CSB-Rechner (Chemischer Sauerstoffbedarf)
Berechnen Sie den chemischen Sauerstoffbedarf (CSB) einer Wasserprobe per Dichromat-Rücktitration. Geben Sie die Verbrauchswerte der Blind- und Probentitration mit Eisen(II)-ammoniumsulfat, die Normalität der Maßlösung und das Probenvolumen ein – das Ergebnis erhalten Sie in mg/L als O₂.
CSB aus der Titration von Blindwert und Probe bestimmen
Formel für den chemischen Sauerstoffbedarf
Dabei bedeuten:
- \(V_b\) — Verbrauch der Blindprobe in mL, also die Menge FAS-Maßlösung für die Blindprobe aus destilliertem Wasser
- \(V_s\) — Verbrauch der Probe in mL, also die Menge FAS-Maßlösung für die aufgeschlossene Probe
- \(N\) — Normalität der Eisen(II)-ammoniumsulfat-Maßlösung (FAS/Mohrsches Salz) in eq/L
- \(S\) — Volumen der ursprünglichen Wasserprobe, das in den Rückflusskolben eingesetzt wurde (mL)
- \(8000\) — Umrechnungsfaktor: 8 mg/mval (das Milligrammäquivalent von O₂) × 1000 mL/L
Die Formel überführt die Differenz zwischen Blind- und Probenverbrauch in die Sauerstoffäquivalente der organischen Stoffe, die während des Aufschlusses Dichromat verbraucht haben.
Chemischer Sauerstoffbedarf – Rechenbeispiel
Beispiel: Eine Abwasserprobe wird mit Dichromat unter Rückfluss aufgeschlossen. Die Blindprobe verbraucht 25,0 mL einer 0,1 N FAS-Lösung, die aufgeschlossene Probe 20,5 mL; das Probenvolumen betrug 20 mL.
\[ \text{CSB} = \frac{(25 - 20.5) \times 0.1 \times 8000}{20} \]
\[ \text{CSB} = \frac{4.5 \times 0.1 \times 8000}{20} = 180 \ \text{mg/L als O}_2 \]
Ergebnis: 180 mg/L als O₂ — ein Wert, wie er für ein mäßig belastetes Abwasser typisch ist.
So benutzen Sie den CSB-Rechner
- Geben Sie den Verbrauch der Blindprobe (Vb) in mL ein — die Menge FAS, die nach dem Rückflussaufschluss für die Titration der destillierten Blindprobe benötigt wird.
- Geben Sie den Verbrauch der Probe (Vs) in mL ein — die Menge FAS für die Titration der aufgeschlossenen Probe. Dieser Wert muss kleiner oder höchstens gleich dem Verbrauch der Blindprobe sein.
- Geben Sie die Normalität der Maßlösung (N) ein — die Normalität der FAS-Lösung, die am Verwendungstag frisch eingestellt wurde (üblicherweise etwa 0,1 N).
- Geben Sie das Probenvolumen (S) in mL ein — das Volumen der ursprünglichen Wasserprobe im Rückflusskolben (in der Regel 20 mL).
- Lesen Sie den chemischen Sauerstoffbedarf (CSB) in mg/L als O₂ ab, zusammen mit einer Schritt-für-Schritt-Herleitung der Rechnung.
Was ist der chemische Sauerstoffbedarf?
Der chemische Sauerstoffbedarf (CSB) bezeichnet die Gesamtmenge an Sauerstoff, die nötig wäre, um die in einer Wasserprobe gelösten oder suspendierten organischen — und teilweise auch anorganischen — Stoffe chemisch zu oxidieren. Er gehört zu den meistgenutzten Kenngrößen der Wasserqualität in der Abwasserbehandlung, bei der Überwachung industrieller Einleitungen und in Gewässeruntersuchungen: Je höher der CSB, desto mehr oxidierbare Verschmutzung enthält das Wasser.
Beim Standardverfahren nach der Dichromatmethode (APHA Standard Methods 5220B, ISO 6060) wird die Probe rund zwei Stunden unter Rückfluss mit einem bekannten Überschuss an Kaliumdichromat (K₂Cr₂O₇) in stark saurer Lösung erhitzt, mit Silbersulfat als Katalysator. Oxidierbare Stoffe reduzieren dabei Cr₂O₇²⁻ zu Cr³⁺. Nach dem Aufschluss wird das verbliebene Dichromat mit Eisen(II)-ammoniumsulfat (FAS) gegen Ferroin als Indikator zurücktitriert.
Für die Berechnung ist die Differenz der beiden Verbrauchswerte entscheidend. Die Blindprobe enthält keine oxidierbaren Stoffe, ihr Dichromat übersteht den Aufschluss also vollständig, und für ihre Titration ist die volle Menge an FAS nötig. Die Probe verbraucht einen Teil ihres Dichromats, sodass weniger FAS benötigt wird. Die Differenz \(V_b - V_s\), multipliziert mit der Normalität der Maßlösung, ergibt den Verbrauch an Dichromat in Millival — und damit genau das Sauerstoffäquivalent der oxidierten Stoffe.
Der Faktor 8000 verdient eine kurze Erklärung. Sauerstoff (M = 32 g/mol) nimmt pro Molekül 4 Elektronen auf, sein Äquivalentgewicht beträgt also 32/4 = 8 g/eq bzw. 8 mg pro Millival. Die Multiplikation mit 1000 überführt die auf mL bezogene Titration auf die Basis pro Liter. Das Ergebnis wird daher als mg/L O₂ angegeben, obwohl bei der Analyse selbst gar kein Sauerstoff verbraucht wird.
Das Ergebnis einordnen
Einige Richtwerte helfen bei der Einordnung: Sauberes Flusswasser liegt typischerweise bei 5–30 mg/L, gut gereinigtes kommunales Abwasser bei 30–100 mg/L, unbehandeltes häusliches Abwasser bei 300–600 mg/L; bestimmte Industrieabwässer können mehrere tausend mg/L übersteigen. Einleitungsgenehmigungen enthalten meist einen Höchstwert für den CSB, weshalb das Ergebnis häufig unmittelbar mit einem Grenzwert verglichen wird.
Der CSB ist nicht dasselbe wie der biochemische Sauerstoffbedarf (BSB): Der CSB erfasst alles chemisch Oxidierbare — auch Verbindungen, die Bakterien nicht abbauen können — und liefert das Ergebnis in Stunden statt in den für den BSB₅ nötigen fünf Tagen. Bei den meisten Abwässern liegt das CSB/BSB-Verhältnis zwischen 1,5 und 3; ist dieses Verhältnis für einen bestimmten Abwasserstrom einmal ermittelt, lässt sich der CSB oft als schnelle Schätzung des BSB nutzen.
Voraussetzungen, Grenzen und praktische Hinweise
- Einstellen der Maßlösung: Die Normalität der FAS-Lösung muss am Verwendungstag gegen die Blindprobe oder einen Urtiter geprüft werden; FAS oxidiert bei der Lagerung langsam. Die Einstellung muss mit demselben Aufbau erfolgen wie die Probentitration.
- Probenverbrauch kleiner als Blindverbrauch: Wenn \(V_s > V_b\), stimmt etwas nicht — die Probe wurde nicht aufgeschlossen, die Volumina wurden vertauscht oder der Endpunkt der Titration wurde verpasst.
- Chlorid-Störung: Chloridionen werden von Dichromat oxidiert und erhöhen das Ergebnis zu hoch. Quecksilbersulfat wird zugesetzt, um Chlorid zu maskieren; oberhalb von etwa 2000 mg/L Cl⁻ sollte die Probe verdünnt werden. Quecksilberhaltige Abfälle sind als Sondermüll zu behandeln und zu entsorgen.
- Unvollständige Oxidation: Pyridin und verwandte Stickstoff-Heterocyclen sowie einige geradkettige aliphatische Verbindungen werden selbst mit Silberkatalysator nicht vollständig oxidiert. Flüchtige Stoffe können außerdem entweichen, wenn der Rückflussaufbau undicht ist.
- Proben mit hohem CSB: Liegt der berechnete CSB über etwa 1000 mg/L, ist der Großteil des Dichromats verbraucht, und ein Überschuss ist nicht mehr gewährleistet. Verdünnen Sie die Probe und wiederholen Sie die Bestimmung.
- Ergebnis null: Gleiche Verbrauchswerte für Blindprobe und Probe bedeuten, dass kein messbares Dichromat verbraucht wurde. Das kann bei sehr sauberem Wasser durchaus stimmen; es lohnt sich aber zu prüfen, ob der Aufschluss vollständig war.
Wenn Sie mit den Stoffmengenverhältnissen anderer analytischer oder elektrochemischer Verfahren arbeiten, sind vielleicht auch unser Rechner für Standard-Zellpotenziale, unser Rechner für Löslichkeitsprodukte oder unser Rechner für theoretische Böden in der Chromatographie für Sie nützlich.
Häufig gestellte Fragen
Warum wird der CSB in mg/L O₂ angegeben, obwohl die Analyse mit Dichromat arbeitet?
Der CSB ist ein Sauerstoffäquivalent: Er beantwortet die Frage „Wie viel Sauerstoff würde man brauchen, um diese Stoffe zu oxidieren?“ Dichromat nimmt pro Formeleinheit 6 Elektronen auf, genau wie \(\text{O}_2\) als Oxidationsmittel 4 Elektronen aufnimmt. Der Faktor 8000 (8 mg/mval × 1000) überführt den gemessenen Elektronenübergang in die Masse an Sauerstoff, die dieselben Elektronen aufgenommen hätte — so ist das Ergebnis zwischen den Verfahren vergleichbar.
Worin unterscheiden sich Normalität und Molarität der FAS-Maßlösung?
Die Normalität (eq/L) zählt die Reaktionskapazität, die Molarität (mol/L) die Teilchenzahl. Bei Eisen(II)-ammoniumsulfat spielt das eine Rolle: Jedes \(\text{Fe}^{2+}\)-Ion gibt genau ein Elektron ab, daher sind Normalität und Molarität bei reiner FAS-Lösung gleich — eine 0,1 M FAS-Lösung ist 0,1 N. Beim Dichromat-Reagens unterscheiden sich beide: \(\text{K}_2\text{Cr}_2\text{O}_7\) nimmt 6 Elektronen pro Mol auf, 0,25 N entsprechen daher etwa 0,0417 M.
Wie rechne ich den CSB zwischen mg/L, ppm und anderen Einheiten um?
In verdünnten wässrigen Lösungen ist mg/L als O₂ praktisch identisch mit ppm bezogen auf die Masse: 1 mg/L ≈ 1 ppm. Für andere Einheiten teilen Sie durch 1000 (g/L) oder multiplizieren mit 1000 (µg/L bzw. ppb). Für Angaben in kg O₂ pro Tag — etwa bei der Berechnung von Kläranlagenfrachten — multiplizieren Sie den CSB in mg/L mit dem Durchfluss in m³/Tag und teilen durch 1000. Behalten Sie bei der Angabe immer den Zusatz „als O₂“ bei, da gelegentlich auch andere Bezugsgrößen (z. B. als C) verwendet werden.
Kann ich aus einem CSB-Wert den BSB berechnen?
Nicht direkt — CSB und BSB messen Verschiedenes. Der CSB erfasst alles chemisch Oxidierbare, der BSB nur das, was Mikroorganismen im Testzeitraum abbauen können. Für einen bestimmten Abwasserstrom ist das CSB/BSB-Verhältnis jedoch recht stabil (bei kommunalem Abwasser meist 1,5–3). Ist dieses Verhältnis einmal aus Messwertpaaren ermittelt worden, kann der CSB als schnelle Schätzung des \(\text{BSB}_5\) am selben Tag dienen. Das Verhältnis muss für jedes konkrete Abwasser überprüft und regelmäßig kontrolliert werden.
Wie berücksichtige ich eine Verdünnung der Probe vor der CSB-Bestimmung?
Haben Sie die Probe vor dem Einpipettieren in den Rückflusskolben verdünnt — etwa 10 mL Probe auf 20 mL aufgefüllt —, berechnet der Rechner den CSB des verdünnten Ansatzes, der den wahren Wert der Originallösung unterschätzt. Multiplizieren Sie das Ergebnis mit dem Verdünnungsfaktor \(\frac{V_{Ende}}{V_{Probe}}\). Das ist etwas anderes, als von vornherein ein kleineres Probenvolumen direkt einzusetzen (z. B. 10 mL statt 20 mL): In diesem Fall tragen Sie einfach das kleinere Volumen als S ein, eine Korrektur ist nicht nötig.
Welche Fehler verfälschen CSB-Titrationsergebnisse am häufigsten?
Häufige Fehlerquellen sind nicht frisch eingestellte FAS-Lösung (sie verliert beim Lagern an Konzentration und liefert zu hohe Werte), ein verpasster Ferroin-Umschlag (das Übertitrieren über den bläulichen zum rötlichbraunen Umschlag), vertauschte Blind- und Probenwerte sowie ein undichter Rückflusskühler, durch den flüchtige organische Stoffe entweichen. Achten Sie auch auf chloridreiche Proben: Oberhalb von etwa 2000 mg/L Cl⁻ kann selbst Quecksilbersulfat die Störung nicht vollständig unterdrücken — verdünnen Sie die Probe. Und achten Sie schließlich auf die volle zweistündige Einwirkdauer: Ein unvollständiger Aufschluss liefert zu niedrige Werte.