4. Auflage 2017

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Print ISBN 978-3-527-34285-3

ePDF ISBN 978-3-527-80786-4

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Mobi ISBN 978-3-527-80789-5

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Inhaltsverzeichnis

Cover

Titel

Autor

Impressum

Vorwort zur vierten Auflage

1 Grundlagen

1.1 Maßeinheiten: Menge und Masse
1.2 Dezimalvorsilben
1.3 Reaktionstypen
1.4 Reaktionsgeschwindigkeiten und Hemmung von Reaktionen
1.5 Titration
1.6 Ionenbilanz
1.7 Aufbau eines Analysenformulars
1.8 Angabe von Analysenergebnissen
1.9 Angabe von Mischungsverhältnissen
1.10 Laboratorien, Analysenwerte, Grenzwerte
1.11 Umgang mit großen Datenmengen und s„Ausreißern“
1.12 Umgang mit Kundenreklamationen
1.13 Datenverarbeitung, Datensicherung

2 Wassertypen, Identifizierung von Wässern

2.1 Destilliertes (vollentsalztes) Wasser
2.2 Regenwasser
2.3 See- und Talsperrenwasser
2.4 Grundwasser
2.5 Flusswasser
2.6 Wasser in Wasserwerken
2.7 Wasser in Hallenbädern
2.8 Abwasser
2.9 Meerwasser
2.10 Mineralwässer, Quellwässer, Tafelwässer, Heilwässer
2.11 Lagerstättenwasser
2.12 Identifizierung von Wässern
2.13 Sonstige, spezielle Wässer

3 Physikalische, physikalisch-chemische und allgemeine Parameter

3.1 Temperatur
3.2 Elektrische Leitfähigkeit
3.3 pH-Wert, Säure und Lauge in der Umwelt
3.4 Sauerstoff
3.5 Kohlenstoffdioxid
3.6 Geruch und Geschmack
3.7 Färbung
3.8 Trübung
3.9 Redoxspannung
3.10 Aufgegebene Parameter (Abdampfrückstand, Glührückstand)

4 Anorganische Wasserinhaltsstoffe, Hauptkomponenten

4.1 Erdalkalimetalle, Härte
4.2 Alkalimetalle
4.3 Eisen und Mangan
4.4 Anionen (außer Nitrit und Nitrat)
4.5 Stickstoff und Stickstoff ver bindungen
4.6 Chemische Verschmutzungsindikatoren

5 Anorganische Wasserinhaltsstoffe, Spurenstoffe

5.1 Datenbasis
5.2 Mobilisierungs- und Immobilisierungsprozesse
5.3 Parameter

6 Organische Wasserinhaltsstoffe

6.1 Allgemeines
6.2 Substanzen, die aus Molekülen einheitlicher Beschaffenheit bestehen
6.3 Refraktäre Substanzen
6.4 Organische Wasserinhaltsstoffe, Parameter
6.5 Methan (Gärung und Faulung)

7 Calcitsättigung

7.1 Einführung
7.2 Kohlensäure
7.3 Rolle des Calciums
7.4 Beurteilung eines Wassers im Hinblick auf die Calcitsättigung
7.5 Analysenangaben
7.6 Grenzwert
7.7 Ausschlusskriterien
7.8 Beeinflussung des Sättigungszustandes
7.9 Bedeutung der Calcitsättigung

8 Mikrobiologische Parameter und Desinfektionsmittel

8.1 Bakteriologische Verschmutzungsindikatoren, Hygiene
8.2 Desinfektionsmittel

9 Radioaktivität

9.1 Vorbemerkung
9.2 Allgemeines
9.3 Radioaktive Spaltprodukte
9.4 Aktivierungsprodukte, Tritium
9.5 Maßeinheiten
9.6 Daten
9.7 Erfahrungen
9.8 Grenzwerte
9.9 Gefährdungssituation in der Bundesrepublik

10 Chronik der gesetzlichen Rahmenbedingungen

10.1 Rechtlicher Rahmen
10.2 Entwicklung

Anhang A: Tabellenanhang

Anhang B: Analysenanhang

Abkürzungsverzeichnis und Glossar

Literatur

Sachverzeichnis

Wiley Endbenutzer-Lizenzvereinbarung

List of Tables

1 Grundlagen

Tab. 1.1 Ausnahmeregelungen und Zusatzforderungen nachden Fassungen der Trinkwasserverordnung von 1975 bis 2013.
Tab. 1.2 Parameter von Kundenreklamationen in Prozent. Anzahl der im Testzeitraum erfassten Reklamationen: 1732; Anzahl der erfassten Parameternennungen: 2070.

2 Wassertypen, Identifizierung von Wässern

Tab. 2.1 Schwefeldioxidemissionen aus der Verbrennung fossiler Energieträger in Baden-Württemberg seit 1980, Angabe in 1000 t (nach einer Internetpräsentation des Statistischen Landesamtes Baden-Württemberg).
Tab. 2.2 Stickoxidemissionen, sonst entsprechend Tab. 2.1.
Tab. 2.3 Daten zur Beschaffenheit von Regenwasser (Konzentrationen in mg/l).
Tab. 2.4Bemessungsgrößen des Abwasserabgabengesetzes in der Fassung vom 18.01.2005, zuletzt geändert am 11.08.2010 (ohne Schwermetalle).
Tab. 2.5 Bemessungsgrößen des Abwasserabgabengesetzes in der Fassung vom 11.08.2010 und der Klärschlammverordnung vom 24.02.2012 für Schwermetalle (Schadeinheiten; Schwellenwertkonzentration; Schwellenwertjahresmassen; Bodenrichtwerte und Klärschlammrichtwerte, jeweils für leichte Böden in mg/kg Trockensubstanz).
Tab. 2.6 Höchstgehalte an natürlich vorkommenden Bestandteilen in natürlichem Mineralwasser nach der Mineral- und Tafelwasserverordnung vom 01.08.1984, zuletzt geändert am 22.10.2014.
Tab. 2.7 Anwendungsgebiete für Heilwässer und Konzentrationsrichtwerte (Deutsche Heilbrunnen im Verband Deutscher Mineralbrunnen, Bonn – Angaben gekürzt).

3 Physikalische, physikalisch-chemische und allgemeine Parameter

Tab. 3.1 pH-Orientierungswerte.
Tab. 3.2 Zusammensetzung von Biomasse und Kohle (%).

4 Anorganische Wasserinhaltsstoffe, Hauptkomponenten

Tab. 4.1 Löslichkeiten der Sulfate, Hydroxide und Carbonate der Erdalkalien bei Raumtemperatur (Holleman und Wiberg, 1995).
Tab. 4.2 Härtebereiche nach dem Wasch- und Reinigungsmittelgesetz vom 01.02.2007.
Tab. 4.3 Halbwertszeiten der Eisen(II)-Oxidation in sauerstoffhaltigem Wasser in Abhängigkeit vom pH-Wert.
Tab. 4.4 Elementgehalte der Manganknollen (Mittelwerte der Masseprozente der Trockensubstanz) nach Ottow (1982).
Tab. 4.5 Korrosions- und Aufeisenungsraten nach Wagner et al. (1985), die Angaben „niedrig“ und „hoch“ beziehen sich auf den Neutralsalzgehalt.
Tab. 4.6 Sulfatanlieferung an das Grundwasser im Fuhrberger Feld nach Strebel und Renger (1982).
Tab. 4.7 Charakterisierung von Böden nach ihren Gehalten an Humus und organischem Stickstoff nach Rohmann und Sontheimer (1985).
Tab. 4.8 Stoffwechsel des Menschen und resultierende Konzentrationen chemischer Verschmutzungsindikatoren.

5 Anorganische Wasserinhaltsstoffe, Spurenstoffe

Tab. 5.1 Nickeldepots und potenzielle Nickelmobilisierung in Niedersachsen, Quellen:Lockergesteine: Tab. A.7, alle anderen: NLfB (2000).
Tab. 5.2 Vergiftungen: Anzahl der Treffer im Internet bei der Eingabe der nachstehend angegebenen Suchbegriffe am 17.11.2012 (Mittelwerte aus den Ergebnissen von je zwei Suchmaschinen mit ähnlicher Trefferzahl).
Tab. 5.3 Anteil verschiedener Emittenten an der gesamten anthropogenen Quecksilberemission (verschiedene Quellen, zitiert nach Riethmann, 2013).

6 Organische Wasserinhaltsstoffe

Tab. 6.1 Charakterisierung von Wässern durch pauschale organische Parameter (Beispiele).
Tab. 6.2 Konzentrationen von Iopromid und Iopamidol in Proben aus Oberflächengewässern.
Tab. 6.3 Belastung der Bevölkerung mit dem Weichmacher Diethylhexylphthalat (DEHP). Angaben als Mediane bzw. medianbasierte Werte. Aufnahme in Mikrogramm pro Kilogramm Körpergewicht und Tag (μg/(kg KG d)).
Tab. 6.4 Abbaureaktionen. Die Reaktionen beziehen sich auf die standardisierte Formel CH₂O für Kohlenhydrate, die Energieumsätze auf jeweils ein Redoxäquivalent (Stumm und Morgan, 1996).

7 Calcitsättigung

Tab. 7.1 Reaktionsprodukte und resultierender pH-Wert beim Auflösen von je 1 mmol CO₂ (44 mg) bzw. SO₃ (80 mg) in 1l Wasser (10 °C).
Tab. 7.2 Rechenergebnisse zur Calcitsättigung, berechnet nach DIN 38404-10, Rechenverfahren 3, und nach PHREEQC, Version 2.15.0. Berechnung (wenn nicht anders angegeben) mit K_S4,3 und pH(T).

9 Radioaktivität

Tab. 9.1 Dosimetrische Größen und Einheiten (in Anlehnung an das Skriptum „Gammastrahlungsdosis- und Dosisleistungsbestimmung“ des Instituts für Energietechnik der Technischen Universität Dresden).
Tab. 9.2 Konzentrationsbereiche natürlicher Radionuklide in verschiedenen Wasservorkommen in mBq/l = Bq/m³ (nac hdem DVGW-Merkblatt W 253).
Tab. 9.3 Anlage 3a der Trinkwasserverordnung vom 18. November 2015: Anforderungen an Trinkwasser in Bezug auf radioaktive Stoffe, Teil I: Parameterwerte für Radon-222, Tritium und Richtdosis.
Tab. 9.4 Referenzaktivitätskonzentrationen für radioaktive Stoffe im Trinkwasser.

Anhang A: Tabellenanhang

Tab. A.1 Relative Atom- und Molekülmassen.
Tab. A.1 Fortsetzung.
Tab. A.2 Umrechnungsfaktoren.
Tab. A.3 Äquivalentleitfähigkeiten Λ_∞ (10⁻⁴ S m² mol⁻¹) für unterschiedliche Ionen (i) und 25 °C (nach Freier, 1984).
Tab. A.4 Sauerstoffkonzentration von luftgesättigtem Wasser im Gleichgewicht mit wasserdampfgesättigter Luft (mg/l).
Tab. A.5 (verschoben auf die Website) Zu vorliegender Karbonathärte in °dH zugehörige Kohlensäure in mg/l (CO₂) und entsprechender pH-Wert nach Tillmans und Heublein (1912).
Tab. A.6 (historisch!) Wasserhärte, Definitionen und Umrechnungen.
Tab. A.7 Ergebnisse der Untersuchung von Aquifer – Material auf Stoffdepot – Komponenten im Rahmen des Geochemischen Begleitprogramms zum Ausbau des Niedersächsischen Landesmessnetzes Grundwasserbeschaffenheit (Kölle, 1996, 1999) im Vergleich zum „Krustenmittel“ nach Mason und Moore (1985).
Tab. A.10 Geruchsschwellenkonzentrationen (GSK) unterschiedlicher Substanzen.

List of Illustrations

1 Grundlagen

Abb. 1.1 Beispiele für Häufigkeitsverteilungen.
Abb. 1.2 Bearbeitung von Häufigkeitsverteilungen im Wahrscheinlichkeitsnetz.

2 Wassertypen, Identifizierung von Wässern

Abb. 2.1 Ermittlung der Zusammensetzung eines Mischwassers im Dreiecksdiagramm.

3 Physikalische, physikalisch-chemische und allgemeine Parameter

Abb. 3.1 Temperaturverlauf des Leinewassers, a) Zeitreihe; in b) sind die Temperaturverläufe von jeweils einem Jahr übereinandergezeichnet.
Abb. 3.2 Temperaturänderungen bei der Wasserentnahme in Hausinstallationssystemen, (a) Privatwohnung, (b) Hochschulinstitut.
Abb. 3.3 Titrationskurven.
Abb. 3.4 Anstieg des CO₂-Gehaltes der Atmosphäre im Zeitraum von 1800 bis 2007.
Abb. 3.5 E_h/pH-Diagramm der Redoxspannungsbereiche mit Nitrat- und Sulfatreduktion im Grundwasser des Fuhrberger Feldes und Stabilitätslinien verschiedener wichtiger Wasserinhaltsstoffe, nach Böttcher et al. (1985), mit freundlicher Genehmigung des Autors.

4 Anorganische Wasserinhaltsstoffe, Hauptkomponenten

Abb. 4.1 Kaliumkonzentrationen in Brunnenwässern im Fuhrberger Feld.
Abb. 4.2 Eisenkonzentrationen deutscher Grundwässer, aufgetragen gegen das jeweilige Jahresfördervolumen.
Abb. 4.3 Modellvorstellung zur Rolle von gelöstem Eisen(II) in der Natur (Bildung von Eisen(III)-oxidhydrat durch natürliche Verlagerungsprozesse).
Abb. 4.4 Reaktionsschemata für die Denitrifikation durch Eisendisulfid bzw. für die Mobilisierung von Eisen(II) durch den oxidierenden Einfluss von Nitrat.
Abb. 4.5 Prozentuale Eisenausbeute der Denitrifikation in Abhängigkeit von der Säurekapazität bis pH 4,3.
Abb. 4.6 Mangankonzentrationen deutscher Grundwässer, aufgetragen gegen das aufsummierte Jahresfördervolumen.
Abb. 4.7 Verhalten von Ammonium und Mangan bei der Uferfiltration im Wasserwerk Düsseldorf-Flehe nach Tacke und Bayer (1998) und Schullerer et al. (1998).
Abb. 4.8 Korrelation zwischen Mangan und Sulfat im Wasser des Brunnens 4 des Wasserwerks Fuhrberg (die eingefügten Jahreszahlen geben einen Eindruck von den Konzentrationsschwankungen).
Abb. 4.9 Änderung der Chloridfracht des Rheins im zeitlichen Verlauf und entlang der Fließstrecke nach Schullerer et al. (1998).
Abb. 4.10 Verlauf der Chloridkonzentration in der Leine.
Abb. 4.11 Korrelation zwischen Chlorid und Magnesium in der Leine.
Abb. 4.12 Korrelation zwischen Chloridkonzentration von Grundwässern und dem Anteil landwirtschaftlich genutzter Flächen in Prozent des Einzugsgebietes.
Abb. 4.13 Verlauf der Chloridkonzentration entlang einer Brunnenreihe im Fuhrberger Feld.
Abb. 4.14 Schema eines Korrosionsproduktes von Graugussleitungen, das innerhalb einer spröden Schale nur Eisen(II)-chlorid enthielt.
Abb. 4.15 (a) Verlauf der Phosphatkonzentration in der Leine (Jahresmittelwerte), (b) Verlauf der mikrobiellen und der Phosphat-P-Belastung des Zürichsees (gleitendes Mittel) nach Forster und Gammeter (1999).
Abb. 4.16 Versuch einer Korrelation der Braunkohlekonzentration im Grundwasserleiter mit der Phosphatkonzentration im Grundwasser.
Abb. 4.17 Ammoniumbelastung der Leine bei Laatzen-Grasdorf seit 1968.
Abb. 4.18 Abhängigkeit der Ammoniumkonzentration vom landwirtschaftlichen Einfluss (hier Sulfatgehalt) im Grundwasser im Bereich der Brunnen 1 und 4 des Wasserwerks Fuhrberg.

5 Anorganische Wasserinhaltsstoffe, Spurenstoffe

Abb. 5.1 Metallkonzentrationen aus dem geochemischen Begleitprogramm für den Ausbau des Niedersächsischen Landesmessnetzes Grundwasserbeschaffenheit, Konzentrationsbereich 0,001–1000mg/kg.
Abb. 5.2 Wie Abb. 5.1, Konzentrationsbereich 0,1–100000 mg/kg.
Abb. 5.3 Trennung von Eisen und Nickel durch eine natürliche Abfolge unterschiedlicher Redoxbedingungen (Schema).
Abb. 5.4 Konzentration von gelöstem Aluminium in Abhängigkeit vom pH-Wert (Löslichkeitskurve).
Abb. 5.5 Benzinabsatz in der Bundesrepublik und die auf der Verbrennung von verbleitem Benzin beruhende Bleiemission nach von Storch et al. (2000) (mit freundlicher Genehmigung der Autoren).
Abb. 5.6 Prozentuale Beiträge der Metalle Zink, Nickel und Cobalt an der Gesamtbelastung von Wasserproben mit diesen drei Metallen.
Abb. 5.7 Gesamtzinkgehalt im Rhein bei Bimmen/Lobith (Grenze D/NL) nach Malle (1992).

6 Organische Wasserinhaltsstoffe

Abb. 6.1 Huminstoffkonzentration deutscher Grundwässer, aufgetragen gegen das jeweilige Fördervolumen.
Abb. 6.2 Organische Belastung der Leine bei Laatzen-Grasdorf seit 1969.
Abb. 6.3 Periodische Schwankungen der organischen Belastung der Leine.
Abb. 6.4 Anstieg der Sulfatkonzentration und gegenläufige Erniedrigung der organischen Belastung als Kaliumpermanganatverbrauch (mg/l KMnO₄) am Brunnen 3 des Wasserwerks Fuhrberg der Stadtwerke Hannover AG.

7 Calcitsättigung

Abb. 7.1 Der anorganische Kohlenstoff in Abhängigkeit vom pH-Wert nach Sontheimer et al. (1980).
Abb. 7.2 Calcitsättigungskurve.
Abb. 7.3 Beurteilung der Abweichung eines Wassers von der Calcitsättigung.
Abb. 7.4 Mögliche Abweichungen der Calcitsättigung von den Ausgangsbedingungen durch Änderung von Parametern der Wasserbeschaffenheit.
Abb. 7.5 Gleichgewichts-pH-Wert in Abhängigkeit von der Säurekapazität bis pH 4,3 und der Calciumkonzentration für 10 °C (Daten aus Tab. 1 in Grohmann, 1991).
Abb. 7.6 Calcitlösekapazität in Abhängigkeit von der Konzentration an überschüssigem CO₂ und der Säurekapazität bis pH 4,3.
Abb. 7.7 Auswirkungen von 22,6 mg/l organischem Stickstoff (entsprechend 100 mg/l Nitrat) im neu gebildeten Grundwasser auf die Calcitsättigung in einem reduzierenden, kalkhaltigen Grundwasserleiter.

8 Mikrobiologische Parameter und Desinfektionsmittel

Abb. 8.1 Absterberate fäkaler Keime nach Carlson (1986).
Abb. 8.2 Warmwassertemperatur in vom Autor benutzten Hotels (Messung nach Erreichen der Temperaturkonstanz).

9 Radioaktivität

Abb 9.1. Nuklidkarte

Vorwort zur vierten Auflage

Nichts ist beständiger als der Wandel. Mit der vierten Auflage wird das Buch „Wasseranalysen – richtig beurteilt“ erneut aktualisiert. Die vier Auflagen spiegeln über einen Zeitraum von 15 Jahren sowohl die Entwicklung des Buches, als auch des Sachgebietes wider. Diese Entwicklung kann anhand der Vorworte für die Auflagen 1 bis 3 (die inzwischen auf die Website verschoben worden sind) nachvollzogen werden. Darüber hinaus geben die Vorworte auch Auskunft darüber, wem der Autor zu Dank verpflichtet war und auch heute noch ist.

In der vierten Auflage beziehen sich die Hinweise auf die Trinkwasserverordnung nun auf die aktuellen Fassungen vom August 2013 und danach, nachdem in der dritten Auflage auf den Referentenentwurf zur Fassung der Trinkwasserverordnung vom Mai 2011 Bezug genommen werden musste. Soweit möglich wurden alle Wasserqualitätsparameter nicht nur nach Maßgabe der Grenzwerte nach der Trinkwasserverordnung beurteilt, sondern auch im Hinblick auf die Zielwerte nach dem Europäischen Fließgewässermemorandum bewertet.

Gründlich überarbeitet wurden auch die Bilderserien und die Erläuterungen dazu auf der Website. Dort sind auch Hilfsmittel verfügbar wie z.B. Wahrscheinlichkeitsnetze. Die Internet-Adresse lautet: www.wiley-vch.de/home/wasseranalysen.

Im Text waren zahlreiche Aktualisierungen erforderlich. Besonders weitreichend waren sie in den folgenden Kapiteln:

Organische Wasserinhaltsstoffe (Kap. 6): Die Fortschritte der Analysentechnik führen dazu, dass immer mehr neue Substanzklassen in den Gewässern gefunden werden. Mit elf neu aufgenommenen Parametern wird dieser Tatsache Rechnung getragen.

Berechnung der Calcitsättigung (Kap. 7): Die Rechenmethode zur Berechnung der Calcitsättigung nach DIN 38404-10 ist im Dezember 2012 überarbeitet worden. Ausführlich erörtert wird die aktualisierte Rechenmethode anhand der Softwareprodukte CAS 4.2 von Klaus Johannsen, Hamburg-Harburg, WinWASI 5.0 der Firma Bieser und Partner, Bensheim und dem Online-Rechenmodul „Kalk-Kohlensäure-Gleichgewichts-Berechnung“ des Technologiezentrums Wasser, Karlsruhe. Ebenfalls getestet wurde das thermodynamische Rechenprogramm PHREEQC. Anhand der Analysen aus dem Analysenanhang wurden die Rechenergebnisse verglichen.

Radioaktivität (Kap. 9): Mit der Fassung der Trinkwasserverordnung vom November 2015 wurde die Bewertung radioaktiver Stoffe aktualisiert. Die Bewertungsmethode wird ausführlich und anhand von vier Tabellen wiedergegeben.

Der Autor dankt an dieser Stelle den Herren PD Dr. Klaus Johannsen und Dipl.-Ing. Rüdiger Böckle für die Überlassung der von ihnen entwickelten Softwareprodukte zur Berechnung der Calcitsättigung. Nicht zuletzt dankt er seinem Freund und ehemaligen Kollegen Herrn Dr. Bernd Schneider, der – wie immer – wertvolle Hinweise gegeben hat.

Hannover, Januar 2017

Walter Kölle

WILEY ENDBENUTZER-LIZENZVEREINBARUNG

Wasseranalysen – richtig beurteilt

Grundlagen, Parameter, Wassertypen, Inhaltsstoffe,

Vorwort zur vierten Auflage