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DOC-Messung im Trinkwasser

Ist dieser Parameter immer sinnvoll?

Neben der Trübung gehören die gelösten organischen Stoffe zu den wichtigsten physikalisch-chemischen Parametern bezüglich Trinkwasserhygiene – auch dann, wenn eine hervorragende Rohwasserqualität einen Verzicht auf die Wasseraufbereitung erlaubt. 

CAS51D

Organische Stoffe und das HACCP-Konzept 

Die Konzentration des gelösten organischen Kohlenstoffes ist eine wichtige Kenngrösse bei der Risikoanalyse (hazard analysis) und bei der Überwachung von kritischen Lenkungspunkten (critical control points). Wer bei HACCP nur Bahnhof versteht, dem empfehle ich den interaktiven Artikel des SVGW

In diesem Artikel gehe ich der Frage nach, wann eine Online-Messung von Organik im Zusammenhang mit der Trinkwasserhygiene sinnvoll ist und welche Messprinzipien genutzt werden können. 

Unerwünschte Wirkung von organischen Stoffen 

Organische Stoffe stören die Desinfektion des Trinkwassers und erhöhen so das Risiko einer Verkeimung. Dies gilt für die meisten anerkannten Aufbereitungsverfahren: Beim Einsatz von Desinfektionsmittel (beispielsweise Chlor) reagieren die Chemikalien mit diesen Stoffen statt mit den Keimen. Die Chemikalien stehen dann für die Desinfektion nicht mehr zur Verfügung. Bei einer UV-Anlage können organische Stoffe die Strahlung so stark abdämpfen, dass die Desinfektionsleistung nicht mehr gegeben ist: Die Keime passieren die UV-Anlage unbeschadet (Änderung des SAK-, respektive SSK-Wertes). In beiden Fällen ist die Gesundheit der Trinkwasserkonsumenten stark gefährdet. 

Die Rohwasserqualität in der Schweiz erlaubt es der Mehrheit der Wasserversorgungen das Trinkwasser ohne Netzschutz einzuspeisen (siehe auch Video des SVGW zur Trinkwasseraufbereitung).

Hier ist eine tiefe Konzentration an organischem Kohlenstoff anzustreben, da so das Risiko eines Zwischenfalles aufgrund einer Vermehrung von Krankheitserregern im Trinkwassernetz (Wiederverkeimung) tief gehalten werden kann. 

Kohlenstoff, ein Element mit vielen Gesichtern 

Bevor wir uns der Messtechnik widmen, verschaffen wir uns einen Überblick über die verschiedenen Parameter: Unter der Bezeichnung „Organik“ oder „organische (Kohlen)stoffe“ werden Millionen von Substanzen in einem einzigen Begriff zusammengefasst. Trotz dieser beachtlichen Vielfalt weisen diese Stoffe eine Gemeinsamkeit auf: Das Kohlenstoffatom in bildet den Grundbaustein dieser Verbindungen. 

Die einfachste organische Verbindung – das Methan Molekül – besteht aus einem einzigen Kohlenstoffatom und vier Wasserstoffatomen. Komplexe Verbindungen – wie beispielsweise Enzyme – bestehen aus hunderten oder gar tausenden Kohlenstoffatomen in Verbindung mit weiteren Elementen. Diese Verbindungen bilden komplexe dreidimensionale Formen. Noch grössere Moleküle bilden die Polymere. Polymere bestehen aus Millionen miteinander verbundenen Kohlenstoffatomen. 

Der Anteil all dieser Substanzen im Wasser kann in einem einzigen Summenparameter zusammengefasst werden: Der Konzentration des organischen Kohlenstoffes.  

Was ist TOC und DOC? 

Der Summenparameter TOC (total organic carbon) beschreibt die Konzentration aller oben beschriebenen Substanzen. Dazu wird die Wasserprobe komplett oxidiert („verbrannt“) und die Menge des entstehenden CO2 gemessen: Je mehr organische Stoffe in der Probe sind, desto mehr CO2 wird freigesetzt. Zur Bestimmung des gelösten organischen Kohlenstoffes DOC (dissolved organic carbon) wird die Probe vorher noch filtriert, um die Feststoffe abzutrennen. Da das Trinkwasser grösstenteils frei von Feststoffen ist (sein sollte…), ist für uns der DOC von Interesse. 

Was ist assimilierbarer organischem Kohlenstoff (AOC)? 

Mikroorganismen benötigen wie wir Menschen auch Nahrung für Wachstum und Vermehrung. Viele organische Stoffe (DOC) können dabei als Nahrungsquelle dienen. Die Anwesenheit von DOC im Trinkwasser muss aber nicht zwingend zu einer Vermehrung der Mikroorganismen führen. Die Mikroorganismen können nicht alle organischen Verbindungen gleich gut als Nahrung nutzen. 

Das kann man sich in etwa so vorstellen: Die Milch in Ihrem Kühlschrank besteht zwar aus denselben Atomen wie die Flüssigseife in Ihrem Bad – vorwiegend Kohlenstoff und Wasserstoff – dennoch kommt es Ihnen wohl kaum in den Sinn, die Flüssigseife zum Frühstück zu trinken… 

Der AOC (assimilierbare organische Kohlenstoff) bezieht sich auf die organischen Stoffe, welche den Mirkoorganismen als Nahrungsgrundlage dienen können (bezogen auf uns Menschen z.B. Milch). Der DOC hingegen fasst alle gelösten organischen in Substanzen in einem Parameter zusammen (bezogen auf uns Menschen z.B. Milch + Flüssigseife). 

Wie wir gesehen haben, kann der DOC vergleichsweise einfach gemessen werden. Die Bestimmung des AOC hingegen ist aufwändiger. Dazu müssen die Proben im Labor analysiert werden. Je nach Methode dauert eine Messung zwischen 72h (EAWAG Methode) und 9 Tagen (Van der Kooij Methode). Es gibt bisher keine Messmethode zur automatischen Bestimmung des AOC in Echtzeit. Wir werden später aber sehen, dass eine Online-Messung des DOC Rückschlüsse auf die aktuelle Konzentration an AOC erlaubt. 

Ohne HACCP-Konzept geht gar nichts! 

Bevor wir weiter in die Welt der gelösten organischen Stoffe eintauchen, machen wir nochmals einen Schritt zurück und verschaffen uns auf unserer Wasserversorgung einen Überblick: Auf welcher Grundlage entscheiden Sie sich ein Gerät zur Messung der Qualität anzuschaffen? 

Auf diese Frage gibt es nur zwei mögliche Antworten: 

  1. Das HACCP-Konzept zeigt eine Notwendigkeit zur Überwachung eines bestimmten Parameters an einem kritischen Lenkungspunkt auf 
  1. Für die Regelung & Steuerung eines Aufbereitungsprozesses muss der Parameter in Echtzeit bestimmt werden 

Die Überwachungsparameter lassen sich durch eine Gefahrenanalyse («hazard analysis») und der Definition der kritischen Lenkungspunkten («critical control points») ableiten. Kritische Lenkungspunkte befinden sich immer irgendwo zwischen der Rohwassergewinnung und der Abgabe des Wassers ins Netz. Sie zeichnen sich dadurch aus, dass eine Reaktion auf eine Gefährdung noch möglich ist – im einfachsten Fall durch einen Verwurf des Wassers, oder in besonderen Fällen durch eine zusätzliche Aufbereitung (z.B. Notchlorung). 

Drei Voraussetzungen für eine erhöhte Gefährdung 

Bei einem Verzicht auf Netzschutz, besteht immer eine Gefahr einer Wiederverkeimung im Trinkwassernetz. Besonders kritisch sind folgende drei Voraussetzungen: 

  1. Hohe Konzentrationen von AOC im Trinkwasser 
  1. Lange Aufenthaltszeit des Trinkwassers im Netz 
  1. Hohe Temperaturen im Trinkwassernetz  

Der AOC bildet die Nahrungsgrundlage für unerwünschte Mikroorganismen. Eine lange Aufenthaltszeit verschafft den Organismen Zeit, sich zu vermehren. Und je höher die Wassertemperatur ist, desto schneller geht die Vermehrung. Aufgrund dieser Abhängigkeiten müssen diese drei Voraussetzungen darum immer im Zusammenhang betrachtet werden. 

Dynamik erkennen und geeignete Massnahmen ergreifen 

Es gibt bisher keine Messmethode zur automatischen Bestimmung des AOC in Echtzeit. Wir können den AOC aber anhand von anderen Parametern abschätzen. Ich unterscheide hier zwischen einer direkten Methode (DOC-Messung) und sogenanntem «Softsensing». Betrachten wir zuerst die direkte Methode: Wenn im Labor der DOC und der AOC von mehreren Ereignissen eines bestimmten Trinkwassers ermittelt wird, kann auf ein bestimmtes Verhältnis zwischen AOC und DOC geschlossen werden.  

Eine Online-Messung der DOC-Konzentration kann darum unter bestimmten Umständen eine zuverlässige Abschätzung der AOC-Konzentration zulassen. So kann der Anlagenbetreiber bei einem Anstieg der DOC-Konzentration geeignete Massnahmen ergreifen, um das Netz vor einer Wiederverkeimung zu schützen (z.B. Verwurf des Rohwassers, Abstellen der Grundwasserpumpe, oder Zugabe von Netzschutz). Bei welchem Schwellenwert eine Reaktion erforderlich ist muss immer individuell ermittelt werden – als Richtwert wird in der TBDV des Bundes eine Konzentration von 2mg/L TOC genannt (wobei wir diese einfachheitshalber direkt in DOC umrechnen können: Wir können im Trinkwasser mit einer Trübung <1NTU von einer weitgehenden Abwesenheit von Feststoffen ausgehen). 

Die DOC-Konzentration lässt sich einerseits mit einem Analysator direkt messen, oder anhand einer Durchlichtmessung als DOCeq bestimmen. 

Systeme zur direkten oder indirekten Online-Messung des DOC 

Der Einsatz von Analysatoren zur Online-Messung der DOC-Konzentration ist die aufwändigste Variante: Die Geräte sind teuer in der Anschaffung, aufwändig in der Installation und benötige Fachwissen für den Unterhalt. In einem Analysator wird die Organik entweder durch thermische Einwirkung (Hochtemperatur TOC) oder durch Chemikalien in Kombination mit starkem UV-Licht zu CO2 oxidiert. Das so entstandene CO2 wird mit einem Infrarotdetektor gemessen und direkt in eine DOC-Konzentration umgerechnet. 

Bei einer Kosten-Nutzen Abwägung landet man in den meisten Trinkwasseranwendungen schnell bei einer günstigeren und weniger komplexen Alternative: Der DOC-Bestimmung mittels Durchlichtmessung. Viele gelöste organische Substanzen absorbieren Licht im UV-Bereich bei einer Wellenlänge von 254nm. Man kann sich dies als eine für das menschliche Auge nicht mehr sichtbaren Verfärbung des Wassers vorstellen: Je intensiver die Farbe, desto mehr organische Stoffe (DOC) befindet sich im Wasser. Der spezifische Absorptionskoeffizient bei der Wellenlänge von 254nm gibt an, wie stark das UV-Licht durch diese Verfärbung abgeschwächt wird (SAK254, häufig auch nur SAK genannt). Da es sich nicht um eine «echte» DOC-Messung handelt, wird der SAK-Wert häufig mit einem Umrechnungsfaktor auch als DOCeq ausgegeben. Dabei steht das «eq» für «equivalent» (englischer Begriff für «entsprechend»). 

Mittels «Softsensing» problematische Zustände erkennen 

Ich rate den Kunden bei den Probenahmen zusätzlich eine Handmessung durchzuführen: Je nach Einzugsgebiet ist es sinnvoll die Temperatur, die Leitfähigkeit, den pH-Wert und/oder den Redox-Wert direkt vor Ort zu messen. Korreliert die Änderung eines solchen Wertes mit dem Laborwert der DOC-Messung, kann mit einer Online-Messung ganz einfach festgestellt werden, ob mit Problemen bezüglich des AOC zu rechnen ist. 

Ein Beispiel: Ein Grundwasserpumpwerk in der Nähe eines kleinen Flusses fördert Trinkwasser von bester Qualität. Aufgrund der langen Aufenthaltszeit im Boden ist nur sehr wenig DOC und praktisch kein AOC vorhanden. Bei längeren Regenereignissen kann es aber dazu kommen, dass nährstoffreiches Wasser aus dem Gewässer in das Einzugsgebiet des Pumpwerkes infiltriert. Aufgrund der Gefahrenanalyse besteht in diesem Fall das Risiko einer Wiederverkeimung des Trinkwassernetzes. Nun hat eine Messkampagne ergeben, dass sich das hochwertige Grundwasser und das Flusswasserinfiltrat bezüglich Temperatur und Leitfähigkeit klar unterscheiden. Anstatt eine teure optische Sonde zur SAK oder DOCeq-Messung anzuschaffen, reicht es hier einen günstigen und wartungsarmen Leitfähigkeitssensor mit integriertem Temperaturfühler zu installieren. 

Was kann ein Messtechniklieferant – und was nicht? 

Es liegt auf der Hand, dass es keine allumfassende Lösung bezüglich Messtechnik gibt: Jede Wasserversorgung ist einmalig. Bei einem Kaufentscheiden rund um die Messtechnik geht es auch um organisatorische Fragen: Reicht das bestehende Pensum des Brunnenmeisters für eine Wartung von Online-Analytik aus? Müssen zusätzliche Dienstleistungen eingekauft werden? 

Als Lieferant können wir unsere Kunden bei Fragen rund um Messtechnik beraten und Informationen zur Entscheidungsfindung zur Verfügung stellen. Die Erstellung eines HACCP-Konzeptes und die Abwägung der Vor- und Nachteile von unterschiedlichen Systemen muss aber bei der Wasserversorgung geschehen – gegebenenfalls mit unabhängiger, externer Beratung. 

Ein herzliches Dankeschön an Rahel Oechslin (Abteilungsleiterin Chemie Qualitätsüberwachung, Wasserversorgung Zürich) für das Lektorieren des Textes. 

Autor: Stefan Vogel

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