Der Begriff TOC (Total Organic Carbon) bezeichnet die Gesamtkonzentration des organisch gebundenen Kohlenstoffs in einer Wasserprobe. Der TOC-Wert ist ein zentrale Kenngröße in der Wasseranalytik, die sowohl für die industrielle Wasseraufbereitung als auch für die Abwasserbehandlung von großer Bedeutung ist. Er dient als Indikator für die organische Belastung von Wasser oder Abwasser und ermöglicht es, die Qualität und Reinheit von Prozesswasser, Trinkwasser oder Abwasser zu überwachen.
Im Gegensatz zu spezifischen Schadstoffanalysen, die einzelne Substanzen wie Benzol oder Öle erfassen, gibt der TOC-Wert eine summarische Information über alle im Wasser enthaltenen organischen Verbindungen. Dabei umfasst der TOC sowohl natürliche organische Verbindungen (z. B. Huminstoffe) als auch synthetische Kohlenstoffverbindungen (z. B. Lösungsmittel oder Kohlenwasserstoffe). Dies macht die TOC-Analyse zu einer wichtigen Kontrollmethode für viele industrielle Anwendungen.
Inhaltsverzeichnis
Technischer Hintergrund: Bestandteile des TOC
Der TOC-Wert setzt sich aus mehreren Kohlenstofffraktionen zusammen, die in der Analytik klar unterschieden werden:
Gesamtkohlenstoff (TC, Total Carbon):
- Der gesamte Kohlenstoffgehalt im Wasser, einschließlich organischer und anorganischer Anteile.
Anorganischer Kohlenstoff (IC, Inorganic Carbon):
- Hierzu zählen gelöste Carbonate (CO₃²⁻), Bicarbonate (HCO₃⁻) sowie gelöste Kohlensäure (H₂CO₃).
Organischer Kohlenstoff (OC, Organic Carbon):
- Gesamtheit des organisch gebundenen Kohlenstoffs, der in gelöster oder partikulärer Form vorliegt.
Gelöster organischer Kohlenstoff (DOC, Dissolved Organic Carbon):
- Der organische Kohlenstoffanteil, der im Wasser gelöst ist und durch Filtration von Partikeln abgetrennt werden kann (Filtration mit 0,45 µm).
Partikulärer organischer Kohlenstoff (POC, Particulate Organic Carbon):
- Organische Kohlenstoffverbindungen, die in partikulärer Form vorliegen und im Wasser nicht gelöst sind.
Messmethoden zur Bestimmung des TOC
Die TOC-Messung erfolgt üblicherweise durch Verbrennung oder Oxidation der Kohlenstoffverbindungen zu Kohlendioxid (CO₂), welches anschließend quantitativ analysiert wird. Dabei gibt es zwei etablierte Verfahren:
1. Thermische Oxidation (Hochtemperaturverbrennung)
- Funktionsweise: Die Wasserprobe wird bei Temperaturen von 600–1200 °C in einer sauerstoffreichen Atmosphäre verbrannt. Dabei werden die organischen Kohlenstoffverbindungen vollständig zu CO₂ oxidiert.
- Das entstehende CO₂ wird anschließend mit einem NDIR-Detektor (Nichtdispersiver Infrarot-Detektor) quantitativ bestimmt.
- Vorteil: Hohe Präzision und vollständige Oxidation aller organischen Substanzen.
- Nachteil: Energieintensiv und anfällig bei stark partikelbeladenen Proben.
2. Nasschemische Oxidation (UV/Persulfat-Oxidation)
- Funktionsweise: Die organischen Substanzen werden durch Zugabe von Natriumpersulfat (Na₂S₂O₈) und Bestrahlung mit UV-Licht oxidiert. Hierbei entsteht ebenfalls CO₂, das detektiert wird.
- Vorteil: Schonender für Gerätekomponenten, besonders geeignet für Wasser mit niedriger TOC-Belastung.
- Nachteil: Unvollständige Oxidation von stark stabilen organischen Verbindungen möglich.
Bedeutung des TOC in der industriellen Wasser- und Abwassertechnik
Der TOC-Wert ist eine entscheidende Kontrollgröße für die organische Belastung von Wasser und wird in vielen industriellen Bereichen zur Prozessüberwachung, Qualitätssicherung und gesetzlichen Einhaltung eingesetzt.
1. Reinstwasser- und VE-Wasser-Herstellung
- In der Elektronikindustrie, Pharmaindustrie und Solarzellenfertigung sind höchste Reinheitsanforderungen für Wasser erforderlich.
- Der TOC-Wert muss in Reinstwasseranlagen extrem niedrig liegen, typischerweise < 0,05 mg/L, um Verunreinigungen in empfindlichen Produktionsprozessen zu vermeiden.
- In Umkehrosmose– und Ionenaustauscheranlagen dient die TOC-Überwachung der Frühwarnung bei Membranschäden oder Harzbelastungen.
Foto: Unsere Umkehrosmoseanlage ALMA OSMO zur Herstellung von VE-Wasser
2. Kühlwasserkreisläufe
- In Kühlwasserkreisläufen kann organische Belastung zu Biofouling (Mikroorganismenwachstum) und Korrosion führen.
- Eine regelmäßige TOC-Messung hilft, die organische Belastung zu kontrollieren und notwendige Maßnahmen wie Biozidzugabe gezielt einzusetzen.
3. Abwasserbehandlung
- In der industriellen Abwasserbehandlung wird der TOC-Wert als Indikator für die organische Gesamtbelastung verwendet.
- Eine erhöhte TOC-Konzentration weist auf hohe organische Frachten hin, die in biologischen oder chemisch-physikalischen Behandlungsstufen abgebaut werden müssen.
- Typische TOC-Grenzwerte für Abwasser:
- Einleitgrenzwert für die Industrie: < 20 mg/L (variiert je nach Region und Industrie).
Grenzwerte und Normen
In vielen Branchen gibt es festgelegte TOC-Grenzwerte, um die Wasserqualität sicherzustellen:
- Reinstwasser für Pharmaindustrie: < 0,5 mg/L (gemäß USP-Norm).
- Kühlwasserkreisläufe: Typische TOC-Grenzwerte liegen im Bereich 1–5 mg/L, um Biofouling zu minimieren.
- Industrieabwasser: TOC-Werte müssen oft unter 20 mg/L liegen, abhängig von den regionalen Umweltauflagen.
Verfahren zur TOC-Reduktion in der Abwasserbehandlung
Die Reduktion des Total Organic Carbon (TOC) in der industriellen Abwasserbehandlung erfolgt überwiegend durch biologische Verfahren. Diese nutzen die Fähigkeit von Mikroorganismen, organische Kohlenstoffverbindungen abzubauen und in Biomasse sowie Kohlendioxid (CO₂) umzuwandeln. In Abhängigkeit von der Belastung, der Abwasserzusammensetzung und den geforderten Reinigungszielen kommen verschiedene biologische Verfahren zum Einsatz:
1. Belebtschlammverfahren
Das Belebtschlammverfahren ist das am weitesten verbreitete biologische Verfahren zur Reduktion des TOC in der Abwasserbehandlung. Es basiert auf der gezielten Förderung von aeroben Mikroorganismen, die organische Verbindungen oxidativ abbauen.
Funktionsweise:
- Das Abwasser wird in einem Belebungsbecken mit Sauerstoff belüftet, um die aeroben Bakterien mit ausreichend Sauerstoff zu versorgen.
- Die Mikroorganismen nutzen die organischen Kohlenstoffverbindungen als Energie- und Nährstoffquelle und bauen sie zu Kohlendioxid (CO₂), Wasser und Biomasse (Belebtschlamm) ab.
- Anschließend erfolgt die Sedimentation des Belebtschlamms in einem Nachklärbecken, wobei der gereinigte Wasserkörper abgetrennt wird.
TOC-Reduktionsleistung:
- Das Belebtschlammverfahren kann 70–95 % des TOC entfernen, abhängig von der Abwasserzusammensetzung und der hydraulischen Verweilzeit.
Foto: Belebungsbecken unseres ALMA BHU BIO-Verfahrens
2. Biofiltration
Die Biofiltration ist ein weiteres biologisches Verfahren zur Reduktion von TOC. Hierbei erfolgt der Abbau der organischen Kohlenstoffverbindungen durch Mikroorganismen, die auf einem festen Trägermaterial haften.
Funktionsweise:
- Das Abwasser wird durch ein Filterbett geleitet, das aus Materialien wie Sand, Aktivkohle, Kunststoffträgern oder keramischen Materialien besteht.
- Auf diesen Trägermaterialien bilden sich Biofilme, die aus Mikroorganismen bestehen. Die Bakterien metabolisieren die organischen Verbindungen zu CO₂ und Biomasse.
- Die Biofiltration kann sowohl unter aeroben Bedingungen (mit Sauerstoff) als auch in Kombination mit anaeroben Bereichen stattfinden.
TOC-Reduktionsleistung:
- Hohe TOC-Reduktion von 80–98 %, besonders bei Abwässern mit geringen organischen Restbelastungen.
Anwendungsbereiche:
- Nachbehandlung von biologisch gereinigtem Abwasser (Polishing).
- Behandlung von Abwasserströmen mit niedrigen TOC-Konzentrationen.
- Als Vorbehandlung für Umkehrosmoseanlagen für das betriebsinterne Wasserrecycling.
3. Anaerobe Behandlung
Die anaerobe Behandlung ist ein Verfahren zur TOC-Reduktion, das ohne Sauerstoff stattfindet. Mikroorganismen bauen die organischen Substanzen unter anaeroben Bedingungen ab und wandeln sie in Biogas (Methan und Kohlendioxid) um.
Funktionsweise:
- Das Abwasser wird in einem anaeroben Reaktor behandelt, z. B. in einem UASB-Reaktor (Upflow Anaerobic Sludge Blanket) oder einem EGSB-Reaktor (Expanded-Granular-Sludge-Bed).
- Der Abbau erfolgt durch anaerobe Bakterien, die die organischen Verbindungen in mehreren Stufen (Hydrolyse, Säurebildung und Methanbildung) zu Methan (CH₄) und CO₂ umsetzen.
- Das entstehende Biogas kann energetisch genutzt werden, z. B. in Blockheizkraftwerken (BHKWs) zur Strom- und Wärmeerzeugung.
TOC-Reduktionsleistung:
- Die TOC-Reduktion liegt bei 80–95 %, insbesondere bei stark organisch belasteten Abwässern.
Anwendungsbereiche:
- Abwässer mit hohen organischen Frachten, wie in der Lebensmittelindustrie, Getränkeindustrie oder Biokraftstoffherstellung.
4. MBBR-Verfahren (Moving Bed Biofilm Reactor)
Das MBBR-Verfahren kombiniert die Vorteile des Belebtschlammverfahrens und der Biofiltration. Es nutzt mobile Trägermaterialien, die in einem belüfteten Reaktor schwimmen und auf deren Oberfläche Biofilme wachsen.
Funktionsweise:
- Die Trägermedien bestehen aus speziellen Kunststoffkörpern mit großer spezifischer Oberfläche, auf denen sich die Mikroorganismen ansiedeln.
- Das Abwasser wird im Reaktor belüftet, wodurch die Trägermedien in Bewegung gehalten werden. Die Mikroorganismen im Biofilm bauen die organischen Kohlenstoffverbindungen ab.
- Die Biomasse bleibt stabil auf dem Trägermaterial haften, wodurch keine Nachklärung zur Abtrennung des Schlamms erforderlich ist.
TOC-Reduktionsleistung:
- Das MBBR-Verfahren erreicht eine TOC-Reduktion von 70–95 %, abhängig von der hydraulischen Verweilzeit und der Beladung.
Foto: Unsere anaerobe Biogasanlage ALMA BHU GMR mit Sedimentationsbecken und Biomasserückführung
Fazit
Der TOC-Wert ist eine unverzichtbare Kenngröße in der industriellen Wasser- und Abwasserbehandlung zur Überwachung und Kontrolle der organischen Belastung von Wasser. Seine zuverlässige Bestimmung ermöglicht die Einhaltung von Qualitätsstandards, die Früherkennung von Störungen in Aufbereitungsanlagen sowie die Einhaltung gesetzlicher Vorschriften für die Abwassereinleitung.
Durch moderne Messverfahren wie thermische Oxidation oder UV/Persulfat-Oxidation kann der TOC präzise und zuverlässig bestimmt werden.
Für weiter Informationen zu unseren Produkten können Sie uns gerne jederzeit kontaktieren!
