Regenwasseranalyse. Fachspezifische Themenstellung. Verena Burgstaller und Lisa Lienbacher

Transkript

1 Regenwasseranalyse Fachspezifische Themenstellung Verena Burgstaller und Lisa Lienbacher

2 Inhaltsverzeichnis

3 Einleitung Das wichtigste und zugleich auch schwerste bei diesem Projekt ist es, zu regelmäßigen Zeiten, Regen von allen Standorten zu beziehen, was nicht so einfach ist, da es nicht immer überall regnet. Als Standorte wählten wir Euratsfeld, Neukirchen und Wien. Die Proben werden im Jänner, Februar und März gezogen. Diese Proben werden auf einzelne Parameter analysiert. Als Parameter wählten wir: Ammonium Nitrit Nitrat Phosphat Blei Kupfer Leitfähigkeit ph-wert Diese Parameter werden mit dem Photometer, dem Gaschromatographen, ph-meter und Leitfähigkeitsmesser analysiert, anschließend wird eine Tabelle erstellt und die Proben werden miteinander verglichen. Es wird verglichen wo saurer Regen auftritt und was wir aus den Werten schließen können.

4 Aufgabenstellung/Arbeitshypothese Die Aufgabe der Fachspezifischen Themenstellung besteht darin Regenwasser zu analysieren. Das Wasser wird auf viele verschiedenen Parameter auf drei verschiedenen Standorten, und zwar Euratsfeld (Bez. AM), Wien, Neukirchen (Bez. ME), getestet. Die Parameter sind Nitrit, Nitrat, Ammonium, Phosphat, ph-wert, Leitfähigkeit und Schwermetalle (Blei und Kupfer). Es wird mit verschiedenen Messgeräten gemessen, den ph-meter, das Photometer und das Graphitrohr-AAS. Die Ergebnisse werden ausgewertet und interpretiert, um zu sehen, ob sie mit unseren Hypothesen übereinstimmen, oder ob diese widerlegt werden. Die Hypothesen besagen, dass in der Stadt höhere Werte vorzuweisen sein werden, da hier mehr Emissionen in die Luft gelangen. Auch der ph-wert wird in Stadt höher sein, wegen der vielen Abgase. Nur Stickstoff könnte auch am Land mehr im Regenwasser sein, dass diese auch durch die Landwirtschaft verursacht werden kann. Dann kann man sehen, ob heut zu Tage Saurer Regen noch eine Rolle spielt oder nicht.

5 Theoretische Grundlagen 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 Wasser-tropfen. Diese fallen dann in Form von Regen, Schnee oder Hagel wieder zurück zur Erde. 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. Überwiegend wird Saurer Regen von Menschenhand verursacht. Durch die Emissionen die die eine neue Verbindung mit Regen eingehen können, entsteht saurer Regen. Saurer Regen besteht meist aus Schwefelsäure und Salpetersäure, die sich durch die Verbindung des Wassers mit Schwefeloxid oder Stickoxid entwickeln. Seit 1980 geht in Mitteleuropa die Intensität des sauren Regens zurück. Basischer Regen ist Niederschlag, der einen höheren ph-wert als reines Wasser aufweist. Dieser entsteht durch den natürlichen Kohlendioxid-Gehalt der aus der Erdatmosphäre stammt. Basischer Regen ist örtlich begrenzt und ist das Gegenstück zum sauren Regen.

6 Saurer Regen Saurer Regen ist Niederschlag mit einem ph-wert niedriger als 5,5. Das natürliche Vorhandensein von CO 2 hat einen normalen ph-wert von 5-7. Verursacher Hauptverursacher ist die Luftverschmutzung durch Abgase. Dazu zählen Verkehr, Industrie und Kleinverbraucher. Vor allem durch die Verbrennung von fossilen Brennstoffen, denn dabei entsteht Schwefeloxid, das mit Wasser und Sauerstoff Schwefelsäure bilden kann. Dieser Reaktionsmechanismus benötigt das Wasser erst zur Bildung der Schwefelsäure aus dem Schwefeltrioxid: 2 SO 2 + O 2 2 SO 3 SO 3 + H 2 O H 2 SO 4 Diese Reaktion erfolgt komplett in wässriger Lösung, z. B. Wassertropfen im Nebel: SO 2 + H 2 O H 2 SO 3 2 H 2 SO 3 + O 2 2 H 2 SO 4 Weiterhin entstehen bei jeder Verbrennung Stickoxide (NOx) durch Umwandlung des im Brennstoff und in der Luft enthaltenen Stickstoffes. Diese bilden mit Wasser und Sauerstoff Salpetersäure (HNO3). 2 NO 2 + H 2 O HNO 2 + HNO 3 N 2 O 4 + H 2 O HNO 2 + HNO 3 Kohlendioxid kann sich auch im Wasser lösen und reagiert zu Kohlensäure. CO 2 + H 2 O H 2 CO 3 In tropischen Gebieten können auch organische Säuren zur Absenkung des ph- Wertes von Niederschlägen beitragen.

7 Auswirkungen Pflanzen Saurer Regen kann Waldsterben verursachen, dieser kommt vor allem in Regionen mit häufigen und ergiebigen Niederschlägen, mit niedriger Jahresdurchschnittstemperatur vor. Es kann aber auch die Übersäuerung des Bodens verursacht werden. Dabei werden giftige Schwermetallionen freigesetzt, die die Feinwurzeln der Pflanzen absterben lassen. Dadurch sind die Bäume anfälliger für Krankheiten, natürliche Belastungen und Schädlingsbefall. Gewässer Gewässer sind nicht direkt von der Aufnahme des Sauren Regens über die Oberfläche betroffen, sondern durch das Eindringen des Bodenabflusses. Metall- Kationen, wie Al 3+, die als Zellgifte wirken können zur Artenverarmung führen. Durch die Übersäuerung der Gewässer können Mikroorganismen, aber auch Schnecken, Muscheln, Kleinkrebse, Eintagsfliegen und Fische sterben. Gebäude und Gesteine Saurer Regen lässt die Verwitterung von Gebäuden schneller voranschreiten. So werden auch zahlreiche Gebäude und Kulturdenkmäler beschädigt. Calciumcarbonat reagiert mit den gelösten Wasserstoffionen im sauren Regen. Bei dieser Reaktion zerfällt es in Calciumionen, Kohlendioxid und Wasser: CaCO3 + 2H+ CO2 +H2O + Ca2+ Dann reagieren die Sulfationen der Schwefelsäure mit den Calciumionen und überziehen den Marmor oder Kalkstein mit einer weißen Schicht von Gips: Ca2+ +SO42 + 2H2O CaSO4 + 2H2O Der Regen trägt mit der Zeit einen Teil der Gipskruste ab. Dies führt zu kleinen Rissen und zunehmender Erosion. Menschen Saurer Regen ist auch für den Menschen ein Störfaktor, denn vor allem Schwefeldioxid und Stickoxide können die Atemwege, wie Lunge und Schleimhäute schädigen und Asthma hervorrufen. Auch die Blutgefäße können beeinträchtigt werden.

8 Gegenmaßnahmen Man versucht mit Kalk die Übersäuerung zu neutralisieren, in dem man Kalk per Hubschrauber verstreut. Doch eigentlich ist es besser, wenn man die Ursachen bekämpft. Seit den 80er Jahren entschwefelt man schon Rauchgase. Deswegen werden heute in den Autos Katalysatoren verwendet, um die Stickstoffoxide zu entfernen. Wichtig ist es auch, Verkehrsmittel sinnvoll zu nutzen, dass bedeutet die Emissionen zu reduzieren und die Regierungen sollten härtere Auflagen einbringen. Trinkwasserverordnung Parameter Grenzwert mg/l Nitrat 50 Blei 0,01 Kupfer 2 Nitrit 0,5 Ammonium 0,5 Phosphat Kein Grenzwert

9 Ammonium Ammonium gehört zu den wichtigsten Indikatoren bei der Verschmutzung von Gewässern. Bei Trink- und Flusswasser üblichen ph-werten liegt Ammoniak (NH3) ausschließlich als Ammonium NH4+ vor. Ammonium entsteht bei der Zersetzung von stickstoffhaltigen organischen Substanzen durch Mikroorganismen unter sauerstoffarmen Bedingungen. Eine direkt giftige Wirkung ist nicht bekannt, im Gegensatz zu Ammoniak. Jedoch entsteht Ammonium durch die mikrobiologische Zersetzung von Abfallstoffen und Fäkalien. Liegt also ein erhöhter Ammoniumwert im Wasser vor ist mit einer ernstzunehmenden Verschmutzung zu rechnen. Ammonium gelangt durch Überdüngung und Düngerausschwemmungen direkt in Fluss und Grundwasser. Ist der Ammoniumgehalt erhöht ist meist auch der Nitratgehalt dementsprechend hoch. Der Ammoniumgehalt ist auch ein wichtiger Faktor bei der Bewertung der Badewasserqualität, da es auch beim enzymatischen Abbau von Harnstoff entsteht. Die Konzentration von Ammonium, Nitrit und Nitrat ist wichtig bei der Überwachung von Kläranlagen. Die Nitrifikation (Umwandlung von Ammonium zu Nitrat) ist eine der wichtigsten Aufgaben von Kläranlagen. Grenzwerte & Richtlinien Trinkwasserverordnung (TVO) max. 0,5 mg/l EU-Trinkwasserrichtlinie Richtwert max. 0,5 mg/l 0,05 mg/l

10 Nitrat Stickstoffoxide gelangen auf verschiedenste Weiße in die Umwelt.Die Oxidation des in der Atmosphäre vorhandenen Stickstoffes findet durch die Natur selbst statt durch elektrische Entladungen und Blitze. Auch durch die Technik, wie durch Fahrzeuge und Verbrennungsanlagen kommt es zur Oxidation von Stickstoff. Die Stickstoffoxide die in der Atmosphäre vorhanden sind werden zum Teil mit dem Regen ausgewaschen und bilden so Nitrite und Nitrate. Durch Katalysatoren die in Abgasanlagen von Kraftfahrzeugen eingebaut sind mindern drastisch die Emissionen. Nitrate sind Hauptnährstoffe und haben somit einen sehr positiven Einfluss auf das Pflanzenwachstum. Deshalb werden im Gartenbau so wie in der Landwirtschaft oft mineralische Dünger die auf Stickstoff basieren eingesetzt. Durch die Auswaschung kommt es oftmals zu einer hohen Nitratgehalten in nahe gelegenen Gewässern. Dieser hohe Nitratgehalt fördert das Pflanzen- und Algenwachstum in Teich- und Flussgewässern. Durch die starke Überdüngung kann es zum Kippen von Gewässern kommen, das Ökosystem kommt somit aus seinem Gleichgewicht. Es kommt zur Ausbildung eines Fäulnismilieus. Das Milieu ist somit arm an Sauerstoff, dies hat meist katastrophale Folgen für die Lebewesen die in diesen Gewässern leben. Die Gefahr des kippens ist bei stehenden Gewässern wesentlich höher als bei Fließgewässern. Eine direkt giftige Wirkung geht vom Nitrat nicht aus. Aufgenommenes Nitrat wird relativ schnell wieder vom Körper ausgeschieden. Für Säuglinge ist Nitrat jedoch gefährlich, weil es im Körper zur Umwandlung von Nitrat in Nitrit kommt. Der Sauerstofftransport von Säuglingen kann somit gehemmt werden. Es kommt zur inneren Erstickung man spricht von Blausucht. Bei Erwachsenen gibt es dieses Problem nicht da die Bindung des Sauerstoffs an die roten Blutkörperchen auf eine nicht durch Nitrat desaktivierbare Weise erfolgt. Die einzige Gefahr die vom Nitrat wirklich aus geht ist ihre Verbindung mit Eiweißstoffen im Körpern man spricht dann von sogenannten Notrosaminen. Nitrosamine sind Krebserzeugend und verändern die Erbsubstanz. Das Gefährdungspotential für die Gesundheit von Nitrat im Trink- und Oberflächengewässer ist noch relativ unbekannt. Eine regelmäßige Kontrolle ist somit unerlässlich. Trinkwasserverordnung (TVO) max. 50 mg/ L EU-Trinkwasserrichtlinie max. 50 mg/l

11 Phosphat Bedingt durch eine Vielzahl von phosphorhaltigen Produkten in Haushalt und Industrie ist in den letzten Jahrzehnten eine ernstzunehmende Phosphorbelastung der Umwelt eingetreten. Ein Großteil des konsumierten Phosphors ist als natürlicher Bestandteil in Nahrungsmitteln enthalten. Der Rest stammt aus Wasch-, Reinigungsund Spülmitteln. Der größte Teil des Phosphors wird über die kommunale Kanalisation den Kläranlagen zugeführt. Phosphatreiche Substanzen gelten als bewährte Düngestoffe (Gülle, Kunstdünger). Durch einen übermäßigen Gebrauch können so hohe Phosphatkonzentrationen im Boden entstehen. Durch das Auswaschen kommt es wiederum zu erhöhten Phosphatgehalten im Grund- und Oberflächenwasser. Ein großer Fortschritt war die Entwicklung von phosphatfreien Waschmitteln. Dies ist ein wichtiger Fortschritt zur Entlastung der Umwelt. Phosphor weißt keine nachgewiesenen gesundheitsschädlichen Eigenschaften auf. Aufgrund des hohen Gehaltes von Phosphor in Pflanzen kann es jedoch zur Eutrophierung von Gewässern kommen. Dies hat somit dieselbe Folge wie bei Nitrat, Gewässer können kippen. Ein erhöhter Phosphorgehalt ist genauso wie bei Ammonium und Nitrat ein wichtiger Hinweis auf die mögliche Verschmutzung des Wassers durch Fäkalien. Aufgrund der verschiedenen Verbindungen gibt es auch verschiedene Richt- und Grenzwerte. Nitrit Kommt im Boden und Gewässern vor sowie in Kläranlagen in Form von Nitritbakterien. Nitritionen bilden sich durch Oxidation aus Ammoniumionen unter Verbrauch von Sauerstoff und sind somit das Zwischenprodukt bei der vollständigen Oxidation von Stickstoff zu Nitrat.

12 Blei Blei in der Luft wird durch bleihaltige Stäube verursacht, diese stammen aus der bleierzeugenden Industrie, der Verbrennung von Kohle und aus dem Verkehr. Das Blei im Wasser kommt hauptsächlich von der Ausschwemmung von Bleibelasteten Böden. Auch im Regen sind geringe Anteile von Blei zu finden. Durch den Bau von Kläranlagen ist die Verschmutzung der Gewässer durch Blei stark zurückgegangen. Durch die Belastung von Luft, Boden und Wasser kann Blei in die Nahrungskette gelangen. Wasserleitungen aus Blei können das Trinkwasser belasten. Kupfer Kupfer kann durch die Landwirtschaft in die Umwelt gelangen. Kupfer wird auch als Zusatz zu Grünfutter bei Kupfermangel verwendet. Andere Verbindungen werden als Insektizid, Fungizid oder Bakterizid genutzt. Kupfer kann aber auch durch Dachmateralien ins Regenwasser gelangen. Kupfer hat für viele Lebewesen einen essentielle Bedeutung. Bei Pflanzen kann bei einer Konzentration unter 5 ppm eine Mangelerscheinung auftreten. Jedoch für Pilze, Bakterien und Algen ist Kupfer sehr giftig. Kupfer verursacht auch indirekt Umweltschäden, da es die Bildung von Dioxinen und Furanen bei der Müllverbrennung katalysiert. Für den Menschen ist Kupfer ein essentielles Element. Es ist Bestandteil vieler Enzyme. Jedoch soll eine Einnahme von 5 mg Kupfer/Tag nicht überschritten werden. Die Einnahme von Kupfer kann zu Brechreiz führen, so bleibt dieser Stoff nicht lange im Körper. Kupfervergiftungen sind bei Kindern deutlich gefährlich als bei Erwachsenen.

13 Elektrische Leitfähigkeit Ist eine materialspezifische Fähigkeit um elektrischen Strom zu leiten, die elektrolytische Stromleitfähigkeit wässriger Lösungen hängt somit ab von der Konzentration der Wasserinhaltsstoffe und deren Ionenleitfähigkeit. Die Wertigkeit der Anionen und Kationen wird somit gemessen, deren Beweglichkeit wird von der Temperatur beeinflusst. Die Leitfähigkeit gilt als Summenparameter für die Ionenkonzentration und damit somit auch für den Salzgehalt im Abwasser. Die Messwerte werden auf eine Bezugstemperatur, in der Regel meist 25 C umgerechnet angeben. Bei kleineren Gewässern liefert die elektrische Leitfähigkeit vor allem Anhaltspunkte über die Einträge von Niederschlags- und Abwasser und die dadurch ausgelösten Veränderungen der Wasserbeschaffenheit. Hohe Werte der Leitfähigkeit können relativ schnell zu einer Aussage über den Gesamtgehalt an gelösten Salzen in Gewässern führen. Die Salze können natürlichen Ursprungs sein zum Beispiel durch Verwitterung von Gesteinen oder aber auch aus menschlicher Herkunft stammen zum Beispiel durch Streusalz und Industrieabwässer. der ph-wert Der ph-wert sagt aus ob eine wässrige Lösung sauer oder basisch ist. Er ist der negative dekadische Logarithmus (=Zehnerlogarithmus) der Wasserstoffionen- Aktivität. ph = -log 10 (a H ) Einteilung:

14 ph = < 7 saure wässrige Lösung ph = 7 neutrale wässrige Lösung absolut reines Wasser ph > 7 basische wässrige Lösung

15 Methodik Die Parameter Ammonium, Nitrit, Nitrat und Phosphat werden mit einem Photometer gemessen. Man verwendet dazu das Photometer MERCK SQ 118. Nun ein Beispiel, wie die Messung und die Vorbereitung durchzuführen ist. Nitrat: Man stellt bei dem Photometer die Methodennummer ein. Man versetzt die Reagenzgläser (Proben und 1 Blindprobe) mit 1 blauem Microlöffel NO 3-1A. Dann werden die Reagenzgläser mit je 5 ml NO 3-2A (=Schwefelsäure) versetzt. Anschließend wird je 1,5 ml Probe dazugegeben und gemischt. Bei der Blindprobe wird destilliertes Wasser beigegeben. Dann drückt man die Blindwert-Taste und wartet die Reaktionszeit von 10 Minuten ab. Bei dem Signalton werden die Proben in die Küvette gefüllt und mit dem Photometer gemessen. Es wurden folgende Methodennummern verwendet. Ammonium... 5 Nitrit Nitrat Phosphat Blei und Kupfer wurden mit dem Grapitrohr AAS gemessen. Mit PERKIN ELMER, Zeeman Atom Absorption Spectrometer 4100 ZL. Dazu musste am Anfang eine Stammlösung hergestellt werden und auch daraus 4 Standards. Für die Kupfer- und Bleistammlösung werden die vorgegebenen Standards 1000 mg/l verdünnt auf 1000 µg/l. Dann werden 4 Standards hergestellt. Für Blei: 10, 20, 50 und 100 µg/l. Für Kupfer: 10, 25, 50 und 100 µg/l. Der ph-wert wurde mit einem ph-meter gemessen: WTW ph 340i. Dazu musste das Gerät vorher kalibriert werden. Die Leitfähigkeit wurde mit dem Microprocessor Conductivity Meter LF 537 (WTW) gemessen, welches auch vorher kalibriert wurde. Standorte: gekennzeichnet mit grünem Punkt

16 Ergebnisse

17 Interpretation Der ph-wert zeigt, dass alle Proben im eher sauren Bereich liegen. Es ist jedoch zu sehen, dass der Regen vom Standort Euratsfeld immer am höchsten ist. Bis auf 2 Messungen von Euratsfeld (Februar, März) befinden sich die Proben unter 5,5 und zählen so eigentlich schon zu Saurem Regen. Jedoch überschreiten sie diese Grenze nur sehr gering.

18 Die Leitfähigkeit gibt Auskunft über die gelösten Salze und die Ionenkonzentration im Wasser. Es ist zu sehen, dass sich in Neukirchen wenig gelöste Salze im Wasser befinden, da nur eine geringe Leitfähigkeit nachzuweisen war. Auch hier ist zu sehen, dass im Standort Neukirchen wenig Nitrit im Regenwasser vorhanden ist. Bei der letzten Messung war sogar weniger vorhanden als zu bestimmen möglich war. Euratsfeld zeigt bei beiden Messungen einen hohen Wert auf und überschreitet sogar die Grenzwerte des Trinkwassers. Das bedeutet, dass man das Wasser nicht trinken sollte. Auch in der Probe von Wien war viel Nitrit zu finden im März. Hier bestätigt sich unsere These jedoch nicht, dass am Land mehr Nitrit vorzufinden ist, dies kann jedoch aber auch vom Zeitraum der Beobachtung abhängen, da wir im Winter unser Projekt durchgeführt haben, und zu dieser Zeit die Landwirtschaft nicht intensiv betrieben wird.

19 Die Nitratwerte sind relativ gering und befinden sich weit unter dem Grenzwert von Trinkwasser. Das heißt, dass Wasser könnte laut diesem Parameter als Trinkwasser verwendet werden. Hier sind am Land und in der Stadt die Unterschiede der Nitratgehalte sehr gering.

20

21 Zusammenfassung