Chemischer Sauerstoffbedarf (CSB) - Biochemischer Sauerstoffbedarf (BSB)

1. Introduction

Wasser ist eine wichtige und unentbehrliche Grundlage unseres Lebens. Wir benötigen es als Trinkwasser genauso wie für den täglichen persönlichen Bedarf im Haushalt und in großen Mengen in der Industrie als Kühl- und Brauchwasser. Als Wasserquelle dienen uns dabei hauptsächlich Oberflächengewässer wie Flüsse und Seen und das Grundwasser. Beide sind Bestandteile des natürlichen Wasserkreislaufes. Mit jeder Entnahme von Wasser greifen wir also in diesen Kreislauf ein und stören ihn damit mehr oder weniger. Doch neben der Wasserentnahme geben wir benutztes Wasser als sog. Abwasser wieder in den Kreislauf zurück. Dieses Abwasser ist mit Stoffen angereichert, die entweder im natürlichen System so nicht zu ⇒nden sind oder nur in wesentlich geringeren Konzentrationen auftreten. Um einen annähernd natürlichen Zustand der Gewässer zu erhalten, muß man einerseits Abwässer vor der Einleitung reinigen und andererseits die Qualität der Gewässer überwachen. Dazu bestimmt man physikalisch und physikalisch-chemische Parameter wie z.B. Trübung, pH- Wert, Temperatur und Gehalt an best. An- und Kationen. Daneben gibt es noch sog. Summenparameter, die Aussagen über in Wasser vorhandene absetzbare ungelöste Stoffe, nicht absetzbare ungelöste Stoffe und nicht absetzbare gelöste Stoffe machen. Letztere bilden etwa ° der Gesamtschmutzfracht kommunaler Schmutzwässer und werden durch indirekte Methoden bestimmt. Dabei erfaßt man die Sauerstoffmenge, die zur mikrobiologischen oder chemischen Oxidation der organischen Schmutzstoffe bis zu anorganischen Endprodukten notwendig ist und benutzt diese als Maß für den Gehalt an organischen Schmutzstoffen. Zwei dieser Parameter, nämlich den BSB und den CSB, wollen wir hier näher vorstellen.

2. Biochemischer Sauerstoffbedarf (BSB)

2.1. Was ist der BSB?

Def. nach HÜTTER (1994): Als Biochemischen Sauerstoffbedarf (BSB) bezeichnet man die volumenbezogene Masse an Sauerstoff, die von den Mikroorganismen verbraucht wird, um die im Wasser vorhandenen organischen Stoffe bei 20°C oxidativ abzubauen.

- Angabe im mg O2 / l H2O
- Die beim Abbau bei 20°C dem Wasser entzogene Sauerstoffmenge wird auf eine bestimmte Anzahl von Tagen bezogen, im Fall des BSB5 auf 5 Tage.
- BSB ist ein Maß für die biologische Aktivität eines Gewässers
- Abbau org. Stoffe führt zu Sauerstoffentzug, möglicherweise zu Sauerstoffmangel im Gewässer → Absterben der O2-atmenden Lebewesen → Zusammenbruch der Gewässerökologie ↲
- Grenzwert für BSB5 bei Abwassereinleitung in Gewässer - Überwachung durch Wasserbehörden
- Biologische Oxidation dauert bedeutend länger als vergleichbare chemische Prozesse → für vollständigen Abbau org. Stoffe in häuslichen Abwässern benötigen Mikroorganismen ca. 20 Tage (BSB20)
- In der Praxis wird meist der BSB5 bestimmt (Zeit!) → = 70%iger Abbau, in einigen Fällen genügt es auch den BSB1 oder BSB2 (Fischereigewässer) zu bestimmen (→ Umrechnungsfaktoren Bsp: BSB1 → BSB5 = BSB1 * 3,33).
- Einflußfaktoren auf den BSB:

⇒ Art und Anzahl der vorhandenen Mikroorganismen im Wasser

⇒ geeignete Lebensbedingungen für die Mikroorganismen ausreichendes Sauerstoff- und Nährstoffangebot Temperatur: Standard 20°C

keine toxischen Stoffe, die Bakterientätigkeit hemmen

⇒ Art und Konzentration der verwertbaren Stoffe

⇒ Licht (Dunkelheit!

→ Verhinderung des Algenwachstums) § Mikrobielle Oxidation läuft in zwei Stufen ab:

1. oxidativer Abbau des C-Gerüstes unter Freisetzung des org. gebundenen N in Form von NH4-N
2. Nitri⇒kation: NH4-N → NO2- → NO3- (1mg NH4-N benötigt 4,27mg/l O2 [HÜTTER 1994])

2.2. Bestimmung des BSB

BSB-Bestimmung im Labor versucht alle natürlichen Selbstreinigungsprozesse in Gewässern bzw. die Prozesse der biologischen Abwasserreinigung nachzuvollziehen.

Varianten der BSB-Bestimmung:

- Methode nach Winkler → Verdünnungs-BSB (nach DIN 38 409-H 51)
- Methode nach Viehl → Bestimmung des BSB in mit reinem O2 angereicherten Proben
- Prinzip nach Warburg → Bestimmung des BSB aus der Sauerstoffzehrung (manometrisch) als Druckabfall in der über der Wasserprobe be⇒ndlichen Gasphase
- Verfahren nach Leithe → Bestimmung des BSB5 aus der Differenz der CSB-Werte zu Beginn und am Ende der fünftägigen Inkubation

2.3. Beispiele für die Anwendung des BSB

- Vergleichbarkeit von Abwässern aus Industrie und Haushalt mittels EGW (Einwohnergleichwert):

1 EGW = 60g BSB5/Tag → Sauerstoff, der nötig ist, um 70% der Menge an biologisch abbaubaren Stoffen, die ein Durchschnittsbürger pro Tag mit dem Abwasser produziert, abzubauen. Diese Menge an abbaubaren Stoffen sind in etwa 130 - 150l Abwasser enthalten [Fritsche 1999].

- Bestimmung der Gewässergüte anhand des BSB5

3. Chemischer Sauerstoffbedarf (CSB)

3.1. Was ist der CSB?

- Neben BSB spielt CSB eine große Rolle bei der Beurteilung von häuslichen und gewerblichen Abwässern
- CSB ist ein Summenparameter und Verschmutzungsindikator für die org. Belastung eines (Ab-)wassers

Def. nach HÜTTER (1994): Als Chemischen Sauerstoffbedarf (CSB) bezeichnet man die volumenbezogene Masse an Sauerstoff, die einem Oxidationsmittel zur Oxidation organischer Stoffe zu CO2 und H2O entzogen wird. Oxidationsmittel sind dabei K2Cr2O7 und KMnO4.

3.2. Bestimmungsmethoden für den CSB

Es sind vier Verfahren gebräuchlich:

1. Maßanalytisch nach DIN 38 409-H 41 (Bestimmung des CSB im Bereich > 15mg/l)
2. Maßanalytisch nach DIN 38 409-H 44 (Bestimmung des CSB im Bereich < 15mg/l)
3. Photometrisch: CSB-Küvettentest
4. Maßanalytisch über KMnO4-Verbrauch

Wirkungsprinzip:

- Analysenprobe wird mit Kaliumdichromat als Oxidationsmittel und Silbersulfat als Katalysator in stark schwefelsaurer Lösung 120min auf 148°C erhitzt.
- Dabei oxidieren die Cr(VI)-Ionen die organischen Stoffe und werden dabei zu Cr(III)- Ionen reduziert.

⇒ Gleichung: Cr2O72- + 6e- + 14H3O+ → 2Cr3+ + 21 H2O [HÜTTER (1994), S.305]

3.3. Anwendung des CSB

Einteilung der Gewässergüteklasse nach CSB [BAUR (1998)]:

Gewässergüteklasse CSB [mg/l]

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

4. Zusammenfassung und Ausblick

CSB und BSB spiegeln die Komplexität des organischen Materials in Gewässern in gewissem Maße wider. Sie dienen neben DOC und TOC der schnellen Beurteilung des Belastungszustandes eines Gewässers. Der BSB gibt indirekt den organischen Kohlenstoffanteil wieder, da Mikroorganismen für den Abbau Sauerstoff benötigen. Der CSB gibt den Verbrauch eines Oxidationsmittels an. Generell gibt das Verhältnis von CSB zu BSB den Anteil mikrobiell abbaubarer Inhaltsstoffe an der Gesamtmenge oxidierbarer Stoffe wieder. Industrieabwässer haben ein CSB : BSB - Verhältnis von 2 : 1, kommunale Abwässer von 1,5 : 1. Wichtig zu erkennen ist, daß die Ergebnisse von CSB und BSB nicht unmittelbar miteinander verglichen werden können, da der BSB zum Beispiel nur mikrobiell abbaubare Stoffe oxidiert. Außerdem sind beide Größen Summenparameter, hinter denen sich die äußerst komplexe Natur der organischen Verbindungen verbirgt. [SIGG u. STUMM (1994)]

CSB und BSB sind Momentaufnahmen. Wenn die Ergebnisse vorliegen, ist die Verunreinigung schon weitergezogen. Deshalb ist es wichtig, chemische und physikalische Parameter mit der biologischen Beurteilung zu kombinieren, da diese ein Langzeitparameter ist.

Grundsätzlich sollte Gewässerschutz nicht erst mit der Aufnahme vorhandener Belastungen beginnen, sondern diese bereits im Vorfeld verhindern.

Literaturverzeichnis:

- Hütter, L. A. (1994): Wasser und Wasseruntersuchung, 6.Auflage, Salle + Sauerländer: Frankfurt/Main
- Baur, W. H. (1998): Gewässergüte bestimmen und beurteilen, 3.Auflage, Parey Buchverlag: Berlin
- Bever, J., Stein, A., Teichmann, H. [Hrsg.] (1993): Weitergehende Abwasserreinigung, 2.Auflage, Oldenbourg-Verlag: München
- Fritsche, W. (1998): Umweltmikrobiologie: Grundlagen und Anwendungen, 1.Auflage, Gustav Fischer Verlag: Jena
- Fritsche, W. (1999): Mikrobiologie, 2.Auflage, Spektrum Akademischer Verlag Heidelberg: Berlin
- DIN Deutsches Intsitut für Normung e.V. [Hrsg.] (1987): Abwasser-Analysenverfahren: Normen, WHG, AbwasserVwV, 1.Auflage, Beuth Verlag: Berlin
- Verbindungsstelle Landwirtschaft-Industrie e.V. [Hrsg.] (1988): Produktionsfaktor Umwelt: Wasser, 1.Auflage, VDI Verlag: Düsseldorf
- Sigg, L., Stumm, W. (1994): Aquatische Chemie, 3.Auflage, Verlag der Fachvereine: Zürich, Teubner-Verlag: Stuttgart