2.1 Inhaltsstoffe natürlicher Wässer im Überblick

In natürlichen Wässern können Stoffe gelöst, suspendiert oder als kolloidal gelöst sein. Die wichtigsten Inhaltsstoffe zeigt Tabelle 2.1:

Tab. 2.1:  Wichtige Inhaltsstoffe in natürlichem Wasser

Elektrolyte

Anionen

Kationen
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

2.2 Chemismus / Ionenhaushalt des Wassers
 

Der natürliche Gehalt an Ionen und polaren Molekülen des Wassers ist neben Schadstoffen, Nährstoffen sowie dem Partikel- und Organismengehalt ist ein qualitätsbestimmendes Merkmal. Dabei ist nicht nur der gesundheitliche Wert dieser Inhaltsstoffe oder deren Wirkung auf Ökosysteme von Bedeutung, sondern auch deren Einfluß auf die Wasserqualität im Hinblick auf das Verhalten gegenüber Materialien und Werkstoffen. Die entsprechend der natürlichen Herkunft des Wassers vorhandenen Hauptinhaltsstoffe umfassen vor allem die Kationen und Anionen, welche überwiegend geogenen Ursprungs sind, sowie gelöste Gase.

Tab. 2.2:  Häufige und wichtige, in natürlichem Wasser vorkommende An- und Kationen

Kationen	Anionen
Natrium (Na+)  Calcium (Ca2+) Kalium (K+) Magnesium (Mg2+)	Hydrogenkarbonat (HCO3-)  Chlorid (Cl-)  Nitrat (NO3-)  Sulfat (SO42-)

Diese anorganischen Inhaltsstoffe liegen in Konzentrationen von einigen zehn bis hundert mg/l vor, während die Summe aller organischen Verbindungen in natürlichen Wässern meist nur nur einige wenige mg/l beträgt.

Ionen-
haushalt
 
 
 
 
 
 
 

Die gelösten Wasserinhaltsstoffe sind in eine Vielzahl von chemischen Reaktionen eingebunden. Durch die Wechselwirkung mit anderen Stoffen sowie im Kontakt mit anderen Phasen (Atmosphäre, Untergrund) laufen bereits auf chemischem Weg umfangreiche Stoffumsatzprozesse und Veränderungen ab.

• Lösungs- und Fällungsreaktionen an der Phasengrenze Wasser / Feststoff

• Austausch von Gasen an der Phasengrenze Wasser /Atmosphäre

• Gleichgewichtsreaktionen zwischen Säuren und Basen im Wasser

• Redoxreaktionen im Wasser

2.3. Grundlagen des Kalk-Kohlensäuregleichgewichts

 
Das Kalk-Kohlensäuregleichgewicht bestimmt, wie sich das Wasser gegenüber metallischen und vor allem zementhaltigen Werkstoffen sowie gegenüber Mineralien verhält. Nach [Trinkwasserverordnung] darf der pH-Wert von Trinkwasser nicht unter dem pH-Wert der Calciumcarbonatsättigung liegen (Schwankungen bis 0,2 pH-Einheiten bleiben unberücksichtigt). Sehr weiche Wässer unserer Mittelgebirge müssen deshalb geringfügig aufgehärtet werden. Kohlensäurehaltiges Wasser muss aus diesem Grund entsäuert werden.

Kohlensäure wird im Wasser nicht nur als Gas gelöst, sondern auch hydratisiert. Der vorliegende pH-Wert bestimmt, bis zu welcher Stufe die Kohlensäure dissoziiert:

Bei pH 8 liegen fast ausschließlich Hydrogencarbonationen (HCO₃^-) vor. Im stärker alkalischen Bereich überwiegen mehr und mehr Karbonationen (CO₃^2-), während bei sehr niedrigen pH-Werten vorrangig Kohlensäure (H₂CO₃) und freies CO₂ vorliegen. Kohlensäure bildet mit Erdalkali- und Alkalimetallen schwerlösliche Salze, wobei dabei dem Calcium eine bedeutende Rolle zukommt. Das Kalk-
Kohlensäuregleichgewicht wird in folgender Gleichung beschrieben:

Gl. 1: Das Kalk-Kohlensäuregleichgewicht

Um dieses Gleichgewicht aufrecht zu erhalten, muß immer eine kleine Menge Kohlensäure vorhanden sein ("zugehörige Kohlensäure"). Wird dem System Kohlensäure entzogen (Photosynthese, Erhitzen), fällt schwerlösliches Calziumcarbonat aus (Seekreide, Kesselstein). Wird dem System jedoch Kohlensäure zugeführt (Atmung), kann wieder Calciumcarbonat gelöst werden, was beim Einsatz von zementgebundenen Werkstoffen zu Problemen führt.
 

Abhängig von der jeweiligen geologischen Formation kommen in der Natur sehr unterschiedliche Wassertypen mit unterschiedlichem Chemismus vor. Extrem weiche Wässer (el. Leitfähigkeit unter 200 µS/cm) stammen oft aus Urgestein- (Basalt, Granit, Porphyr) und Bundsandstein-Einzugsgebieten. Diese Wässer sind in der Regel kalklösend und metallaggressiv. Es kommt beispielsweise zum Herauslösen von Aluminium aus dem Untergrund. Wasser mit höherer elektrischer Leitfähigkeit (1000  µS/cm) kann ebenfalls noch kalklösend sein, wenn mehr Kohlensäure als die "zugehörige Kohlensäure" im Wasser gelöst ist ("= aggressive Kohlensäure"). Grundwasser, welches nach ausreichender Verweilzeit in Kontakt mit kalkhaltigem Gestein (Muschelkalk) steht, befindet sich meist im Zustand der Calcitsättigung. Bei der Förderung dieser Wässer und vor allem beim Erhitzen kann die zugehörige Kohlensäure entweichen, es folgt Calcitabscheidung (Gl. 1: Kalk-Kohlensäuregleichgewicht).

2.4 Puffervermögen

 
Das Kalk-Kohlensäuregleichgewicht ist entscheidend dafür verantwortlich, wie gut das Wasser vor allem gegenüber Säureeinträgen gepuffert ist, d. h., wie gut H⁺ und OH^- - Ionen aufgenommen werden können, ohne dass sich der pH-Wert wesentlich ändert. Zur Beschreibung der Pufferkapazität werden folgende Kriterien benutzt:

K_{S 4,3} - Säurekapazität bis pH 4,3 und K_{B 8,2} - Basekapazität bis pH 8,2

Die Säurekapazität bis pH 4,3 entspricht bei Wässern unter pH 8,2 weitestgehend der HCO3--Konzentration, während die Basekapazität näherungsweise dem CO2-Gehalt gleichzusetzen ist.

Kalkarme Seen sind nur schwach gepuffert und oft schwach sauer. Sie reagieren auf Säurezufuhr von außen (schweflige Säure, Schwefelsäure und Salpetersäure im "sauren Regen") mit pH-Absenkung. Wenn jedoch durch PhotosyntheseCO₂ entzogen wird, kann der pH-Wert ansteigen. In kalkhaltigen Gewässern hingegen verschiebt sich das Gleichgewicht (Gl. 1) bei CO2-Entzug zum CaCO3, wobei CO2 nachgeliefert wird. Dadurch kann der pH-Wert so lange stabil bleiben, bis alles CO2 verbraucht ist. Natürlich bedingt niedrige pH-Werte weisen oft Quellen auf, die im Einzugsgebiet Schieferformationen aufweisen (Pyritverwitterung) sowie durch huminstoffreiche Zuflüsse (Hochmoore) geprägt sind.

2.5  Werkstoffe
 

Für ingenieurtechnische und wasserbauliche Maßnahmen kommt der Auswahl von Metall- und Betonwerkstoffen für Bauwerke sowie für Leitungen und Armaturen im Hinblick auf die Wasserqualität eine große Bedeutung zu. Zur Sicherung der  Betriebssicherheit und der geforderten Wasserqualität, welche durch die Werkstoffe beeinflußt wird, muß das korrossionschemische Verhalten des Wassers bekannt sein. Für die Beurteilung dieser physikalisch-chemischen Wasserbeschaffenheit werden alle wichtigen Gleichgewichtsreaktionen berücksichtigt. Hierzu werden die in Tab. 2.4  dargestellten Beurteilungsgrößen ermittelt. Aus diesen, auf labortechnischem Weg bestimmten Parametern können dann über verschiedene Rechenprogramme die erforderlichen Beurteilungsgrößen wie Sättigungs-pH-Wert, Pufferungsintensität sowie die Calcitlöse- und -abscheidekapazität errechnet werden, die aus Normen und Regelwerken für die jeweiligen Werkstoffe entnommen werden können [DIN-Vorschriften].

Tab. 2.4: Parameter zur Bewertung der phys.-chemischen Wasserbeschaffenheit
 

Kriterium	Einheit
Entnahmetemperatur	°C
pH-Wert bei T	ohne (°C)
Calcium	mg/l
Magnesium	mg/l
Natrium	mg/l
Kalium	mg/l
Chlorid	mg/l
Sulfat	mg/l
Nitrat	mg/l
Phosphat gesamt	mg/l
Sauerstoff	mg/l
Kohlensäure	mg/l
Säurekapazität bis pH 4,3	mmol/l
Basekapazität bis pH 8,2 bei T	mmol/l ( )

Für einen detaillierten Einstieg in den Chemismus der Wechselwirkungen Material / Werkstoff wird auf [DVGW, Wasserchemie für Ingenieure] verwiesen, da im Rahmen dieses Grundlagenwerks nur auf die wichtigsten Fakten eingegangen werden kann:
 

Bei metallischen Werkstoffen stehen die Fragen der Korrosion im Vordergrund. Häufig eingesetzte Materialien sind eisengebundene Werkstoffe, verzinkter Stahl, Kupferwerkstoffe und Blei.

Der Einsatz unlegierter Eisenwerkstoffe führt häufig zu Rostwasserproblemen, vor allem in Rohrleitungen mit langen Verweilzeiten. Erhöhte Neutralsalzgehalte, sowie die Chlorid-, Sulfat- und Hydrogenkarbonatkonzentrationen bestimmen wesentlich die Beständigkeit dieser Werkstoffe gegenüber Wasser. Die Beurteilung der Korrosionswahrscheinlichkeit dieser Werkstoffe sowie Korrosionsschutzverfahren werden in [DIN 5030, Teile 2 und 8] beschrieben.

Für Armaturen im Wasserbau ist der Einsatz von verzinktem Stahl von großer Bedeutung. Die Lösung von Zink ist in erster Linie eine Funktion des pH-Wertes. Niedrige pH-Werte führen vor allem bei längerer Stagnationszeit des Wassers zu einer Erhöhung der Zinkkonzentration im Wasser. Die Beurteilung der Korrosionswahrscheinlichkeit dieser Werkstoffe sowie Korrosionsschutzverfahren werden in [DIN 5030, Teile 3 und 8] beschrieben.

Kupfer und Kupferwerkstoffe sind überwiegend in Hausinstallationen von Bedeutung. Hier kommt ebenfalls dem pH-Wert die entscheidende Rolle zu. Neben der Bedeutung in der Trinkwasserversorgung [TrinkwVO] ist Kupfer als ökotoxikologisch hochwirksam einzuschätzen. Die Beeinträchtigung von Fischen, Fischnährtieren und Pflanzen (Algen) ist bereits in Bereichen um 10^-9 g/l nachweisbar. Die Beurteilung der Korrosionswahrscheinlichkeit dieser Werkstoffe sowie Korrosionsschutzverfahren werden in [DIN 5030, Teil 5] beschrieben.

Blei ist gegenüber Wasser sehr beständig und wurde auch aufgrund seiner leichten Verarbeitbarkeit häufig eingesetzt. Der Einfluß des Bleis auf die Wasserqualität im Hinblick auf die gesundheitliche Relevanz ist jedoch erheblich. In Abhängigkeit von pH-Wert lösen sich Korrosionsprodukte wie Bleikarbonat. In der neuen EG-Trinkwasserrichtliniewird der ursprüngliche Grenzwert von 50 µg/l gemäß WHO-Empfehlung auf 10 µg/l gesenkt.

Bei zementgebundenen Werkstoffen, die mit Wasser, welches sich im Kalk-Kohlensäure-Gleichgewicht befindet, in Berührung kommen, tritt relativ rasch eine Karbonatisierung der Oberfläche und somit ein ausreichender Schutz vor Kalklöseprozessen ein. Eine Rücklösung des gebildeten Calciumcarbonats und somit eine Erweichung der wasserseitigen Oberfläche erfolgt bei höheren Gehalten an kalklösender Kohlensäure. Der Kohlensäuregehalt sehr weicher Wässer wird bei der Karbonatisierung schnell gesenkt, wodurch ein pH-Anstieg über die Grenzwerte nach [TrinkwVO] zu befürchten ist. Dies ist generell bei der Verwendung von Beton und Zement in Gewässernähe zu berücksichtigen. Die Beurteilung betonangreifender Wässer ist nach [DIN 4030] möglich.

Beim Einsatz von Kunststoffen sind vor allem Migrationsvorgänge im Material von Bedeutung. Werkstoffe, die [KTW-Empfehlungen] entsprechen, können ohne Bedenken im Trinkwasserbereich eingesetzt werden.

2.6 Schadstoffe
 

Als Schadstoffe werden gewöhnlich Wasserinhaltsstoffe beschrieben, deren Anwesenheit im Wasser bereits in geringsten Konzentrationen (Spurenstoffe) gesundheitlich bedenklich ist und ökotoxikologische Wirkungen hinterläßt. Dabei können in diesem Rahmen nur die wichtigsten Stoffgruppen erläutert werden. Prinzipiell werden die Gruppen:

• organische Spurenstoffe (Kohlenstoffverbindungen) und
• anorganische Spurenstoffe unterschieden.

 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Tab. 7: Überblick über wichtige Spurenstoffe im Wasser, deren Herkunft und Wirkung (vergleiche auch Schadstoffregister!)

Die Wirkungen dieser Stoffe können toxischer Art sein (chronisch oder akut), sie können außerdem cancerogen (krebserrregend) mutagen (erbgutschädigend) und teratogen (fruchtschädigend) sein. Einige Verbindungen sind schwer abbaubar und können sich im Verlauf der Nahrungskette oder in Sedimenten anreichern. In den Komplex der Schadstoffe gehören auch solche vom Menschen produzierten, naturfremden Verbindungen sowie deren Abbauprodukte, deren Wirkung noch nicht hinreichend bekannt ist. Für alle wichtigen Schadstoffe, die ins Trinkwasser gelangen können, existieren verbindliche Grenzwerte nach [TrinkwVO]. Es ist anzumerken, daß die Vielfalt der umweltrelevanten Stoffgruppen, die durch die chemische und pharmazeutische Industrie produziert werden, permanent wächst. Die Wirkung von Arzneimitteln und Abbauprodukten von Schadstoffen in der Umwelt ist oft nicht hinlänglich bekannt. In letzter Zeit werden immer häufiger Endokrine Wirkungen bestimmter Substanzen (hormonelle Wirkungen)  bekannt Nonylphenol, Bisphenol-a ..). Darüber hinaus vergeht immer eine gewissen Zeitspanne vom Erkennen neuer Umweltgefährdungen bis zur Entwicklung exakter Analysenverfahren.

mutagen

teratogen

endokrine
Wirkung

Organische Spurenstoffe (Kohlenstoff in vierfach-Bindung) werden größtenteils vom Menschen hergestellt (anthropogen) und sind häufig naturfremd (xenobiotisch). Die Gefahr des Eintrages dieser Stoffe wächst demzufolge mit der Besiedlungsdichte des Wassereinzugsgebiets (vergl. Kap. 4.7). Dies trifft für PAK, chlororganische Verbindungen und Mineralöle zu. Ein hoher Anteil der Pestizidbelastung von Gewässern resultiert neben landwirtschaftlichen Aktivitäten oft auch aus unkontrollierter Anwendung im kommunalen Bereich. Chlorkohlenwasserstoffe (CKW) kommen überwiegend im Gewerbebereich als Lösemittel zum Einsatz, wo vor allem im Grundwasser Verunreinigungen festzustellen sind (Versickerung). Eine besondere Bedeutung besitzen Schadstoffe, die durch die Desinfektion von Trinkwasser entstehen. Unter Anwesenheit organischer Verbindungen können sich Haloforme wie Trihalogenmethane, Chlorphenole und Chlorit bilden.

Anorganische Spurenstoffe gelangen ebenfalls durch menschliche Aktivitäten ins Wasser (Quecksilber) wobei ein Großteil der im Wasser gelösten Verbindungen auch geogenen Ursprungs sind (Arsen). Metalle und Metallsalze stellen die größte Gruppe anorganischer Schadstoffe dar. Da Metalle vor allem in Abhängigkeit vom pH-Wert in Lösung gehen, wird diesbezüglich der Frage der Versauerung große Bedeutung beigemessen (geogene Aluminiumfreisetzung, Kupfer und Blei aus Rohrleitungen).

Cyanide gelangen über Abwässer aus chemischen Betrieben sowie aus Altlastenstandorten (Gaswerke) in die Gewässer. Ein Eintrag aus sanierten Einzugsgebieten ist jedoch nicht zu erwarten.