Eröffnet die TOC-Analyse neue Möglichkeiten in der Abwasseraufbereitung und -analyse?

Abwasseranalysen sind heutzutage von entscheidender Bedeutung, insbesondere wenn es darum geht, Menschen Zugang zu sauberem und sicherem Trinkwasser zu ermöglichen und natürliche Wasserquellen frei von Verunreinigen zu halten. In diesem Zusammenhang sind Umweltforscher auf nachhaltige und effiziente Werkzeuge und Methoden angewiesen, die stets genaueste Ergebnisse liefern.

Derzeit gibt es drei Hauptmethoden zur Messung der organischen Anteile in Abwasser. Labore verlassen sich hierfür seit vielen Jahren auf bewährte Methoden zur Bestimmung des biochemischen Sauerstoffbedarfs (BSB) und des chemischen Sauerstoffbedarfs (CSB). Diese Methoden sind jedoch auch mit signifikanten Nachteilen verbunden.

In den letzten Jahren hat die Messung des gesamten organischen Kohlenstoffs (TOC) in vielen Branchen jedoch zunehmend an Bedeutung gewonnen, da viele der üblichen Einschränkungen bei BSB- und CSB-Messungen hiermit der Vergangenheit angehören. Mit der TOC-Messung profitieren Umweltforscher von zuverlässigeren und nützlicheren Erkenntnissen zu Verunreinigungen sowie zur Wirksamkeit von Wasseraufbereitungssystemen auf der ganzen Welt.

In diesem Artikel beschäftigen wir uns damit, warum alternative Methoden in der Abwasseranalyse eine wichtige Rolle spielen und wie Labore ermitteln können, ob die BSB-, CSB- oder TOC-Bestimmung für ihre Anforderungen am besten geeignet ist.

Laut Daten der Vereinten Nationen werden 80 % des weltweit anfallenden Abwassers derzeit nicht aufbereitet. Dadurch gelangen viele unterschiedliche Schadstoffe in das Trinkwasser und die Umwelt, angefangen von menschlichen Ausscheidungen bis hin zu toxischen Industrieabfällen.

Krankheitserreger, organische Stoffe, chemische Schadstoffe und Mikroplastikpartikel können das Wasser für die menschliche Nutzung unbrauchbar machen sowie negative Auswirkungen für Meerestiere und lokale Ökosysteme mit sich bringen. Somit besteht ein großer Investitionsbedarf, um die aktuell bestehende Infrastruktur für die Abwasseranalyse und -behandlung zu verbessern und einen Beitrag zum öffentlichen Gesundheitswesen sowie zum Umweltschutz in Industrie- wie auch Entwicklungsländern zu leisten.

In der Vergangenheit wurden die organischen Verunreinigungen in Abwasser hauptsächlich durch Bestimmung der BSB- und CSB-Werte ermittelt. Beide Methoden gelten seit vielen Jahrzehnten als Standard in der Abwasserwirtschaft und der Umweltwissenschaft. Allerdings gibt es bei diesen beiden Methoden auch einige wesentliche Einschränkungen zu beachten.

Bei der BSB-Bestimmung wird die Sauerstoffmenge gemessen, die die in einem Liter Wasser enthaltenen Mikroorganismen über einen Zeitraum von fünf Tagen verbrauchen. Diese Methode wird auch als BSB₅ bezeichnet. Dieser Ansatz liefert zwar nützliche Erkenntnisse, allerdings ist die BSB-Bestimmung aufgrund des Testzeitraums von fünf Tagen die langsamste und zudem kostenintensivste Testmethode. Darüber hinaus müssen bei diesem Verfahren sehr spezifische Anforderungen bei pH-Wert, Nährstoffgehalt und chemischer Zusammensetzung eingehalten werden, was die Durchführung in vielen Laboren zusätzlich erschwert.

Die CSB-Methode erfreut sich in der Branche größerer Beliebtheit, da sie nicht von wechselhaften mikrobiellen Prozessen abhängig ist und die einzelnen Messungen nur zwei bis vier Stunden in Anspruch nehmen – der wohl wichtigste Vorteil gegenüber der langsamen BSB-Bestimmung. Allerdings ist die CSB-Bestimmung mit anderen wichtigen Nachteilen verbunden, da hier hochgiftige und gefährliche Stoffe zum Einsatz kommen, die schwer zu handhaben und zu entsorgen sind. Zudem kommt es im Rahmen des Verfahrens zur Bildung gefährlicher Nebenprodukte.

Aufgrund dieser Nachteile besteht ein hoher Bedarf nach einer saubereren, schnelleren und effizienteren Analysemethode, bei der weniger Abfallprodukte anfallen und die eine brauchbare Alternative zur BSB- und CSB-Bestimmung darstellt.

In den letzten Jahren wurde diese Lücke zunehmend durch die TOC-Analyse geschlossen. Dank ihrer Effizienz, Zuverlässigkeit und der erweiterten Möglichkeiten wurde die TOC-Bestimmung von vielen Unternehmen als neuer Standardansatz zur Messung der organischen Anteile in Abwasser eingeführt.

Bei der TOC-Methode werden alle organischen Anteile in einer flüssigen Probe zu CO₂ oxidiert. Anorganische Kohlenstoffe werden durch Ansäuerung und Spülung entfernt und die organischen Kohlenstoffe anschließend mithilfe eines nichtdispersiven Infrarotsensors (NDIR) bei einer bestimmten Wellenlänge gemessen.

Diese Vorgehensweise bietet nachweislich einige wichtige Vorteile gegenüber der BSB- und CSB-Bestimmung:

• Sie liefert genaue Ergebnisse in drei bis zehn Minuten – im Vergleich zu zwei bis vier Stunden bei der CSB- und fünf Tagen bei der BSB-Bestimmung.
• Die TOC-Analyse liefert hochpräzise und zuverlässige Ergebnisse, insbesondere bei der Analyse komplexer Verbindungen in industriellen Abwässern.
• Bei der BSB- und der CSB-Analyse wird der Sauerstoffgehalt gemessen, der zur Stabilisierung organischer Stoffe erforderlich ist. Je nach Oxidationszustand der in der Probe enthaltenen Verbindungen können diese Werte jedoch stark schwanken. Bei der TOC-Analyse hingegen werden die Kohlenstoffkonzentrationen gemessen. Da diese Konzentrationen konstant bleiben, liefert diese Bestimmungsmethode wesentlich zuverlässigere Ergebnisse.
• Nach der Probenahme können die TOC-Analysatoren rund um die Uhr betrieben werden und erkennen selbst geringste Konzentrationen an organischen Verunreinigungen.
• Die Arbeitsabläufe bei der TOC-Analyse sind sauber und es ist kein Einsatz von gefährlichen Chemikalien erforderlich.

Die Sensitivität, Vielseitigkeit und Schnelligkeit der TOC-Methode hat zu einem weltweiten Wandel in der Abwasseranalyse geführt. Aufsichtsbehörden in den USA, Indien und Europa haben die Vorteile erkannt, die die TOC-Analyse bei der Überwachung, Auslegung, Modellierung und Betriebsanalyse von Abwassersystemen bietet.

Die TOC-Analyse kommt aktuell zwar häufig als Ergänzung und nicht als Ersatz für die BSB- und CSB-Bestimmung zum Einsatz, gewinnt aber zunehmend an Bedeutung und wird sich sehr wahrscheinlich als künftiger Standard für die Abwasseranalyse etablieren. Die TOC-Analyse ist schneller, präziser und sauberer und kommt ohne Einsatz gefährlicher Chemikalien aus.

Darüber hinaus werden kontinuierlich präzisere Nachweismethoden entwickelt, die die TOC-Bestimmung noch zuverlässiger und genauer machen, insbesondere bei der Erkennung der komplexeren Verbindungen in industriellen Abwässern. Ein wichtiges Beispiel hierfür ist die kürzliche Einführung des enviro TOC, eines neuen Analysegeräts zur optimierten Bestimmung der TOC- und TN_b-Werte (gesamter gebundener Stickstoff) in Umwelt- und Abwasserproben.

Mit der Entwicklung immer fortschrittlicherer und präziserer Testmethoden und zunehmend genauerer regulatorischer Vorgaben für die Wasseranalyse wird die TOC-Bestimmung weltweit immer mehr an Bedeutung gewinnen. Angesichts des anhaltenden industriellen Wachstums war eine präzise Abwasserüberwachung noch nie so wichtig wie heute – und die TOC-Analyse bietet die ideale Lösung für diese Herausforderung.