CSB-Rechner - Chemischen Sauerstoffbedarf aus Titrationsdate berechnen

Was ist der chemische Sauerstoffbedarf (CSB)?

Der chemische Sauerstoffbedarf (CSB) ist ein Maß dafür, wie viel Sauerstoff benötigt wird, um die organischen Stoffe in einer Wasserprobe chemisch abzubauen. Er wird in Milligramm Sauerstoff pro Liter Wasser (mg/L) angegeben. Ein höherer CSB-Wert bedeutet, dass das Wasser mehr oxidierbare Stoffe enthält, was in der Regel auf eine stärkere organische Verschmutzung hinweist. Labore bestimmen den CSB durch Titration; dieser Rechner wandelt die Titrationswerte in ein CSB-Ergebnis um.

Der CSB gehört zu den häufigsten Prüfungen in der Wasserqualitätsanalyse. Kläranlagen bestimmen ihn, um das zulaufende und ablaufende Wasser zu kontrollieren. Umweltwissenschaftler verwenden ihn zur Untersuchung von Flüssen und Seen. Fabriken nutzen ihn, um nachzuweisen, dass ihr Abwasser die gesetzlichen Grenzwerte einhält.

Durchführung der Dichromat-Titrationsprüfung

Bei der standardmäßigen CSB-Prüfung wird eine Chemikalie namens Kaliumdichromat verwendet, um die organischen Stoffe in einer Wasserprobe zu oxidieren. Ein Labormitarbeiter erhitzt die Probe mit Dichromat und einer starken Säure zwei Stunden lang bei 150 °C (302°F). Das Dichromat, das nicht mit der Probe reagiert hat, wird anschließend durch Titration bestimmt. Dabei wird langsam eine zweite Chemikalie (Eisen(II)-ammoniumsulfat) hinzugegeben, bis eine Farbänderung das Ende der Reaktion anzeigt.

Die Prüfung wird zweimal durchgeführt: einmal mit der tatsächlichen Wasserprobe und einmal mit einem Blindansatz, also derselben Chemikalienmischung ohne Zugabe einer Wasserprobe. Die Blindprobe zeigt die maximal mögliche Menge an Titrationsmittel. Der Vergleich der Titration der Blindprobe mit der Titration der Probe zeigt, wie viel Dichromat die organischen Stoffe in der Probe tatsächlich verbraucht haben.

CSB-Formel

Die CSB-Formel lautet:

$C = \frac{(B - S) \times N \times 8000}{V}$

Dabei gilt:

• C = der chemische Sauerstoffbedarf in mg/L
• B = Volumen des für den Blindversuch verwendeten Titriermittels in ml
• S = das für die Wasserprobe verwendete Titrantvolumen in ml
• N = Normalität des Titrationsmittels in Äquivalenten pro Liter (eq/L)
• V = das Volumen der aufgeschlossenen Wasserprobe in ml
• 8000 = eine feste Umrechnungszahl (weiter unten erläutert)

Das Ergebnis kann niemals negativ sein, da ein negativer Sauerstoffbedarf physikalisch nicht möglich ist. Der Rechner prüft die Eingaben, bevor er die Formel anwendet. Das Volumen der Blindprobe, die Normalität und das Probenvolumen müssen alle größer als null sein. Das Volumen des Titrationsmittels für die Probe muss null oder größer sein und darf nicht größer als das Volumen der Blindprobe sein.

Warum die Formel 8000 verwendet

Sauerstoff hat eine Molekülmasse von 32 Gramm pro Mol. Jedes Mol Sauerstoffmoleküle nimmt bei der Reduktion zu Wasser 4 Elektronen auf, daher wiegt ein Äquivalent Sauerstoff 32 ÷ 4 = 8 Gramm. Das entspricht 8 Milligramm pro Milliäquivalent. Die Volumina des Titrationsmittels werden in Millilitern angegeben, daher muss das Ergebnis zusätzlich von Millilitern auf Liter umgerechnet werden, was einen weiteren Faktor von 1000 ergibt. Die Multiplikation der beiden Faktoren ergibt 8 × 1000 = 8000.

Rechenbeispiel

Angenommen, ein Labormitarbeiter führt eine CSB-Prüfung mit folgenden Ergebnissen durch:

• Volumen des Titrationsmittels für die Blindprobe: 10,0 mL
• Volumen des Titrationsmittels für die Probe: 7,5 mL
• Normalität des Titrationsmittels: 0,1 N
• Probenvolumen: 20 mL

Anwendung der Formel:

CSB = ((10,0 − 7,5) × 0,1 × 8000) / 20 CSB = (2,5 × 0,1 × 8000) / 20 CSB = 2000 / 20 = 100 mg/L

Ein Ergebnis von 100 mg/L liegt im mittleren Bereich und ist typisch für behandeltes Abwasser.

Interpretation eines CSB-Ergebnisses

Der Rechner ordnet das Ergebnis drei Bereichen zu:

• Unter 50 mg/L: niedriger CSB. Typisch für sauberes Wasser, etwa Trinkwasser oder gut behandeltes Ablaufwasser.
• Von 50 mg/L bis unter 200 mg/L: mittlerer CSB. Typisch für behandeltes Abwasser, das eine Kläranlage verlässt.
• 200 mg/L und höher: hoher CSB. Weist auf eine starke organische Verschmutzung hin, etwa durch Rohabwasser oder unbehandeltes industrielles Abwasser.

Unbehandeltes häusliches Abwasser liegt gewöhnlich zwischen etwa 250 und 1.000 mg/L. Industrielles Abwasser, etwa aus Brauereien oder Lebensmittelbetrieben, kann vor der Behandlung mehrere tausend mg/L erreichen.

Häufige Probleme bei einer CSB-Prüfung

Das Volumen des Titrationsmittels für die Probe ist größer als das der Blindprobe. Das dürfte nicht vorkommen, da die Probe immer einen Teil des Dichromats verbraucht. Meist wurden die beiden Messwerte vertauscht oder die Blindprobe wurde verunreinigt. Der Rechner weist diese Eingabe zurück und zeigt statt eines Ergebnisses eine Fehlermeldung an.

Chloridinterferenz. Salzwasser und Salzlösungen enthalten Chloridionen, die vom Dichromat auf dieselbe Weise oxidiert werden wie organische Stoffe. Dadurch fällt der CSB-Wert zu hoch aus. Standard Methods 5220 sieht die Zugabe von Quecksilbersulfat zur Aufschlussmischung vor, um das Chlorid zu binden. Das Verfahren gilt jedoch nicht für Proben mit mehr als etwa 2.000 mg/L Chlorid; dafür ist ein anderes Verfahren erforderlich.

Sehr hohe Ergebnisse. Ist der CSB einer Probe zu hoch, um mit der Prüfung genau gemessen zu werden, verdünnen Labore die Probe mit sauberem Wasser, wiederholen die Prüfung und multiplizieren das Ergebnis mit dem Verdünnungsfaktor.

Häufig gestellte Fragen

Was ist der Unterschied zwischen CSB und BSB? Der CSB erfasst alle Bestandteile einer Probe, die durch ein starkes chemisches Oxidationsmittel abgebaut werden können. Der biochemische Sauerstoffbedarf (BSB) erfasst nur das, was Bakterien innerhalb von 5 Tagen abbauen können. Die CSB-Bestimmung dauert etwa 2 Stunden und liefert zwischen Laboren vergleichbarere Ergebnisse. Der BSB sagt besser voraus, wie sich die Einleitung in einem natürlichen Fluss oder See auswirkt, da Flüsse Abfälle biologisch und nicht chemisch abbauen.

Warum kann der CSB nicht negativ sein? Der Sauerstoffbedarf kann nicht unter null liegen. Ein negatives Ergebnis in der Formel bedeutet, dass bei der Titration der Probe mehr Titrant verwendet wurde als bei der Blindprobe. Das weist auf einen Messfehler oder eine Kontamination hin, nicht auf einen tatsächlich negativen Bedarf. Der Rechner akzeptiert diese Eingabe nicht und fordert korrigierte Messwerte an. Wenn die beiden Titrationen exakt übereinstimmen, beträgt der Bedarf 0 mg/L.

Welches Probenvolumen sollte verwendet werden? Das hängt von der Methode ab. Bei der Variante mit offenem Rückfluss nach Standard Methods 5220 werden 50 mL aufgeschlossen. Bei der Variante mit geschlossenem Rückfluss werden deutlich kleinere Gefäße verwendet und nur wenige Milliliter aufgeschlossen. Der Rechner akzeptiert jedes Volumen über null. Daher ist das Volumen einzugeben, das im Labor tatsächlich aufgeschlossen wurde.

Ist dieser Rechner genau? Der Rechner wendet die Formel exakt an, daher ist seine arithmetische Berechnung korrekt. Die Genauigkeit des endgültigen CSB-Werts hängt von der Genauigkeit der eingegebenen Labormessungen ab, einschließlich der Titrationsvolumina und der Normalität des Titranten.

Kann der CSB für industrielles Abwasser verwendet werden? Ja. Die gleiche Formel gilt für jede Wasserprobe. Industrieproben weisen häufig einen deutlich höheren CSB auf als häusliches Abwasser und müssen vor der Titration möglicherweise verdünnt werden, damit das Ergebnis im messbaren Bereich des Tests liegt.

Referenzen

1. American Public Health Association, American Water Works Association und Water Environment Federation. (2017). Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater (23. Auflage).
2. U.S. Environmental Protection Agency. (1993). Verfahren 410,4: Bestimmung des chemischen Sauerstoffbedarfs durch halbautomatische Kolorimetrie.
3. ISO 6060:1989. Wasserqualität — Bestimmung des chemischen Sauerstoffbedarfs. Internationale Organisation für Normung.
4. Tchobanoglous, G., Burton, F. L. & Stensel, H. D. (2014). Wastewater Engineering: Treatment and Resource Recovery (5. Auflage). McGraw-Hill Education.