Wasseranalytik im LaborMessprinzipien, Einsatzgebiete und Fallbeispiele

Dr. Ivan Beranek und Dr. Christian Götz - ENVILAB AG, Zofingen

Swissmem-Seminar vom 07.06.2017 in Zürich

Bild: Envilab

Inhalt

07.06.2017

Teil 1: Systematik der Wasseranalysenmethoden

Teil 2: Fallbeispiele aus ausgewählten Einsatzgebieten

Systematik Wasseranalysenmethoden

07.06.2017

Kategorisierung

A) nach Messprinzipien

B) nach Einsatzgebieten

Ziel & Zweck der Systematik

Überblick über die verschiedenen Verfahren und Methoden der

Wasseranalytik und ihre Anwendungsmöglichkeiten

Entscheidungsgrundlage für die Wahl der je nach Fragestellung

geeignetsten Methode (z.B. Routine- vs. Referenzmethoden)

Kategorisierung nach Messprinzipien

Gravimetrie (z.B. GUS)

Titrimetrie (Titrationen, z.B. organische Säuren)

Elektrochemie (z.B. pH, el. Leitfähigkeit)

(Spektro-)Photometrie (z.B. Ammonium, Nitrit)

Chromatographie (z.B. Gesamtkohlenwasserstoffe)

Sonstige (z.B. BSB5)

07.06.2017

Gravimetrische Verfahren

Messprinzip

«Quantitatives Analyseverfahren, bei dem die

Messung von Stoffmengen auf der Bestimmung der

Masse (Auswaage) beruht.» (Definition gem. Wikipedia)

Beispiele

Gesamte ungelöste Stoffe (GUS)

Trockensubstanz (TS) / Abdampfrückstand

(nicht gleich GUS)

Glühverlust / -rückstand (GV / GR)

Gesamtfett / Extrahierbare Stoffe

Speziell: Gasfeuchte (Adsorption auf Silicagel)

07.06.2017

Titrimetrische Verfahren

Messprinzip

«Verfahren der quantitativen Analyse, bei dem ein

bekannter Stoff, dessen Konzentration in der

Probelösung unbekannt ist, wird in einer gezielten

chemischen Reaktion mit einer Maßlösung umge-

setzt, deren Konzentration genau bekannt ist.» (Definition gem. Wikipedia)

Beispiele

Carbonathärte / Alkalinität (Säureverbrauch) /

Acidität

Organische Säuren

CSB (Referenzmethode nach DEV H41/H44)

Gesamt-N / Kjeldahl-N (TKN)

07.06.2017

Elektrochemische Verfahren

Messprinzip

«Messung einer konzentrationsabhängigen

elektrischen Grösse oder deren Verlaufs

(Spannung, Strom, Ladung) in der Probelösung.»

Beispiele

Potentiometrie (pH-Wert, Redox-Potential,

ionenselektive Elektroden)

Amperometrie (Sauerstoffsonde)

Conductometrie (elektrische Leitfähigkeit)

Coulometrie (AOX)

Sonstige, z.B. Voltammetrie insb. Polarographie

(Schwermetall-Analytik)

07.06.2017

(Spektro-)Fotometrische Verfahren

Messprinzip

«Messung der konzentrationsabhängigen Intensität

des vom Analyten absorbierten oder emittierten

Lichtes einer bestimmten Wellenlänge oder in

einem bestimmten Wellenlängenbereich.»

Beispiele

UV/VIS-Fotometrie (Ammonium, Nitrit, Nitrat,

Sulfit, Sulfid, Chrom VI)

Infrarotspektroskopie

(DOC, früher auch: Gesamtkohlenwasserstoffe)

Atomemissionsspektroskopie

(Elementanalytik, insb. Schwermetalle)

07.06.2017

Chromatografische Verfahren

Messprinzip

«Verfahren der qualitativen und quantitativen

Analyse, das sich die Auftrennung eines Stoffge-

misches durch unterschiedliche Verteilung seiner

Einzelbestandteile zwischen einer stationären und

einer mobilen Phase zunutze macht.»

Beispiele

Gaschromatographie (GC):

KW, Lösungsmittel, Fette, organische Säuren

Flüssigchromatographie (LC insb. HPLC):

Pestizide, Mikroverunreinigungen

Ionenchromatographie

Anionen: Cl-, NO3-, SO4

2-,

Kationen: Na+, K+, Ca2+, Mg2+

07.06.2017

Sonstige Verfahren

Beispiele

BSB5 (Verdünnungsmethode vs. OxiTop)

Absetzbare Stoffe nach DEV H9 (Imhoff)

Organolepsis (Farbe, Geruch, visuelle Trübung)

07.06.2017

Kategorisierung nach Einsatzgebieten

• Trink- & Oberflächenwasser

(Fliessgewässer, Seen)

• Grund- & Sickerwasser (Deponien, Altlasten)

• Abwasser (kommunal/industriell)

• Badewasser (Hallen-/Freibäder)

• Kreislaufwasser inkl. Dampf

(Heiz-/Kühlsysteme)

Detailliertere Zusammenstellung siehe Handouts

(nicht abschliessende Zuordnung).

07.06.2017

Systematik Wasseranalysenmethoden

Warum sind die Kenntnisse der Systematik wichtig?

Beispiel 1: CSB-Küvettentest vs. CSB nach DEV H41/44

(Fotometrie vs. Titrimetrie)

CSB Küvettentest DEV H41/H44

Vorteile Schnelligkeit

geringer Chemikalienverbrauch

Kosten

Genauigkeit

Zuverlässigkeit

weniger störungsanfällig

Nachteile Repräsentativität (geringes

Probenvolumen)

Genauigkeit, Richtigkeit

Aufwand (Personal, Einrichtungen)

Analysendauer

Kosten

Anwendung Betriebsüberwachung

Trendüberwachung

Stoffflussbilanzierung

Dimensionierung

07.06.2017

Systematik Wasseranalysenmethoden

Warum sind die Kenntnisse der Systematik wichtig?

Beispiel 2: Bestimmung der flüchtigen organischen Säuren

(Titrimetrie vs. Gaschromatographie)

FOS Titrimetrie Gaschromatographie

Vorteile Schnelligkeit

Einfache Durchführung

Kosten

Genauigkeit, Richtigkeit

Selektivität (Einzelstoffanalytik)

Nachteile Selektivität (Summenparameter)

Genauigkeit, Richtigkeit

Aufwand (Personal, Einrichtungen)

Analysendauer und Kosten

Anwendung Betriebsüberwachung (Faulung) Ursachenabklärung bei Störfällen

07.06.2017

Ausgewählte Fallbeispiele

07.06.2017

- Nitrifikation auf Kläranlagen

- Fällung von Schwermetallen im Industrieabwasser

- Beurteilung der Grundwassers mit Abwasser-Tracern

Laborversuche vs. Umsetzung Praxis

07.06.2017

Kosten

Repräsentativität

Flexibilität

Nitrifikation auf Kläranlagen

07.06.2017

- Mögliche Fragestellungen:

- Neuer Indirekteinleiter: Kann das Abwasser für die

Biologie einer ARA problematisch sein?

- Probleme mit der Biologie / Nitrifikation:

Ist die Ursache der Zulauf?

- Zu bestimmende Parameter:

- pH, Sauerstoffgehalt, Ammonium, Nitrit, Nitrat

- Eingesetzte Analytik:

- Fotometrie oder

fotometrische Schnelltests,

pH-Messgerät, O2-Sonde

Nitrifikation auf Kläranlagen

07.06.2017

- Wie viel Industrieabwasser kann zum

kommunalen Abwasser zugegeben werden,

ohne die Nitrifikation der Biologie zu

gefährden?

- Nitifikation:

Nitrifikation auf Kläranlagen

07.06.2017

Ansätze

Substrat EinheitAnsatz 0

(Referenz)Ansatz 1 Ansatz 2 Ansatz 3 Ansatz 4

Belebtschlamm ml 150 150 150 150 150

Kommunales Abwasser ml 350 300 250 200 150

Industrieabwasser ml 50 100 150 200

Anteil

Industrieabwasser% 10% 20% 30% 40%

Anteil Industrieabwasser

Nitrifikation auf Kläranlagen

07.06.2017

Nitrifikationshemmung

Hemmung der Nitrifikation

Fällung von Schwermetallen

07.06.2017

- Mögliche Fragestellungen:

- Lassen sich bestimmte Schwermetalle aus dem

Abwasser entfernen, welche Methode ist geeignet?

- Zu bestimmende Parameter:

- Schwermetalle

- Eingesetzte Analytik:

- Atomemissionsspektroskopie (ICP-OES)

Fällung von Schwermetallen

07.06.2017

- Prinzip:

- Herabsetzung der Löslichkeit

(-> pH, Temperatur, Fällmittel)

- Flockung / Fällung (je nachdem

Flockungshilfsmittel, Polymere)

Fällung von Schwermetallen

07.06.2017

- Beispiel:

- Fällung von Blei mittels Zugabe von Natriumsulfat:

Na2SO4 + Pb2+ -> PbSO4 + 2 Na+

- Analysen:

Blei gesamt Blei gelöst

Grundwasserbeurteilung mittels Tracern

07.06.2017

- Fragestellungen:

- Befindet sich Abwasseranteile resp. Stoffe aus

dem Abwasser im Grund- oder Trinkwasser?

- Zu bestimmende Parameter:

- Abwasseranteil, Spurenstoffe

- Eingesetzte Analytik:

- Flüssigchrommatographie-Massensepktometrie

(LC-MS/MS)

Grundwasserbeurteilung mittels Tracern

07.06.2017

Paul Sicher, SVGW, Spurenstoffe im Trinkwasser, aqua&gas 2013

Anzahl

Medienbeobachtungen

zum Thema

Mikroverunreinigungen

Mikroverunreinigungen

MV aus kommunalem Abwasser:

Uferfiltrat

Leckagen in der Kanalisation

Fehlanschlüsse

MV aus der Landwirtschaft,

teilw. Strassen- und Geleiseabwasser:

Versickerung

Leitsubstanzen / Indikatoren:

Pflanzenschutzmittel

PAK / Schwermetalle

E-Coli

Leitsubstanzen / Indikatoren:

Arzneimittel (z.B. Kontrastmittel,

Carbamazepin)

Süssstoffe

Korrosionsschutzmittel

Mikroverunreinigungen

Keine Umwandlung im Körper,

Kein Abbau in Kanalisation

Kein Abbau auf ARA

Mikroverunreinigungen

Daten aus Bürge, I. (2009): Ubiquitous Occurence of the Artificial Sweetener

Acesulfam in the Aquatic Environment: An Ideal Chemical Marker of Domestic

Wastewater in the Groundwater. Environ. Sci. Technol, 43, 4381-4385.

Mikroverunreinigungen

Chemische Tracersubstanzen im Grundwasser

z. B. künstlicher Süssstoff Acesulfam

Graphik aus Bürge, I. (2009): Ubiquitous Occurence of the Artificial Sweetener

Acesulfam in the Aquatic Environment: An Ideal Chemical Marker of Domestic

Wastewater in the Groundwater. Environ. Sci. Technol, 43, 4381-4385.

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