Einführung
Der biochemische Sauerstoffbedarf (BSB) bezeichnet die Menge an gelöstem Sauerstoff in einem Wasserkörper, die von aeroben Mikroben benötigt wird, um organische Stoffe in einer Wasserprobe bei einer bestimmten Temperatur über einen bestimmten Zeitraum zu oxidieren. Der Begriff BSB kann auch als Bezeichnung für das chemische Verfahren zur Messung dieser Menge verwendet werden. Eine verfeinerte Definition des BSB lautet: die Menge an Sauerstoff (in Milligramm), die von einer 1-Liter-Wasserprobe aufgenommen wird, die 5 Tage lang unter Ausschluss von Licht bebrütet wird (Hocking 2007, 127).
Der BSB ist die Gesamtmenge an gelöstem Sauerstoff, die von Mikroben benötigt wird, um organische Verbindungen im Wasser zu verstoffwechseln. Die meisten natürlichen Gewässer der Welt enthalten eine gewisse Menge an organischen Verbindungen. Wassermikroben nutzen diese Verbindungen zur Energiegewinnung. Sie oxidieren organische Verbindungen in Gegenwart von gelöstem Sauerstoff und gewinnen dabei Kohlendioxid, Wasser und Energie.
Die Mikroben nutzen diese Energie für ihre Wachstums- und Reproduktionsprozesse. Die Population der aquatischen Mikroben steht in direktem Zusammenhang mit der Menge an gelösten organischen Verbindungen im Wasser, d. h. je höher die Menge an organischen Verbindungen, desto größer die Mikrobenpopulation (Hocking 2007, 127).
Der Sauerstoffbedarf eines Wassersystems zu einem bestimmten Zeitpunkt hängt von Faktoren wie der Nährstoffkonzentration, der Temperatur und der Verfügbarkeit von Enzymen für die Mikroben ab. Der Gesamt-BSB ist die Summe des Sauerstoffs, der benötigt wird, um “die organischen Verbindungen über Generationen von mikrobiellem Wachstum, Tod und Zerfall zu Kohlendioxid und Wasser zu oxidieren” (Hocking 2007, 127). In einigen Fällen kann die Geschwindigkeit des mikrobiellen Stoffwechsels die der Sauerstoffauflösung im Wasser übersteigen, was zu einer Verarmung des Sauerstoffs im Wasser führt.
Diese Situation führt zum Verlust von Wasserlebewesen, die auf den gelösten Sauerstoff angewiesen sind, vor allem Fische und Wasserinsekten. Der gelöste Sauerstoff wird durch Belüftung, Photosynthese und Strömung in das Wassersystem eingebracht. Die Geschwindigkeit, mit der sich der Sauerstoff in den Gewässern auflöst, wird von der vorherrschenden Temperatur des Gewässers beeinflusst; in kaltem Wasser löst sich mehr Sauerstoff als in warmem Wasser (Hocking 2007, 127).
Die Entwicklung des BSB-Tests
Dieser Test wurde erstmals in England durchgeführt, wo man davon ausging, dass die in die englischen Flüsse eingeleiteten Abfälle im Durchschnitt 5 Tage brauchten, bis sie ins Meer gelangten, daher die 5-tägige Inkubationszeit für die Proben. Die tiefgestellte Zahl 5 wird häufig bei der BSB-Kennzeichnung verwendet, um den 5-tägigen Zeitraum des Tests zu kennzeichnen.
Weicht die Testdauer davon ab, so muss der tiefgestellte Index in der Kennzeichnung die Anzahl der Tage angeben, die der Test gedauert hat. Der 25-Tage-Test ist der längste und liefert Ergebnisse, die schwer zu interpretieren sind. Andererseits ist der lange Test wichtig, da er Ergebnisse liefert, die die wahrscheinlichen Oxidations- und Erholungsbedingungen in den Gewässern am ehesten nachahmen (Hocking 2007, 127).
Der eigentliche Test
Der BSB-Test wird durch Inkubation von Mikroben in sauerstoffhaltigem Wasser bei einer Temperatur von 20oC durchgeführt. Der BSB-Wert wird in mg/L-Einheiten gemessen. Die Testprobe wird in ein luftdichtes Gefäß gegeben und fünf Tage lang im Dunkeln stehen gelassen. Mit diesem Test wird der Grad der organischen Verschmutzung in einer bestimmten Wasserprobe gemessen.
Die aus der Probe gewonnenen Ergebnisse können dann extrapoliert werden, um den Verschmutzungsgrad in dem größeren Wasserkörper zu bestimmen, in dem die Probe entnommen wurde. Die Messung des biochemischen Sauerstoffbedarfs kann mit einem von drei möglichen Ansätzen durchgeführt werden. Der erste Ansatz ist die direkte Technik, bei der der für die Oxidation erforderliche Sauerstoff ausschließlich aus dem im Probenwasser gelösten Sauerstoff stammt.
Die zweite Methode, die auch als Verdünnungstechnik bekannt ist, verwendet belüftetes Verdünnungswasser als Hauptquelle für den benötigten Sauerstoff. Der dritte und letzte Ansatz ist die manometrische Technik, deren Sauerstoffquelle der geschlossene Raum über der analysierten Wasserprobe ist. Die dritte Technik ist schwierig und präzise anzuwenden und ist daher Systemen mit hohem Sauerstoffbedarf vorbehalten (Hocking 2007, 127).
Der BSB von sauberem Flusswasser lässt sich am besten mit der direkten Methode bestimmen. Dabei werden zwei 300-ml-Flaschen vollständig mit Probenwasser aus dem Fluss gefüllt. Der Sauerstoffgehalt des ersten Flusses wird getestet und als DOinitial aufgezeichnet. Die zweite Flasche wird 5 Tage lang im Dunkeln bei einer Temperatur von 20oC bebrütet. Der Sauerstoffgehalt der zweiten Flasche wird dann nach Ablauf der 5 Tage ermittelt und als DOfinal aufgezeichnet. (Hocking 2007, 128) Die Differenz zwischen den beiden Sauerstoffmessungen ist das direkte Maß für den BSB des Flusses, der durch gegeben ist:
BOD=DOfinal -DOinitial
Die Verdünnungstechnik eignet sich ideal für die Messung des BSB von Abwasserströmen, die durch Abwässer und Industrieabwässer verschmutzt sind. Die Probe wird zunächst mit destilliertem, belüftetem und mit Nährsalz angereichertem Verdünnungswasser verdünnt. Dann werden zwei 300-ml-Flaschen mit der Wasserprobe gefüllt. Die Messung des gelösten Sauerstoffs in der ersten Flasche wird sofort vorgenommen und als DOinitial aufgezeichnet. Die zweite Flasche wird 5 Tage lang im Dunkeln bei einer Temperatur von 20oC bebrütet.
Die Sauerstoffmessung der zweiten Flasche wird dann nach 5 Tagen vorgenommen und als DOfinal aufgezeichnet. Die Differenz zwischen den beiden Sauerstoffmessungen ist das Verdünnungsmaß für den BSB des Abfallstroms. Die BSB-Belastung gibt an, wie stark eine Wasserquelle verschmutzt ist. Eine BSB-Belastung von 1 oder weniger bedeutet, dass die Wasserquelle außerordentlich sauber ist und keine Schadstoffe enthält, während eine BSB-Belastung von 20 oder mehr bedeutet, dass das Testgewässer stark verschmutzt ist (Hocking 2007, 129).
Die Auswirkungen eines hohen BSB
Bei der Abwasserbehandlung geht es in erster Linie darum, den BSB des in das Wasser abgegebenen Abwassers zu reduzieren. In den Kläranlagen kommen aerobe Bakterien zum Einsatz, die die im Abwasser enthaltenen organischen Abfälle oxidieren. Überschüssiges Bakterienwachstum wird zusammen mit anderen festen Abfällen in der Kläranlage als Klärschlamm entfernt. Die organische Verschmutzung stört das Sauerstoffgleichgewicht im Ökosystem Wasser und kann zu einer tödlichen Verunreinigung durch Krankheitserreger führen.
Die Verschmutzung von Gewässern durch Phosphor wird für das Auftreten der Algenblüte verantwortlich gemacht, bei der es zu einem Ausbruch von Algenpopulationen in Gewässern kommt, die durch Phosphor verschmutzt wurden. Die Algenblüte färbt das Wasser grün, so dass es für den menschlichen Verzehr nicht mehr geeignet ist.
Die Wasserverschmutzung lässt sich im Allgemeinen in vier große Kategorien einteilen. Dazu gehören pathogene, biologische, toxische und physikalisch-chemische Verschmutzung (Goel 2006, 61). Physikalisch-chemische Verschmutzung liegt vor, wenn die Schadstoffe den aufnehmenden Gewässern Farbe, Geruch und unangenehmen Geschmack verleihen, so dass sie für den Hausgebrauch ungeeignet sind. Schwermetalle, Zyanid und Biozide verleihen den Gewässern Toxizität und machen sie für das Leben im Wasser und die menschliche Nutzung ungeeignet (Goel 2006, 63).
Einige Abwässer enthalten nicht nur chemische Bestandteile, sondern auch pathogene Mikroben, was zu einer pathogenen Verschmutzung der aufnehmenden Gewässer führt. Der Verzehr von pathogen verschmutztem Wasser hat zu wasserbedingten Krankheiten wie Kolitis, Typhus und Cholera geführt. Die in den Abwässern enthaltenen Chemikalien, die in die aufnehmenden Gewässer geleitet werden, können auch zum Tod der Wasserflora und -fauna führen.
Algen können durch Verschmutzung auf verschiedene Weise beeinträchtigt werden, z. B. durch Verringerung des Algenwachstums aufgrund der Färbung des Wassers; Schwermetalle und Pestizide können die Algen direkt schädigen; die Schadstoffe können die Umwelt verändern und das Algenwachstum verhindern oder behindern. Auch das Zooplankton ist von der Wasserverschmutzung betroffen. Eine hohe Verschmutzung durch Schwermetalle tötet Zooplankton, während eine thermische Verschmutzung für diese Gruppe aquatischer Lebensformen tödlich ist (Goel 2006, 69).
Überwachung und Verwaltung der Wasserqualität
Die Wasserqualität beschreibt die Eigenschaften des Wassers, die es für einen bestimmten Zweck geeignet machen. Die Eignung des Wassers an einer bestimmten Stelle wird in hohem Maße von den Stoffen beeinflusst, die in ihm abgelagert oder suspendiert sind. Die Qualität des Wassers variiert je nach Verwendungszweck.
Menschliche Aktivitäten und natürliche Prozesse beeinflussen die Qualität des Wassers in den aufnehmenden Gewässern. Überwachungsprogramme sind bemerkenswert, da sie dazu beitragen, dass die Gewässerökosysteme vor vermeidbarer Verschmutzung geschützt werden. Überwachungsprogramme haben in hohem Maße dazu beigetragen, Unsicherheiten zu verringern.
Diese Programme helfen zu erklären, wie es zu Veränderungen im Ökosystem Wasser gekommen ist. Die Ergebnisse der Überwachung sind entscheidend für den Vergleich und die Bewertung der Vorteile von Bewirtschaftungsoptionen (National Research Council 1990, 21). Eine erfolgreiche Überwachung führt zur Formulierung fundierter Managemententscheidungen. Die anfängliche Modellierung der Wasserqualität, die sich auf den BSB konzentrierte, hat sich in den letzten Jahrzehnten als anspruchsvoll erwiesen.
Die Bemühungen konzentrieren sich nun auf die Überwachung des Transports und der Anreicherung von giftigen Abfallstoffen in aquatischen Nahrungsnetzen (National Research Council 1990, 23). Die umfassende Überwachung hat zur Förderung eines wirksamen Verschmutzungsmanagements beigetragen. Die Industrie führt Überwachungsprogramme durch, die sicherstellen, dass die in die Gewässer eingeleiteten Abwässer einen möglichst niedrigen BSB-Wert aufweisen.
Die regulierten Fluss- und Wassereinleiter führen in erster Linie Überwachungsprogramme durch, um entweder die gesetzlichen Vorschriften zu erfüllen oder um Informationen für Entscheidungsträger und Politiker über die Auswirkungen ihrer Aktivitäten zu erhalten.
Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler führen auch Beobachtungsprogramme durch. Dies hilft ihnen, die Prozesse in der Natur zu verstehen und ihre technischen Fähigkeiten weiter zu verbessern (National Research Council 1990, 27). Gewählte Beamte sind ebenfalls an den Überwachungsprogrammen beteiligt. Sie entwickeln und ändern Gesetze, die sich auf Meeresüberwachungsprogramme beziehen. Diese Beamten sind maßgeblich daran beteiligt, die Bedenken der Öffentlichkeit in Umweltfragen zum Ausdruck zu bringen und so sicherzustellen, dass die von ihnen vertretene Bevölkerung von der Politik begünstigt wird.
Schlussfolgerung
Die verarbeitende und die chemische Industrie sind die größten Verschmutzer der Gewässer. Ironischerweise sind sie auch die größten Verbraucher von Wasser aus diesen Quellen. Industrielle Abwässer, die mit chemischen Reduktionsmitteln belastet sind, sind berüchtigt dafür, dass sie schnell Sauerstoff aufnehmen, was zu einem unmittelbaren Sauerstoffbedarf des aufnehmenden Gewässers führt. Unbehandelte Abwässer aus industriellen Prozessen verschmutzen die Flüsse und Meere, in die sie eingeleitet werden.
Dies führt dann zu einer starken Verschmutzung der Gewässer. Ideal ist eine Abwasserbehandlung, die in einer Umgebung stattfindet, die das Überleben der sich zersetzenden Mikroben ermöglicht und gleichzeitig ihre Population unter Kontrolle hält. Die BSB-Werte können gesenkt werden, indem sichergestellt wird, dass die eingeleiteten Abwässer nur minimale oder gar keine Schadstoffe enthalten (Jørgensen und Johnsen 1987, 287). Eine Verringerung der hohen BSB-Werte ist nur möglich, wenn die betroffenen Akteure konzertierte Überwachungs- und Bewirtschaftungsmaßnahmen ergreifen.
Referenzen
Goel, P. K. 2006. Wasserverschmutzung: Ursachen, Auswirkungen und Kontrolle. Neu-Delhi: New Age International.
Hocking, Martin B. 2005. Handbuch der chemischen Technologie und des Umweltschutzes. San Diego: Academic.
Jørgensen, Erik, und Ib Johnsen. 1989. Grundlagen der Umweltwissenschaft und -technologie. Amsterdam: Elsevier Science Publishers.
National Research Council (U.S.). 1990. Managing troubled waters: the role of marine environmental monitoring. Washington, D.C.: National Academy Press.