Trinkwasserqualität zwischen Weinfelden & Kreuzlingen Elias Schegg, David Brander Kantonsschule Kreuzlingen/ omas Baumann Kantonsschule Kreuzlingen
Inhaltsverzeichnis 1 Zusammenfassung 2 1.1 Deutsche Zusammenfassung 2 1.2 English summary 2 2 Einleitung 3 2.1 Einleitung 3 2.2 Ziele 3 2.3 Fragestellung 3 2.4 Hypothesen 3 3 Material & Methoden 4 3.1 Material 4 3.2 Methoden 4 4 Resultate 6 4.1 Übersicht 6 4.2 Spezifischer Widerstand 7 4.3 ph-wert 8 4.4 Nitratgehalt 9 4.5 Wasserhärte 10 4.6 Calciumgehalt 11 4.7 Lebendkeime 12 5 Diskussion 13 5.1 Spezifischer Widerstand 13 5.2 ph-wert 13 5.3 Nitratgehalt 13 5.4 Wasserhärte 14 5.5 Calciumgehalt 14 5.6 Lebendkeime 14 5.7 Vergleich von See-, Grund- und Quellwasser 15 5.8 Weiterführende Fragen 15 6 Literaturverzeichnis 16 1
1 Zusammenfassung 1.1 Deutsche Zusammenfassung Die Trinkwasserproben von vier Orten zwischen Weinfelden und Kreuzlingen, namentlich Weinfelden, Ottoberg, Siegershausen und Kreuzlingen, wurden auf folgende Eigenschaften überprüft: Spezifischer Widerstand, ph-wert, Nitratgehalt, Wasserhärte, Ca-Gehalt, Anzahl Lebendkeime. Die Ergebnisse waren, vor allem beim Nitratgehalt, so überraschend, dass mehrmals gemessen werden musste, um einen Messfehler ausschliessen zu können. Der Nitratgehalt war bei einigen Proben so hoch, dass er die nationale Höchstgrenze überschritt. Dies ist auf den Dünger zurückzuführen, welcher kurze Zeit vor der Probeentnahme ausgestreut wurde. Regenschauer haben das Nitrat in das Grundwasser gespült. 1.2 English Summary drinking water assays of four different locations between Weinfelden and Kreuzlingen were audited by following attributes: specific resistance, ph-value, nitrate concentration, water hardness, Ca-concentration, number of germs. e nitrate concentration was so high, that we weren t sure if we measured right. is concentration is because of manuring a short time before the withdrawal of the assays. Rain showers have rinsed the nitrate into the ground water. 2
2 Einleitung 2.1 Einleitung Wasser ist eine der Lebensgrundlagen des Menschen. Immerhin besteht der menschliche Körper zu 60% aus Wasser. Im Notfall kann der Mensch einige Wochen ohne Nahrung auskommen, ohne Trinkwasser überlebt er kaum drei Tage. Ein ausreichender Wasserkonsum ist deshalb unerlässlich. Doch verunreinigtes oder verseuchtes Wasser kann Krankheiten hervorrufen. Das Schweizer Lebensmittelgesetz schreibt ausdrückliche Qualitätsanforderungen an Trinkwasser vor. Wasserversorgungsunternehmen sind gesetzlich verpflichtet, die Qualität ihres Trinkwassers regelmässig selbständig zu überprüfen. Für zusätzliche Sicherheit sorgen unabhängige Inspektionen der kantonalen Labore. Gesundheitsschädliche Stoffe im Trinkwasser sind deshalb ein seltenen Vorkommnis. Trotzdem ist hin und wieder von kritischen Werten v.a. im Bereich gesundheitsschädlicher Lebendkeime zu lesen. Auch der Anteil bestimmter Mineralien (v.a. Calcium, Magnesium, Fluor, Sulfat; Natrium und Nitrat gehören zu den unerwünschten Mineralien) kann die Qualität des Trinkwassers beeinflussen. (http://www.trinkwasser.ch, 2004) 1 Diese Arbeit ist Teil einer Naturwissenschaftlichen Woche der Kantonsschule Kreuzlingen der Forschungsgruppe «Wasserqualität». Täglich konsumiert der Mensch Trinkwasser, ohne aber die genauen Bestandteile davon zu kennen. Trinkwasser ist nicht gleich Trinkwasser: Je nach dem Gehalt verschiedener Mineralien und der Anzahl Lebendkeime kann Trinkwasser unterschiedlich gesund sein. 2.2 Ziele Es soll die Trinkwasserqualität von Weinfelden, Ottoberg, Siegershausen und Kreuzlingen analytisch bezüglich des Mineralgehalts und der Anzahl Lebendkeime verglichen werden. Sind alle Werte im gesetzlich vorgeschriebenen Grenzbereich? Inwieweit unterscheiden sich die verschiedenen Trinkwasserproben? Was beeinflusst die Qualität des Trinkwassers? 2.3 Fragestellung Wie unterscheidet sich das Trinkwasser verschiedener Ortschaften zwischen Weinfelden und Kreuzlingen bezüglich der Qualität? 2.4 Hypothesen Je grösser die Zivilisationsdichte desto besser die Trinkwasserqualität. Je mehr Grund oder Quellwasser desto besser die Trinkwasserqualität. Je aktiver die Landwirtschaft und Industrie desto schlechter die Trinkwasserqualität. 3
3 Material & Methoden 3.1 Material Zuerst werden Trinkwasserproben aus verschiedenen Ortschaften beschaffen. Für jede Ortschaft sind vier Proben vonnöten: zwei am Morgen und zwei am Nachmittag, wobei sich diese in Kalt- und Warmwasserproben unterteilen. Alle Proben stammen direkt aus dem Trinkwassernetz und sollten mindestens 200ml beinhalten. Sie werden im Kühlschrank bei 5 C gelagert. Benötigt werden ausserdem ein Indikator für Nitrat, ein ph-meter, ein Mikroskop und eine Einrichtung zur Titration der Proben: Dies beinhaltet verdünnte Salzsäure, Bromphenolblau, eine Bürette, eine Pipette, einen Messbecher und natürlich die Trinkwasserproben. 3.2 Methoden Um die Qualität der Proben festzustellen, werden sie auf folgende chemische und physikalische Eigenschaften überprüft: Spezifischer Widerstand, ph-wert, Nitratgehalt, Wasserhärte, Ca-Gehalt. 3.2.1 Spezifischer Widerstand Eine Probe wird in ein Messbecken gefüllt. An zwei gegenüberliegenden Seiten des rechteckigen Beckens werden zwei Drähte angebracht, welche das Wasser berühren müssen. Danach wird eine Spannung von 1V auf den Stromkreislauf gegeben. Durch Messung des Stromes kann nun der Spezifische Widerstand berechnet werden: daraus folgt: A ist der Querschnitt des Wasserquaders im Messbecken (Breite * Höhe). l ist der Abstand zwischen den beiden Drähten, das heisst die Länge des Beckens. 3.2.2 ph-wert Der ph-wert wurde mittels ph-meter bestimmt. Ein solches funktioniert folgendermassen: Um die Anzahl der Ionen zu erfassen, bedient man sich der Tatsache, daß sie Ladungsträger sind (H + ). Das + weist darauf hin, daß bei einer Überzahl von H + -Ionen positive Ladung vorhanden sein muß. Schafft man einen Bezugspunkt, lässt sich die Spannung messen, die von der jeweiligen H + -Ionen-Anzahl abhängig ist. Durch umrechnen dieser Spannung (ph = negativer Zehnerlogarithmus der Anzahl H + - Ionen) erhält man den ph-wert. (http://www.eheim.nl/d/tips_ph_elektrode.htm, 2004) 3.2.3 Nitratgehalt Der Nitratgehalt wurde mittels Nitrat-Indikator bestimmt. Bei dieser Methode wird Nitrat mittels Reduktionsmittel zu Nitrit reduziert. Aus dem gebildeten Nitrit entsteht in Gegenwart eines sauren Puffers salpetrige Säure, die ein aromatisches Armin diazotiert. Durch Kupplung mit N-[1-Naphtyl]- ethylendiamin entsteht ein rot-violetter Azofarbstoff (Merckoquant, 2003). Das Teststäbchen wird 1 Sekunde lang in die Probe gehalten, danach leicht abgetropft und 1 Minute lang stehen gelassen. 4
3.2.4 Wasserhärte Die Wasserhärte wurde mittels Titration ermittelt. Bei der Titration werden 100ml einer Probe in einen sauberen Messbecher gefüllt. Danach werden fünf Tropfen Bromphenolblau hinzugegeben. Die erhaltene Flüssigkeit wird zu einer violetten homogenen Lösung gemischt. Dann wird verdünnte Salzsäure tropfenweise hinzugefügt. In dieser Phase der Titration sind eine ständige Überwachung der Wasserfarbe und ein permanentes Umrühren der Wasserprobe sehr wichtig. Ausserdem sollte eine Schutzbrille angezogen werden, da Salzsäure auf die Augen ätzend wirkt. Nach einer bestimmten Salzsäuremenge ändert die Lösung schlagartig ihre Farbe zu gelb. Die Zugabe der Salzsäure muss sofort eingestellt werden. Für die Berechnung der Wasserhärte gilt folgende Umrechnung: Benötigte Salzsäure * 5(Anzahl Tropfen Bromphenolblau) = Wasserhärte in fh (französischen Härtegraden) Die Titration kann auch mit der Hälfte der Wassermenge, also mit 50ml durchgeführt werden. Dabei muss man den Wert für die benötigte Salzsäure mit 10 und nicht mit 5 multiplizieren. Auch wir haben diese Methode angewandt, da wir die Wassermenge bei der Probeentnahme etwas gering gewählt haben. (Bührer, 2004) 2 3.2.5 Ca-Gehalt Der Ca-Gehalt kann durch die Wasserhärte berechnet werden, da diese dem Calciumcarbonat(=Kalk)- Anteil der Probe entspricht. Die Rechnung sieht folgendermassen aus: gegeben: -Atommassen von Ca, C, O gesucht: -Masse von Ca relativ zur Gesamtmasse der Verbindung Atommasse Ca = 40.08u Atommasse C = 12.01u Atommasse O 3 = 48.00u (3 * 16.00u) Gesamtmasse CaCO 3 = 100.09u Anteil der Masse von Ca relativ zur Gesamtmasse von CaCO 3 : CaCO 3 = 100.09u --> Ca = 40.08u CaCO 3 = 10u --> Ca = 4.0044u CaCO 3 = 10mg --> Ca = 4.0044mg 3.2.6 Lebendkeime Da ein genauer Nachweis der Lebendkeime aus technischen Möglichkeiten nicht realisierbar war, wurden die Lebendkeime qualitativ verglichen, in dem wenige Tropfen der Trinkwasserproben auf einem Nährboden konstant über zwei Tage einer Temperatur von 30 C ausgesetzt wurden, so dass sich die Lebendkeime explosionsartig vermehrten. 5
4 Resultate Bei den nachfolgendenden Diagrammen wurden folgende Abkürzungen verwendet: 1 = Probe 1: Kreuzlingen, kalt 11 = Probe 11: Kreuzlingen, kalt 2 = Probe 2: Kreuzlingen, heiss 1 2= Probe 12: Kreuzlingen, heiss 3 = Probe 3: Kreuzlingen, kalt 1 3= Probe 13: Kreuzlingen, kalt 4 = Probe 4: Kreuzlingen, heiss 1 4= Probe 14: Kreuzlingen, heiss 5 = Probe 5: Kreuzlingen, kalt 1 5= Probe 15: Kreuzlingen, kalt 6 = Probe 6: Kreuzlingen, heiss 1 6= Probe 16: Kreuzlingen, heiss 7 = Probe 7: Kreuzlingen, kalt 1 7= Probe 17: Kreuzlingen, kalt 8 = Probe 8: Kreuzlingen, heiss 1 8= Probe 18: Kreuzlingen, heiss 4.1 Übersicht Probe 1 Probe 2 Probe 3 Probe 4 Probe 5 Probe 6 Probe 7 Probe 8 Herkunft Kreuzlingen, kalt Kreuzlingen, heiss Siegershausen, kalt Siegershausen, heiss Ottoberg, kalt Ottoberg, heiss Weinfelden, kalt Weinfelden, heiss Probeentnahme Spez. Widerstand ph-wert NO3-Gehalt (mg/l) Wasserhärte ( fh) 20.09.2004, 15:00 25 7.7 10 13 53 20.09.2004, 15:00 25 7.8 10 13 52 20.09.2004, 16:00 32 7.5 30 31 124 20.09.2004, 16:00 32 7.6 30 30 120 20.09.2004, 17:00 27 7.4 40-50 35 140 20.09.2004, 17:00 27 7.3 50-60 31 124 20.09.2004, 18:00 21 7.5 40-50 36 144 20.09.2004, 18:00 21 7.3 40-50 34 136 Ca-Gehalt (mg/l) Probe 11 Probe 12 Probe 13 Probe 14 Probe 15 Probe 16 Probe 17 Probe 18 Kreuzlingen, kalt Kreuzlingen, heiss Siegershausen, kalt Siegershausen, heiss Ottoberg, kalt Ottoberg, heiss Weinfelden, kalt Weinfelden, heiss 22.09.2004, 07:45 35 7.9 10 15 60 22.09.2004, 07:45 40 8.0 10 14 56 22.09.2004, 07:15 28 7.5 30 32 128 22.09.2004, 07:15 30 7.6 30 33 132 22.09.2004, 06:45 22 7.4 40 35 140 22.09.2004, 06:45 19 7.5 30 32 128 22.09.2004, 06:30 22 7.5 30 30 120 22.09.2004, 06:30 22 7.4 30 28 112 6
4.2 Spezifischer Widerstand Abb. 1 Abb. 2 7
4.3 ph-wert Abb. 3 Abb. 4 8
4.4 NO 3- -Gehalt Alle Werte in mg NO 3- /l Abb. 5 gesetzlicher Grenzwert Abb. 6 gesetzlicher Grenzwert 9
4.5 Wasserhärte Alle Werte in fh. Abb. 7 Abb. 8 10
4.6 Ca-Gehalt Alle Werte in mg Ca/l. Abb. 9 Abb. 10 11
4.7 Lebendkeime Folgende Aussagen können zu den Lebendkeimen gemacht werden: Siegershausen hat die grösste Anzahl Lebendkeime Ottoberg hat die zweitgrösste Anzahl Lebendkeime Kreuzlingen folgt an dritter Stelle. Weinfelden hat am wenigsten Lebendkeime. 12
5 Diskussion 5.1 Spezifischer Widerstand Über den Spezifischen Widerstand lässt sich qualitativ der Ionengehalt der einzelnen Proben vergleichen. (Baumann, 2004) 3 Je geringer der Spezifische Widerstand desto mehr Ionen sind im Wasser enthalten, da die Ionen die elektrische Leitfähigkeit positiv beeinflussen. Ein Zusammenhang zwischen dem Calciumgehalt und dem Spezifischen Widerstand könnte hergestellt werden, da Calcium meist einen grossen Teil des Mineralgehalts ausmacht. (Abb. 1, 2, 9, 10) Da die verwendete Messmethode jedoch relativ ungenau war, lassen sich solche Aussagen jedoch nicht ohne weiteres auf die Realität anwenden. 5.2 ph-wert Der ph-wert der Proben lag zwischen 7,3 und 8, also leicht im basischen Bereich. Diese Werte liegen sehr wahrscheinlich in direktem Zusammenhang mit dem CaCO 3 -Gehalt: In der Atmosphäre enthaltenes Wasser verbindet sich mit Kohlendioxid zu Kohlensäure: H 2 O + CO 2 --> H 2 CO 3 Diese Kohlensäure kann sich in Wasserstoff- und Hydrogencarbonationen aufteilen: H 2 CO3 --> H + + HCO 3 - Trifft die im Regenwasser gelöste Kohlensäure auf kalkhaltiges Gestein auf, reagiert es teilweise zu Hydrogencarbonat und Calciumionen: H 2 CO 3 + CaCO 3 --> 2HCO 3 - + Ca 2+ (aq.) Die vorhin genannten Reaktionen befinden sich in einem Gleichgewicht. Steigt nun zum Beispiel die Temperatur, erleichtert dies die Umwandlung von Kohlensäure zu Wasser und Kohlendioxid. Somit sind weniger Wasserstoffionen im Wasser enthalten: höherer ph-wert. Gleichzeitig ist weniger Kohlensäure vorhanden, die mit Kalk reagieren kann; es wird deshalb weniger Kalk im Wasser gelöst. (Ming, 2004) 4 Genau dieser Effekt liess sich auch in den entnommenen Trinkwasserproben nachweisen. So hat beispielsweise das Kreuzlinger Trinkwasser mit dem niedrigsten Calciumcarbonatgehalt den höchsten ph-wert. Umgekehrt haben Proben mit einer hohen Wasserhärte (Kalkgehalt) einen relativ niedrigen ph-wert. (Abb. 3, 4, 9, 10) 5.3 Nitratgehalt Das Nitrat-Ion (NO 3- ) ist das Anion der Salpetersäure. Salze, die das Nitrat-Ion enthalten, werden als Nitrate bezeichnet. Nitrate sind in landwirtschaftlich eingesetzten Düngemitteln enthalten und können dadurch ins Grundwasser sickern und so ins Trinkwasser gelangen. Ein zu hoher Nitratgehalt im menschlichen Körper ist ungesund. Nitrat kann sich im Magen zu Nitrit und schliesslich zu Nitrosaminen umwandeln, welche krebserregend wirken können. In der Schweiz gilt deshalb ein gesetzlich festgelegter Grenzwert von 40 Miligramm Nitrat pro Liter Trinkwasser. (http://de.wikipedia.org & 13
http://wasserqualitaet.ch, 2004) 5 Erstaunlicherweise wurde vor allem in den Proben von Weinfelden und Ottoberg ein aussergewöhnlich hoher Nitratgehalt festgestellt, der bei einigen Messungen sogar über dem Grenzwert lag. (Abb. 5, 6) Nun stellt sich natürlich die Frage, weshalb dieser Wert so hoch war. Einerseits hat die verwendete Messmethode eine angenommene Messtoleranz von etwa 10mg/l; die Werte sind also mit Vorsicht zu geniessen. Andererseits wurde in der Landwirtschaft kürzlich stark gedüngt. Hinzu kam die Trockenheit der letzten Wochen. Das im Dünger enthaltenen Nitrat konnte somit mühelos im Boden versickern. Die Regenfälle der letzten Tage erleichterten dem Nitrat den Zugang zum Grundwasser und damit auch zum Trinkwasser (Weinfelden: 94% Grundwasser, Ottoberg:65% Grundwasser). (Ming 2004) 6 Um genauere und aussagekräftigere Resultate zu erhalten sollten mit einer präzisen Messmethode über eine längere Zeitperiode hinweg permanent die Nitratwerte gemessen werden. 5.4 Wasserhärte Die Wasserhärte beschreibt die Menge an Calciumcarbonat (Kalk) im Wasser. Die Wasserhärte steht unmittelbar mit dem Calciumgehalt im Zusammenhang. (http://www.wasserqualität.ch, 2004) 7 Das Trinkwasser aus Siegershausen, Ottoberg und Weinfelden hat eine relativ hohe Wasserhärte (siehe Abb); Kreuzlinger Wasser hingegen hat einen sehr tiefen Wert ergeben. (Abb 7, 8) 5.5 Ca-Gehalt Calcium ist ein unverzichtbares Mineral für den menschlichen Körper. Es wird für den Aufbau der Knochen und Zähne, die Blutgerinnung und die Muskeltätigkeit benötigt. (http://www.trinkwasser.ch, 2004) 8 Den durchschnittlich grössten Calciumgehalt erreichte das Ottoberger Trinkwasser, dicht gefolgt von Weinfelden und Siegershausen. Einzig Kreuzlingen wies einen unterdurchschnittlich tiefen Wert auf. Der Calciumgehalt ist proportional zur Wasserhärte. (Abb 7, 8, 9, 10) 5.6 Lebendkeime Die Probe von Siegershausen besass am meisten Keime. Danach folgten Ottoberg, Kreuzlingen und Weinfelden. Hierbei muss beachtet werden, dass diese Methode nur qualitative Vergleiche bezüglich der Menge der Lebendkeime zulässt. Und auch diese Vergleiche sind alles andere als präzise. Ebenso wenig wurde die genaue Art der Keime festgestellt. Um mehr Aussagen über die Keime zu machen, müssten präzisere Messmethoden angewandt werden. 14
5.7 Vergleich von See- Grund- und Quellwasser Wird der Wasserkreislauf betrachtet, so steht das Seewasser an letzter Stelle. Es besitzt deshalb auch weniger Calciumcarbonat, da sich ein grosser Teil schon aufgrund des Dichteunterschiedes zwischen Kalk und Wasser auf den Grund gesunken ist (Sedimentbildung). Kalk ist nur schwer löslich in Wasser. 5.8 Weiterführende Fragen Wie unterscheidet sich der Nitratgehalt im Trinkwasser über eine längere Zeitperiode (1Jahr) Abhängigkeit von der Landwirtschaft. Genauere Messmethoden wären vonnöten. Wie unterscheidet sich Trinkwasser von Mineralwasser? Wie unterscheidet sich das Trinkwasser verschiedener Ortschaften bezüglich anderer Mineralien wie zum Beispiel Magnesium, Sulfat, Natrium,... Weshalb hat das (Boden-)Seewasser eine geringe Wasserhärte im Vergleich zu Grundwasser? Wie wird See- Grund- und Quellwasser aufbereitet? 15
5 Literaturverzeichnis 1 http://www.trinkwasser.ch/dt/frameset.htm?html/trinkwasser/nav_tw.html~leftframe, 2004 http://www.trinkwasser.ch/dt/frameset.htm?html/trinkwasser/nav_tw.html~leftframe, 2004 2 Bührer, M. (2004): mündliche Mitteilung vom 20.09.2004, Kreuzlingen 3 Baumann (2004): mündliche Mitteilung vom 20.09.2004, Kreuzlingen 4 Ming, W. (2004): mündliche Mitteilung vom 22.09.2004, Kreuzlingen 5 http://de.wikipedia.org/wiki/nitrat, 2004 http://wasserqualitaet.ch/deutsch/pagesnav/frames.htm, 2004 6 Ming, W. (2004): mündliche Mitteilung vom 22.09.2004, Kreuzlingen 7 http://wasserqualitaet.ch/deutsch/pagesnav/frames.htm, 2004 8 http://www.trinkwasser.ch/dt/frameset.htm?html/trinkwasser/nav_tw.html~leftframe, 2004 Bild Titelseite: by Ralf Breitenbacher 16