man auch schon sehen, dass die Konzentrationen in den Tagesmischproben stets höher sind als die in den Wochenmischproben. Guckt man sich im Diagramm 1 und 11 die erhöhten Ammonium- sowie Nitratkonzentrationen genauer an, sieht man, dass dort der Wind meist aus südlicher bis westlicher Richtung weht (rot markiert). Laut landwirtschaftlicher Deutschlandkarte (siehe Quellen S. 21) geht es in westlicher Richtung über Hamburg, durch das Alte Land bis nach Bremerhaven. Besonders das Alte Land ist bekannt für seinen reichen Obstanbau. Bis nach Bremerhaven kommen zusätzlich noch landwirtschaftliche Betriebe, die Getreide, Blattfrüchte als auch Futterpflanzen, wie Mais, anbauen und bewirtschaften. In südlicher Richtung geht es über die Lüneburger Heide mit ihren Heide und Moorlandschaften, Braunschweig (hauptsächlich mit Getreideanbau im Umland) bis an den Rand von Deutschland. Mehr soll hierzu nicht gesagt werden. Außer, dass erwähnt sei, dass 17

18 Massenkonzentration [mg/l] ph Massenkonzentration [µs/cm] ph diese landwirtschaftlichen Betriebe nicht zwingend an den hohen Ionengehalten Schuld sind. Es sollte nur vielmehr ein kleiner geographischer Überblick geschaffen werden. 2. Cl -, PO 4 3- und SO 4 2- : Säurebildende Ionen und ph der Tagesmischproben Cl PO4 SO4 1 ph Linear (ph) Diagramm 12 6, Säurebildende Ionen und ph der Wochenmischproben 6 5 4, 4 3, 2, 1, Cl PO4 SO4 ph Linear (ph) Diagramm 13 18

19 Fazit: Die Chlorid- und Sulfatkonzentrationen der Tagesmischproben bewegen sich um die Werte ß(Cl - )= 1,1 mg/l und ß(SO 4 2- )= 2,7 mg/l, bei den Wochenmischproben um ß(Cl - )=,9 mg/l und ß(SO 4 2- )= 1,6 mg/l. Phosphationen sind überwiegend unterhalb der Nachweisgrenze. In der 2-Tages-Probe vom erreichte die Phosphatkonzentration aber einen unerklärbar hohen Wert von 4,4 mg/l. Die auftretenden hohen Gehalte von Cl - und SO 4 2- sind leider nicht an Einbrüchen der ph- Werte fest zu machen. Über den Zeitraum der Probenahme in den Tagesmischproben stellt man aber einen Abfall des mittleren ph-wertes fest (siehe Diagramm 12). Am Schluss sei noch die auffälligste Probe vom erwähnt, da dort alle Ionen, außer den Nitrit- und Phosphationen, sehr hohe Gehalte aufwiesen (ß(NH 4 + )= 13,7 mg/l, ß(NO 3 - )= 42,4 mg/l, ß(Cl - )= 36,6 mg/l, ß(SO 4 2- )= 26,8 mg/l). Der ph-wert von 5,1 und die Leitfähigkeit von 11,6 µs/cm sind eher unauffällig. Die Leitfähigkeit ist sogar verhältnismäßig gering. Auffällig ist aber die geringe Regenmenge von,2 L/m². Vielleicht ist die Probe der schon vorher erwähnten Sonneneinstrahlung zum Opfer gefallen oder es gab an dem Wochenende ein Gewitter, was hohe Ionenkonzentrationen erklären kann. 19

20 7) Schlusswort Abschließend kann man nur gutes über das Regenwasserprojekt sagen. Angefangen bei den überaus zuvorkommenden Arbeitsbedingungen. Wenn es nämlich längere Zeit nicht geregnet hat, musste man auch keine Proben nehmen und konnte somit die sonnigen Tage genießen. Bis hin zur nervenaufreibenden Auswertung, die wiederum bei Sonnenschein draußen, am Computer drinnen statt gefunden hat. Gerade bei der Auswertung konnte man feststellen, dass es sich lohnt Regenwasser über einen längeren Zeitraum auf zu fangen und zu analysieren. Denn je mehr man Excel- Diagramme erstellt hatte, desto mehr Fragestellungen schwirrten einem durch den Kopf. Es wäre somit ratsam das Projekt länger laufen zu lassen. Da meine Probenahme eher auf die Sommermonate bezogen war, könnte man Vergleiche zu anderen Jahreszeiten herstellen. Rundum es war ein sehr schönes Projekt. 2

21 8) Quellen Dierke Weltatlas, 3. Auflage, 1992: HAW Hamburg- Bergedorf 21