Bericht der Arbeitsgruppe Chemische Gewässeruntersuchung

Mario Masius, Tatjana Noe und Nicole Weinkauf
 

Chemische Gewässeruntersuchung und Bestimmung der chemischen Gewässergüteklasse nach Bach am Beispiel Wingelsbach


 


Vorkenntnisse:

Viele Faktoren beeinflussen die Gewässergüte eines Fließgewässers. Die Bedingungen unterliegen periodischen und aperiodischen Veränderungen. Mit chemischen Methoden lassen sich daher nur Momentaufnahmen ermitteln. (Langzeitaussagen mit biologischen Gütebestimmungen) Der Nachteil der Momentaufnahme kann durch eine Wiederholung der Messungen in kürzeren Abständen oder durch eine größere Anzahl von Meßstellen an einem Fließgewässer ausgeglichen werden.

Die Untersuchung des Fließgewässers Wingelsbach wird im folgenden nach den Untersuchungsverfahren von Bach vorgenommen. Die dazu erforderlichen Parameter (Wassertemperatur, Sauerstoffgehalt [%], BSB5, pH-Wert, Nitrat-, Phopsphat- und Ammoniumgehalt) wurden im Verlauf der Versuchsreihe mit Hilfe von Schnellbestimmungssätzen ermittelt.

Im folgenden einige Informationen zu den verschiedenen Meßparametern (nach "Onlinehandbuch Fließgewässer": http://www.on-luebeck.de/~wmalm /wasser/wass46.html)
 

Der pH-Wert

Der optimale pH-Wert eines Gewässers beträgt 7,5 bis 8,5; er ist unter anderem abhängig von der pflanzlichen Produktion. Am Tag nehmen die Pflanzen CO2 auf. Da Kohlenstoffdioxid mit Wasser eine schwache Säure bildet steigt der pH-Wert folglich tagsüber und sinkt in der Nacht.

Vor allem Einleitungen von stickoxid- und schwefeldioxidhaltigen Verbindungen können zu gefährlich niedrigen pH-Werten führen. Hier spielen auch Niederschläge (sauerer Regen) eine Rolle.

Der pH-Wert hat außerdem eine große Bedeutung für die Konzentration des Fischgiftes Ammoniak. Dies bildet sich im Wasser aus dem Ammonium-Ion, das mit eiweißhaltigen Einleitungen in die Gewässer gelangt. Zwischen Ammonium und Ammoniak besteht ein pH-abhängiges Gleichgewicht: So liegt bei pH 7 nur
1 % des giftigen Ammoniaks vor, bei pH 10 jedoch 80%.
 

Der Nitratgehalt

Nitrat ist das Abbauprodukt des Eiweißabbaus im Wasser. In zwei Stufen wird vorhandenes oder eingeleitetes Ammonium zunächst bakteriell zu Nitrit und dann zu Nitrat abgebaut.

In hohen Konzentrationen fördert Nitrat das übermäßige Wachstum von Algen und trägt zur Eutrophierung bei. Bei Sauerstoffmangel besteht die Gefahr erhöhter Bildung des giftigen Zwischenproduktes Nitrit.

Ammonium und Nitrat gelangen durch Exkremente der Tiere, abgestorbene Pflanzenteile und Tierleichen in die Gewässer. Darüber hinaus wird die Konzentration an Nitrat aber auch durch Fäkaleinleitungen, Gülle und Düngemittel sowie durch Einleitungen aus Schlachthöfen, Nahrungsmittelbetrieben oder unzureichende Kläranlagen erhöht.
 

Der Phosphatgehalt

In natürlichen, gering belasteten Gewässern tritt anorganisch gelöstes Phosphat nur in Spuren auf, da Algen und Pflanzen es schnell aufnehmen und zusätzlich ein großer Teil im Boden festgelegt wird. Einmalige und kurzzeitige Phopsphateinträge müssen daher keine langanhaltende Wirkung auf das Gewässer haben. Die Produktion von pflanzlichem Plankton wird nur kurzzeitig angeheizt.

Ständige Phosphateinleitungen hingegen verursachen eine wachsende Produktion organischen Materials: Zunächst nehmen das Phytoplankton und das Zooplankton zu, dann steigt die Anzahl der Folgekonsumenten. Als Konsequenz nimmt auch die Zahl der abbauenden Bakterien zu. Die Abbauprozesse belasten den Sauerstoffhaushalt immer mehr, bis letztlich die Masse des abgestorbenen organischen Materials nicht mehr bewältigt werden kann und als Faulschlamm den Boden bedeckt.

Der natürlich Phosphateintrag spielt heute kaum noch eine Rolle. Die Verunreinigungen mit Phosphat beruhen vielmehr auf Erosion von Ackerböden, Einschwemmungen von Düngemitteln, Einleitung industrieller Abwässer, aber auch von Siedlungsabwässern. Selbst nach mechanischer und biologischer Reinigung in den Kläranlagen gelangen noch größere Mengen an Phosphat in die Gewässer. Deshalb findet heute in einer dritten Reinigungsstufe eine Phosphatfällung statt.
 

Der Ammoniumgehalt

Ammonium bzw. Ammoniak werden beim Abbau stickstoffhaltiger organischer Substanzen, vor allem Proteinen und Harnstoff gebildet. Diese können sowohl natürlich (Exkremente,...) oder auch vom Menschen ausgelöst (Düngung,... ) ins Gewässer gelangen.

Aufgrund der o.g. Folgen eines hohen pH-Wertes muß der Ammoniumgehalt immer in Verbindung mit anderen Meßparametern (pH-Wert, Temperatur) untersucht werden.
 

Der Sauerstoffgehalt

Sauerstoff gelangt auf zwei Wegen in den Wasserkörper: Durch relativ hohen Partialdruck des Sauerstoffs in der Atmosphäre diffundieren Sauerstoffmoleküle unterstützt durch Turbulenzen und niedrige Temperaturen in das Wasser. (Kalte und reißende Gebirgsbäche sind meist sauerstoffgesättigt). Zusätzlich gelangt der Sauerstoff durch die Photosynthese der Algen und Wasserpflanzen in das Gewässer.

Ein niedriger Sauerstoffgehalt in Gewässern wird wesentlich verursacht von Bakterien, die organische Stoffe abbauen. Wie bereits bei Beurteilung der anderen Faktoren angesprochen können diese Verunreinigungen sowohl natürlicher als auch anthropogener Herkunft sein: Abgestorbene Pflanzen und Tiere, Ausscheidung von Tieren, Einleitungen aus der Industrie,...

Ein zu niedriger Sauerstoffgehalt kann zur Vermehrung anaerob abbauender Baktierien führen. Diese bilden in Abbauprozessen giftige Produkte wie H2S,..., die sich als Faulschlamm am Boden absetzen.
 

Der Biochemische Sauerstoffbedarf

Der biochemische Sauerstoffbedarf ist ein Summenparameter für die Menge der bakteriell abbaubaren, organischen Substanzen in Wasser. Da Bakterien bei dem Abbau dieser Stoffe Sauerstoff verbrauchen, ist der gemessene Sauerstoffverbrauch ein Maß für die Belastung des Gewässers mit organischer Substanz. Er steht in enger Beziehung zum Sabrobiensystem der biologischen Gütebestimmung.
 

Die elektrische Leitfähigkeit

Die Leifähigkeit ist ein Maß für die Menge der gelösten Ionen im Wasser. Salzbelastungen treten bei Einleitungen von häuslichen Abwässern und bei Einschwemmungen nach Winterstreuungen auf. Als optimal können Werte von 200-300 ÀS/cm angenommen werden.
 

Die Temperatur

Der Mensch trägt durch Einleitungen warmer Abwässer sowie durch Beseitigung von schattenspendenden Busch- und Baumsäumen am Ufer zur Erwärmung der Fließgewässer bei. Auch Trübungen des Wassers bewirken durch Absorption der Sonnenwärme ein Temperaturerhöhung. Temperaturdifferenzen innerhalb eines Bachlaufs können auf solche Erwärmungen hinweisen.
 

Durchführung:

Am Montag, dem 18. Oktober 1999 wurden dem Wingelsbach direkt nach dem Kläranlageneinfluss und ca. 3 km hinter dem Kläranlageneinfluss 2 Proben entnommen. Diese wurden anschließend auf die folgenden Messparameter hin untersucht: pH-Wert, Nitrat, Orto-Phosphat, Ammonium, Sauerstoff, Leitfähigkeit und Temperatur. Der BSB 5-Wert konnte nicht ermittelt werden und wurde daher aufgrund der restlichen Versuchsergebnisse fiktiv festgelegt.

Den so ermittelten Versuchswerten wurden mit Hilfe einer Tabelle (aus: Amt für Schule Hamburg: Gewässer im Stadtteil. Das Umweltprojekt G.R.E.E.N. Hamburg 1994, S.9) entsprechende Indexwerte zugeordnet. Anschließend wurde der Gesamtindex durch unterschiedliche Gewichtung der einzelnen Faktoren bestimmt.
 

Versuchsergebnisse:

Tabelle 1:
 
 
Messparameter
hinter der Kläranlage
3 km hinter Kläranlage
pH-Wert
7,95
8,3
Nitrat [mg/l]
16,8
15,6
Orto-Phosphat [mg/l]
0,62
3,91
Ammonium [1/10 mg/l]
0,5
0,2
Sauerstoff [mg/l]
7,3
11,8
Sauerstoff [%]
85
97
Leitfähigkeit [m s/cm]
156,7
159,6
Temperatur [°C]
6,4
4,7

 

Auswertung:
 


 
 
 

1. Bestimmung der Gewässergüteklasse anhand des chemischen Indexes nach Bach.

Entsprechend der Methode von Bach  wurde der chemische Index (CI) wie folgt bestimmt:
 

Protokoll 1:

Wingelsbach am 18. Oktober 1999 (hinter der Kläranlage)
 
Gewässer: Wingelsbach   Messtelle: Nach der Kläranlage
Datum: 18.10.1999   Uhrzeit:  15:30
         
Witterung:        
Lufttemperatur: 8,3 °C   Niederschläge am Untersuchungstag:  
      Niederschläge in den letzen Tagen:  
         
Wasserkörper:        
Breite:  ca. 50 cm   Tiefe: ca. 10 cm
         
Beschattung:  Teilweise      
Pflanzen: Keine      
Sonstiges: Nein      
         
Ufer:        
Neigung: mäßig steil      
Bewuchs: Gras      
Ausbau: naturnah      
Einleiter: Keine      
         
Landschaft:        
Flussverlauf: Gerade      
Umgebung: Weisen und Weiden; Felder      
         
Messergebnisse:        
         
Parameter
Wichtung
Messung
Index*
Prozentuale Gewichtung
Temperatur [°C]
0,08
4,7
100
8
Sauerstoff [mg/l]  
7,3
   
Sauerstoff [%]
0,2
85
86
17,2
BSB-5 (fiktiv)
0,2
5
48
9,6
pH-Wert
0,1
7,95
81
8,1
Nitrat [mg/l]
0,1
16,8
49,5
4,95
Orto-Phosphat [mg/l]
0,1
0,41
58
5,8
Ammonium [mg/l]
0,15
0,05
95
14,25
Elektrische Leitfähigkeit [m S/cm]
0,07
156,7
100
7
     
Index (gesamt)
74,9

* Die Werte für den Index können auch bestimmt werden nach: http://www.on-luebeck.de/~wmalm/wasser/wass86.html
 

Der ermittelte Indexwert von 74,9 entspricht der Güteklasse I-II, d.h. der Bach ist gering belastet.
 
 

Protokoll 2:

Wingelsbach am 18. Oktober 1999 (ca. 3 km hinter der Kläranlage)
 
Gewässer: Wingelsbach   Messtelle: Nach der Kläranlage
Datum: 18.10.1999   Uhrzeit:  15:30
         
Witterung:        
Lufttemperatur: 8,3 °C   Niederschläge am Untersuchungstag:  
      Niederschläge in den letzen Tagen:  
         
Wasserkörper:        
Breite:  ca. 50 cm   Tiefe: ca. 10 cm
         
Beschattung:  Teilweise      
Pflanzen: Keine      
Sonstiges: Nein      
         
Ufer:        
Neigung: mäßig steil      
Bewuchs: Gras      
Ausbau: Naturnah      
Einleiter: Keine      
         
Landschaft:        
Flussverlauf: Gerade      
Umgebung: Weisen und Weiden; Felder      
         
Messergebnisse:        
         
Parameter
Wichtung
Messung
Index*
Prozentuale Gewichtung
Temperatur [°C]
0,08
6,4
100
8
Sauerstoff [mg/l]  
11,8
   
Sauerstoff [%]
0,2
97
100
20
BSB-5 (fiktiv)
0,2
3
76
15,2
pH-Wert
0,1
8,3
60
6
Nitrat [mg/l]
0,1
15,6
53
5,3
Orto-Phosphat [mg/l]
0,1
2,08
5
0,5
Ammonium [mg/l]
0,15
0,02
99
14,85
Elektrische Leitfähigkeit [m S/cm]
0,07
159,6
100
7
     
Index (gesamt)
76,85

* Die Werte für den Index können auch bestimmt werden nach: http://www.on-luebeck.de/~wmalm/wasser/wass46.html
 

Der ermittelte Indexwert von 76,85 entspricht ebenfalls der Güteklasse I-II, d.h. der Bach ist gering belastet.
 
 

2. Bewertung der Ergebnisse.

Die Werte für die Nährsalze Ammonium und Nitrat veranschaulichen die Selbstreinigungskraft des Baches. Durch den Sauerstoffeintrag im Laufe des Baches werden mehr Nährstoffe von Destruenten abgebaut. Die entstehenden Nährsalze werden von den Pflanzen aufgenommen. Die entsprechenden Werte nehmen daher mit dem Flußlauf ab.

Abweichend davon weisen die Werte für Phosphat auf einen hohen Eintrag von außen hin. Vermutet wird hier als Ursache die Düngung umliegender Maisfelder.

Somit werden die positiven Veränderungen der chemischen Indexwerte des Sauerstoffgehalts, der Nitrat- und der Ammoniumionenkonzentrationen durch die stark negative Veränderung der Indexwerte der Phosphationenkonzentration wieder kompensiert.
Trotzdem zeigt die Gewässergüteklasse I-II auf, dass der Bach (zumindestens in dieser Jahreszeit), von den chemischen Werten her gesehen, gering belastet ist.

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