Summenparameter

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Summenformeln

Begriff: Summenparameter liefern Information über komplex zusammengesetzte Probelösungen auf

Grund einer Größe. Diese Größe geht von

gemeinsamen physikalischen, chemischen oder

Wirkungs-Eigenschaften der zu erfassenden

Inhaltsstoffe des Wassers/Abwassers aus.

 

 

 

 

Vorteile:

- Schnell durchführbar

- Geringer Aufwand

- Übersichtsartige Aussage

 

 

 

Nachteile:

- Keine differenzierte Aussage (toxisch/nicht toxisch…)

- Unspezifische Verfahren (Querempfindlichkeit!)

 

 

Bedeutung:

- schnelle, einfache Charakterisierung von Wasserproben

- Regelgröße für Dimensionierung und Optimierung von Kläranlagen

- Festlegung/Überprüfung von Grenzwerten

 

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CSB (Chemischer Sauerstoff-Bedarf)

COD (Chemical Oxygen Demand)

 

 

Aussage:

- Summenparameter für die Verschmutzung von Wasser/Abwasser mit oxidierbaren, organischen Stoffen

- keine Aussage über Art der Verbindung

- Kein Rückschluss auf die Masse an organischer

 

 

Substanz möglich, da der Sauerstoffbedarf von der

Oxidationszahl des Kohlenstoffs in der Verbindung

abhängt (560mg Oxalsäure und 48mg Ethanol haben

den gleichen CSB von 100mg O2/L)

 

Typische Werte für den CSB (in mg O2/L):

- Trinkwasser 0,1-2

- Unbelastetes Oberflächengewässer 1-5

- Belastetes Oberflächengewässer 5-100

- Kommunales Abwasser 200-600

 

 

 

Chemische Grundlagen:

Organische Substanzen werden in stark H2SO4-saurem Milieu mit K2Cr2O7 zu CO2 und H2O oxidiert. Die Angabe des Ergebnisses erfolgt in mgO2/L.

 

 

Theoretisch:

C2H5OH + 3 O2 2CO2 + 3H2O

 

 

Praxis:

C2H5OH + 2Cr2O72- + 16H+ 2CO2 + 11H2O + 4Cr3+

 

 

Daraus folgt:

1mol K2Cr2O7 = 1,5 mol O2

 

Störungen:

Alle durch Cr2O72- oxidierbaren anorganischen

 

 

Verbindungen: Chlorid, Nitrit, Sulfid…

Cr2O72- + 6Cl- + 14H+ 2Cr3+ + 3Cl2 + 7H2O

 

 

Abhilfe:

Bis 1g Cl-/L: Zusatz von HgCl2:

Hg2+ + 4 Cl- [HgCl4]- Komplex ist nicht oxidierbar

Höhere Chlorid-Konzentrationen: Verdünnen oder

abdestillieren als HCl nach H2SO4-Zusatz

 

 

 

Normmethode (DIN 38409- H41):

- Probelösung + H2SO4konz. + K2Cr2O7 (definierter Überschuss) + HgSO4 (Chlorid!) + Ag2SO4 (Oxidationskatalysator)

- 2h Rückflusskochen oder bei 4-facher Ag2SO4-Menge nur 10 Minuten kochen (Kurzzeitmethode)

- Verbrauch an Cr2O72- bestimmen: Indirekt durch Titration des überschüssigen Dichromats mit (NH4)2Fe(SO4)2 und Ferroin als Redoxindikator:

Cr2O72- + …Fe2+ + …H+ …Cr3+ + …Fe3+ + …H2O

 

Fe H Cr Fe „Schnelltest“ („Küvettentest“)

- Chemikalien liegen in verschraubbaren Rundküvetten

vor. Probelösung wird zupipettiert

- Erhitzen im Heizblock

- Photometrische Bestimmung:

a) indirekt: überschüssiges Dichromat bei 435nm

(orange). Messbereich: 10-150mg O2/L

b) direkt: entstandenes Cr 3+ wird bei 620nm

gemessen. Messbereich: 100-1000mg O2/L

Beide Methoden liefern sehr problematische Abfälle!

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Permanganatindex

 

 

Chemische Grundlagen:

Ähnlich CSB: organische Substanzen werden in stark H2SO4-saurem Milieu mit KMnO4 zu CO2 und H2O oxidiert.

MnO4- + 5e- + 8H+ Mn2+ + 4H2O

 

 

Die Angabe des Ergebnisses erfolgt in mg O2/L.

Aussage:

Permanganatindex ist nur für die Beurteilung von Trink- und Oberflächengewässer (Badegewässer) geeignet.

In gewerblichen oder Industrieabwässern enthalteneStoffe (Fette, Öle, diverse Industriechemikalien..)werden durch Permanganat (im Gegensatz zur

Oxidation mit K2Cr2O7) nicht oder nur teilweise oxidiert.

Durchführung:

- Probe + H2SO4 + KMnO4 (in definiertem Überschuss)

- 10 Minuten am Wasserbad erhitzen

- Zugabe einer, der KMnO4-Menge äquivalenten Menge an Oxalsäure (Na-Oxalat)

- Titration des Oxalsäureüberschusses mit einer KMnO4-Maßlösung

- Auswertung/Berechnung: analog CSB

BSB (Biochemischer Sauerstoff-Bedarf)

 

 

Begriff:

Masse an Sauerstoff, die von Mikroorganismen bei der biochemischen Oxidation von in 1L Wasser enthaltenen organischen Substanzen bei 20oC im Verlauf von n Tagen verbraucht wird. Angabe des Ergebnisses erfolgt in mg O2/L.

 

 

Biochemische Grundlagen:

Mikroorganismen verwerten Wasserinhaltsstoffe als „Nahrung“.

Dabei werden organische Makromoleküle (Kohlehydrate, Fette, Eiweiß) in niedermolekulare Einheiten abgebaut (Monosaccaride, Glycerin, Fettsäuren, Aminosäuren).

 

Aus diesen werden wieder arteigene Makromoleküle (neue Zellsubstanz) aufgebaut. Ab- und Aufbau benötigt Energie, die durch Oxidation gewonnen wird: z.B.:

C6H12O6 + 6 O2 6 CO2 + 6 H2O + Energie

 

Den für die Oxidation nötigen Sauerstoff entziehen die Mikroorganismen dem Wasser (Löslichkeit: 8-9mg O2/L).

Die eigentlichen biochemischen Oxidationsreaktionen erfolgen in der

„Atmungskette“. Dabei wird freiwerdenden Energie als ATP gespeichert:

ADP (Adenosindiphosphat) + Energie  ATP(Adenosintriphosphat)

 

 

Neben der Gewinnung von Energie durch Oxidation organischer Substanzen können spezielle Mikroorganismen auch durch biochemische Oxidation von NH4+-Ionen zu NO2

- bzw. NO3

-Energie gewinnen und dabei O2 verbrauchen. Diesen Vorgang

bezeichnet man als Nitrifikation.

NH4+ + 2 O2 NO3- + H2O + 2 H+ + Energie

Die Nitrifikation setzt meist erst nach mehreren Tagen ein. Sie kann

bei der BSB-Bestimmung durch Zugabe von Hemmstoffen

 

 

Störungen:

- Anorganische Substanzen, die durch O2 oxidiert werden können und somit O2 verbrauchen: Fe2+, SO32-, S2-…..

- Toxische Stoffe oder Stoffe, die die biochemische Aktivität der Bakterien hemmen.

 

 

Aussage:

- Summenparameter für die Verunreinigung eines Wassers mit biochemisch abbaubaren Stoffen

- Maßzahl für die zu erwartende Belastung des Sauerstoffhaushaltes eines Gewässers

- Wichtiger Parameter zur Berechnung des notwendigen Sauerstoffeintrages für die biologische Abwasserreinigung (Belebtschlammverfahren)

- Je nach Aufgabenstellung wird die Nitrifikation miterfasst oder unterbunden

- Leicht abbaubare Verbindungen, wie sie in kommunalem Abwasser hauptsächlich vorkommen, werden in 5 Tagen zu ca.70% abgebaut (BSB5 = 0,7 x CSB). Nach 20 Tagen ist der Abbau nahezu vollständig (BSB20 = CSB)

- Neben dem Absolutwert für den BSB ist die Angabe des Verhältnisses BSB/CSB sinnvoll (abbaubarer Anteil zu Gesamtmenge an oxidierbaren Stoffen)

 

 

Bestimmungsmethoden:

 

 

Prinzip:

- Probe wird mit Überschuss an Sauerstoff in Kontakt gebracht (je nach Methode mit 02-gesättigtem Wasser, Luft oder reinem 02)

- Der Sauerstoffverbrauch für eine bestimmte Zeitspanne (z.B.: 5 Tage) wird ermittelt

- Keimarmes Wasser muss beimpft werden. Als Impflösung (Inoculum) werden Erdextrakte, Abwässer einer Kläranlage etc. verwendet

- Eine ausreichende Versorgung der Mikroorganismen mit anorganischen Nährsalzen und Spurenelementen muss sichergestellt sein (N, P, K, Ca, Mg, Fe..)

 

 

Varianten der BSB-Bestimmung:

- Verdünnungsmethode

- Manometrisches Verfahren

- Coulometrische Methode

TOC (Total Organic Carbon)

 

 

Begriffe:

TOC: Summe des Gehaltes an ungelöstem und gelöstem organisch gebundenen Kohlenstoffs

DOC: Dissolved Organic Carbon Gehalt an gelöstem organisch gebundenen

Kohlenstoff (TOC einer filtrierten Probe)

TIC: Total Inorganic Carbon Summe des Gehaltes an ungelöstem und gelöstem anorganisch gebundenenKohlenstoffs (CO32-, HCO3-, CO2)

TC: Total Carbon = TOC + TIC

NPOC: Non Purgeable Organic Carbon

Nicht ausblasbarer (schwerflüchtiger) organisch

gebundener Kohlenstoff

 

 

Chemische Grundlagen:

TIC-Bestimmung: Ansäuern der Probelösung (mit H3PO4):CO32- + 2H+ CO2 + H2O

CO2 wird mit Inertgas ausgetrieben und quantitativ bestimmt (NDIR-Detektor)

TOC-Bestimmung: Oxidation des organisch gebundenen Kohlenstoffs zu CO2 und

anschließende quantitative Bestimmung.

Variante 1: KOROLEFF-Aufschluss:

Oxidation mit Peroxodisulfat bei 700C in saurem

Medium unter UV-Bestrahlung:

S2O82- + 2H+ + 2e- 2HSO4-

VT: Hohe Empfindlichkeit (große Probenaliquote

möglich)

NT: Nicht für feststoffhaltige Proben

Variante 2: Verbrennung

Im O2-Strom bei 850oC (Katalysatoren)

VT: auch für feststoffhaltige Proben

NT: Aliquote begrenzt (500μL)

 

 

 

Aussage:

Summenparameter für die Verschmutzung eines Wassers mit organischen Verbindungen Prinzipiell gleiche Aussage wie CSB, aber:

CSB gibt den O2-Bedarf für die Oxidation organischer Verbindungen an

TOC gibt den C-Gehalt der organischen Verbindungen an.

Es gibt keine konstante Beziehung zwischen CSB und TOC:

 

Das Verhältnis CSB/TOC nennt man spezifischer Sauerstoffbedarf (gibt an, wieviel mg O2 für die Oxidation von 1mg C benötigt wird)

Für kommunales Abwasser gilt:

Spezifischer Sauerstoffbedarf: 2,5-3,5mg O2/mgC

 

Verbindung C-Gehalt OZ des C CSB CSB/TOC

 

1mg Oxalsäure 0,27mg +III 0,18mg O2 0,67

 

1mg Ethanol 0,52mg -II 2,1mg O2 4,0