Wichtige Punkte für die Wasserqualitätsprüfung in Kläranlagen, Teil sieben

39. Was versteht man unter Säuregrad und Alkalität des Wassers?
Der Säuregehalt von Wasser beschreibt die Menge an Substanzen im Wasser, die starke Basen neutralisieren können. Es gibt drei Arten von Substanzen, die Säuren bilden: starke Säuren, die H⁺ vollständig dissoziieren (z. B. HCl, H₂SO₄), schwache Säuren, die H⁺ nur teilweise dissoziieren (z. B. H₂CO₃, organische Säuren), und Salze aus starken Säuren und schwachen Basen (z. B. NH₄Cl, FeSO₄). Der Säuregehalt wird durch Titration mit einer starken Basenlösung bestimmt. Der mit Methylorange als Indikator gemessene Säuregehalt wird als Methylorange-Säuregehalt bezeichnet. Er umfasst die Säure der starken Säuren und ihrer Salze. Der mit Phenolphthalein als Indikator gemessene Säuregehalt wird als Phenolphthalein-Säuregehalt bezeichnet. Er entspricht der Summe der drei Säuregehalte und wird daher auch als Gesamtsäuregehalt bezeichnet. Natürliches Wasser enthält in der Regel keine starken Säuren, sondern Carbonate und Bicarbonate, die es alkalisch machen. Ein erhöhter Säuregehalt im Wasser deutet häufig auf eine Verunreinigung mit Säure hin.
Im Gegensatz zum Säuregrad bezeichnet die Alkalität des Wassers die Menge an Substanzen im Wasser, die starke Säuren neutralisieren können. Zu den alkalischen Substanzen gehören starke Basen (wie NaOH, KOH), die OH⁻ vollständig dissoziieren, schwache Basen, die OH⁻ teilweise dissoziieren (wie NH₃, C₆H₅NH₂), und Salze aus starken Basen und schwachen Säuren (wie Na₂CO₃, K₃PO₄, Na₂S). Die Alkalität wird durch Titration mit einer starken Säurelösung bestimmt. Die mit Methylorange als Indikator gemessene Alkalität entspricht der Summe der drei genannten Alkalitätsarten und wird als Gesamtalkalität oder Methylorange-Alkalität bezeichnet. Die mit Phenolphthalein als Indikator gemessene Alkalität wird als Phenolphthalein-Alkalität bezeichnet. Sie umfasst die Alkalität der starken Basen und einen Teil der Alkalität der starken Alkalisalze.
Zu den Messmethoden für Säure und Alkalität gehören die Säure-Base-Indikatortitration und die potentiometrische Titration, wobei die Werte im Allgemeinen in CaCO3 umgerechnet und in mg/L gemessen werden.
40. Welchen pH-Wert hat Wasser?
Der pH-Wert ist der negative dekadische Logarithmus der Wasserstoffionenaktivität in der gemessenen wässrigen Lösung, d. h. pH = -lgαH+. Er ist einer der am häufigsten verwendeten Indikatoren in der Abwasserbehandlung. Bei 25 °C und einem pH-Wert von 7 sind die Aktivitäten von Wasserstoffionen und Hydroxidionen im Wasser gleich, die entsprechende Konzentration beträgt 10⁻⁷ mol/L. In diesem Fall ist das Wasser neutral. Ein pH-Wert > 7 bedeutet, dass das Wasser alkalisch ist.<7 means the water is acidic.
Der pH-Wert gibt den Säure- oder Basengehalt von Wasser an, kann ihn aber nicht direkt anzeigen. Beispielsweise beträgt die Säurekonzentration einer 0,1 mol/L Salzsäurelösung und einer 0,1 mol/L Essigsäurelösung ebenfalls 100 mmol/L, ihre pH-Werte unterscheiden sich jedoch deutlich. Der pH-Wert der 0,1 mol/L Salzsäurelösung liegt bei 1, der der 0,1 mol/L Essigsäurelösung hingegen bei 2,9.
41. Welche Methoden zur pH-Wert-Messung werden üblicherweise verwendet?
In der Praxis ist die einfachste Methode, pH-Wert-Änderungen im Abwasser, das in die Kläranlage gelangt, schnell und unkompliziert zu erfassen, die grobe Messung mit pH-Testpapier. Bei farblosem Abwasser ohne Schwebstoffe können auch kolorimetrische Methoden eingesetzt werden. Derzeit ist in meinem Land die potentiometrische Methode (GB 6920–86 Glaselektrodenmethode) die Standardmethode zur pH-Wert-Bestimmung von Wasser. Sie ist in der Regel unempfindlich gegenüber Farbe, Trübung, kolloidalen Substanzen, Oxidationsmitteln und Reduktionsmitteln. Sie eignet sich sowohl zur Messung des pH-Werts von sauberem Wasser als auch von unterschiedlich stark verschmutztem Industrieabwasser. Diese Methode wird in den meisten Kläranlagen zur pH-Wert-Bestimmung häufig angewendet.
Das Prinzip der potentiometrischen pH-Wert-Messung besteht darin, das Potenzial der Indikatorelektrode, also den pH-Wert, durch Messung der Potenzialdifferenz zwischen einer Glaselektrode und einer Referenzelektrode mit bekanntem Potenzial zu ermitteln. Als Referenzelektrode wird üblicherweise eine Kalomelelektrode oder eine Ag/AgCl-Elektrode verwendet, wobei die Kalomelelektrode am häufigsten zum Einsatz kommt. Kernstück des pH-Potentiometers ist ein Gleichstromverstärker, der das von der Elektrode erzeugte Potenzial verstärkt und es auf dem Messgerät in Form von Zahlen oder Zeigern anzeigt. Potentiometer sind üblicherweise mit einer Temperaturkompensation ausgestattet, um den Einfluss der Temperatur auf die Elektroden zu korrigieren.
Das Funktionsprinzip von Online-pH-Metern für Kläranlagen basiert auf der potentiometrischen Methode. Die Sicherheitsvorkehrungen für die Anwendung entsprechen im Wesentlichen denen von Labor-pH-Metern. Da die verwendeten Elektroden jedoch über längere Zeiträume in Abwasser, Belüftungsbecken oder anderen Bereichen mit hohem Öl- oder Mikroorganismengehalt eingetaucht sind, ist neben einer automatischen Elektrodenreinigung auch eine manuelle Reinigung erforderlich, die von der Wasserqualität und der Betriebserfahrung abhängt. pH-Meter im Zulauf- oder Belüftungsbecken werden in der Regel wöchentlich, im Ablaufwasser monatlich manuell gereinigt. pH-Meter, die gleichzeitig Temperatur, Redoxpotenzial (ORP) und weitere Parameter messen können, müssen gemäß den für die jeweilige Messfunktion erforderlichen Sicherheitsvorkehrungen gewartet werden.
42. Welche Vorsichtsmaßnahmen sind bei der Messung des pH-Werts zu beachten?
⑴ Das Potentiometer muss trocken und staubdicht aufbewahrt und regelmäßig zur Wartung eingeschaltet werden. Der Eingangsanschluss der Elektrode muss sauber gehalten werden, um das Eindringen von Wassertropfen, Staub, Öl usw. zu verhindern. Bei Netzbetrieb ist eine gute Erdung sicherzustellen. Bei tragbaren Potentiometern mit Trockenbatterien müssen die Batterien regelmäßig ausgetauscht werden. Gleichzeitig muss das Potentiometer regelmäßig kalibriert und auf Null gestellt werden. Nach der korrekten Justierung dürfen der Nullpunkt des Potentiometers sowie die Kalibrier- und Positionierregler während des Tests nicht mehr beliebig verstellt werden.
⑵ Das zur Herstellung der Standardpufferlösung und zum Spülen der Elektrode verwendete Wasser darf kein CO₂ enthalten, muss einen pH-Wert zwischen 6,7 und 7,3 aufweisen und eine Leitfähigkeit von weniger als 2 µS/cm besitzen. Mit Anionen- und Kationenaustauscherharz behandeltes Wasser erfüllt diese Anforderungen nach dem Abkochen und Abkühlen. Die hergestellte Standardpufferlösung sollte in einer Hartglas- oder Polyethylenflasche verschlossen und zur Verlängerung der Haltbarkeit im Kühlschrank bei 4 °C aufbewahrt werden. Bei Lagerung an der Luft oder bei Raumtemperatur beträgt die Haltbarkeit in der Regel maximal einen Monat. Angebrochene Pufferlösungen dürfen nicht zur Wiederverwendung in die Aufbewahrungsflasche zurückgefüllt werden.
⑶ Vor der eigentlichen Messung ist zu prüfen, ob das Messgerät, die Elektrode und der Standardpuffer einwandfrei funktionieren. Das pH-Meter sollte regelmäßig kalibriert werden. Üblicherweise erfolgt die Kalibrierung viertel- oder halbjährlich mittels Zweipunktkalibrierung. Dabei werden, abhängig vom pH-Wert der zu messenden Probe, zwei nahe beieinander liegende Standardpufferlösungen ausgewählt. Die pH-Wert-Differenz zwischen den beiden Pufferlösungen sollte mindestens 2 betragen. Nach der Kalibrierung mit der ersten Lösung wird die zweite Lösung erneut getestet. Die Differenz zwischen dem angezeigten Wert des Potentiometers und dem pH-Wert der zweiten Standardpufferlösung sollte maximal 0,1 pH-Einheiten betragen. Ist die Abweichung größer als 0,1 pH-Einheiten, ist eine dritte Standardpufferlösung zu verwenden. Beträgt die Abweichung auch hier weniger als 0,1 pH-Einheiten, liegt höchstwahrscheinlich ein Problem mit der zweiten Pufferlösung vor. Ist die Abweichung weiterhin größer als 0,1 pH-Einheiten, ist die Elektrode defekt und muss repariert oder durch eine neue ersetzt werden.
⑷ Beim Austausch des Standardpuffers oder der Probe muss die Elektrode gründlich mit destilliertem Wasser gespült werden. Das anhaftende Wasser ist mit Filterpapier aufzusaugen. Anschließend ist die Elektrode mit der zu messenden Lösung zu spülen, um gegenseitige Beeinflussung zu vermeiden. Dies ist insbesondere bei der Verwendung schwacher Puffer und Lösungen wichtig. Bei der pH-Wert-Messung muss die wässrige Lösung ausreichend gerührt werden, um eine homogene Verteilung und ein elektrochemisches Gleichgewicht zu erreichen. Vor der Messung ist das Rühren zu unterbrechen und die Lösung kurz stehen zu lassen, damit sich der Messwert stabilisieren kann.
⑸ Vor der Messung spülen Sie die beiden Elektroden zunächst sorgfältig mit Wasser ab, dann mit der Wasserprobe. Anschließend tauchen Sie die Elektroden in ein kleines Becherglas mit der Wasserprobe, schütteln das Becherglas vorsichtig mit den Händen, um die Wasserprobe gleichmäßig zu verteilen, und notieren den pH-Wert, nachdem sich der Messwert stabilisiert hat.