DE2951707A1

DE2951707A1 - Messverfahren zur bestimmung der konzentration biologisch abbaubarer stoffe im abwasser

Info

Publication number: DE2951707A1
Application number: DE19792951707
Authority: DE
Inventors: Michael Dr.-Ing. 1000 Berlin Schmidt; Prof. Dr.-Ing. Udo Wiesmann
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1979-12-19
Filing date: 1979-12-19
Publication date: 1981-07-02
Also published as: DE2951707C2

Description

BESCHREIBUNG
Titel (techn. Bezeichnung) der Erfindung Meßverfahren zur Bestimmung der Konzentration biologisch abbaubarer Stoffe im Abwasser Anwendungsgebiet Die Erfindung betrifft ein Meßgerät, das zur Wasseranalyse in Klärwerken, bei Wasseraufsichtsbehörden und in mikrobiologischen Laboratorien eingesetzt werden kann.
Zweck Zur Beurteilung der Abbaubarkeit von organischen Inhaltstoffen in Abwässern durch Mikroorganismen (vorwiegend aerobe Rakterien) sind Meßverfahren erforderlich, bei denen diese Mikroorganismen in den Meßvorgang einbezogen werden müssen. Aus ihrer Stoffwechseltätigkeit kann auf die Konzentration der organischen, biologisch abbaubaren Inhaltstoffe geschlossen werden.
Um ein solches Meßverfahren zur Steuerung und Regelung von Klärwerken einsetzbar zu machen, muß die Meßzeit kürzer als zwei Stunden sein. Bei der Bestimmung der Atmungsaktivität von Belebtschlämmen biologischer Abwasserreinigungsverfahren und bei der Ermittlung der reaktionskinetischen Parameter des Abbaus von organischen Inhaltstoffen muß ebenfalls die Stoffwechseltätigkeit der Mikroorganismen ermittelt werden.
Stalld der Technik und Kritik an bekannten Meßverfahren Es ist bekannt, daß sich die Konzentration organischer Inhaltstoffe des Wassers durch die Stoffwechseltätigkeit von Mikroorganismen bestimmen läßt. Die Stoffwechseltätigkeit aerober Mikroorganismen kann wiederum über den Verbrauch von Sauerstoff oder das Entstehen von Kohlendioxid ermittelt werden.
Der biochemische Sauerstoffverbrauch BSB5 ist das weitverbreiteste Meßverfahren dieser Art. Die verbrauchte Sauerstoffmenge wird manometrisch oder über die Abnahme des gelösten Sauerstoffs bestimmt. Der Meßwert liegt å jedoch erst nach fünf Tagen vor und ist daher nicht zur Regelung von Klärwerken brauchbar.
Ferner ist die verbrauchte Sauerstoffmenge nicht nur eine Funktion der Stoffwechseltätigkeit der Mikroorganismen beim Abbau der organischen Inhaltstoffe, sondern sie ist auch in unreproduzierbarer Weise von Sekundärvorgängen abhängig (Wilderer, P., G. Engelmann und II. Schmenger: "Kritik am BSB, als Verschmutzungsparameter", Das Gas- und Wasserfach (gwf) Wasser Abwasser, Jahrgang 118 (1977) lieft 8, S. 357-564).
Es sind ferner einige Vorschläge für Kurzzeitmeßverfahren gemacht worden. Verschiedene Geräte wie der Pollux-Pollumat sind ähnlich wie eine manometrische B5B5-Meßapparatur aufgebaut (Hartmann, L.: Der Plateau-BSB, Messung und Aussagekraft", Umwelthygiene, Jahrgang 5 (1974), S. 99-102; Wilderer, P., L. Hartmann und G. Keser: Der Plateau-BSB als Maß für die Konzentration an biologisch abbaubarer Substanz", Zeitschrift für Wasser- und Abwasser-Forschung, Jahrgang 11 (1978), Nr. 3/4, S. 82-86; ~Kurzzeit-BSB-Messung mit dem Pollux-Pollumat", Druckschrift der Fa. Pollux GmbH Ludwigshafen).
Durch eine hohe Schlammkonzentration soll die Meßzeit verkürzt werden. Die Abnahme des Sauerstoffpartialdrucks wird kontinuierlich als Funktion der Zeit aufgezeichnet. Der gesuchte Meßwert ist erreicht, wenn die Kurve eine maximale Krümmung aufweist.
Geräte dieser Art haben folgende Nachteile: - die Messung erfolgt diskontinuierlich, - der Meßwert ist schwer bestimmbar, da sich die Krümmung nur wenig ändert, - durch die chemische Bindung des entstehenden C02 wird der pH-Wert, der Einflüsse auf die Mikroorganismen ausübt, abgesenkt, - die Analysendauer ist kürzer als 30 min, wodurch nur sehr leicht abbaubare Stoffe berücksichtigt werden, - automatische Geräte lassen sich nur mit hohem technischen Aufwand verwirklichen, der meistens mit einer großen Störanfälligkeit verbunden ist.
Andere Geräte arbeiten nach der Respirationsmethode (Jübermann, 0., G. Krause und F.-J. Schulte: "Zweckmäßige Durchführung von Respirationsmessungen zur automatischen Kontrolle von Abwässern", Vom Wasser, Jahrgang 34 (1967), S. 261-280; Veits, G.: Ein neues Gerät für Respirationsmessungen", Abwassertechnik, Jahrgang 6 (1977), S. 9-11; Otto, G.: "Schnellbestimmung des Wirkungsgrades (BSB5-Abbau) biologischer Abwasserreinigungsanlagen", Acta hydrochim. hydrobiol. Jahrgang 4 (1976), Heft 5, S. 491494).
Die Abwasserprobe wird mit Bakterien geimpft und mit Sauerstoff versorgt. Die Abnahme der Konzentration des gelösten Sauerstoffs wird mit einer Elektrode bestimmt und als Funktion der Zeit aufgezeichnet. Die Steigung der Kurve wird dann als Maß für die Konzentration an biologisch abbaubaren Stoffen benutzt.
Die Probe muß so verdünnt werden, daß die Sauerstoffverbrauchsgeschwindigkeit in einem bestimmten Bereich liegt. Ist die Geschwindigkeit zu hoch, so werden nur leicht abbaubare Inhaltstoffe erfaßt und das Übergangsverhalten des Meßsystems kann zu zusätzlichen Fehlern führen. Bei sehr starker Verdünnung kann andererseits die Wirkung toxischer Substanzen geschwächt und damit übersehen werden.
Aufgabe Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Meßverfahren zu entwickeln, mit dem nach einer Meßzeit, die kürzer als zwei Stunden ist, die Konzentration an biologisch abbaubaren Inhaltstoffen des Wassers bestimmt werden kann. Alle zugeführten Stoffe durchfließen die Meßapparatur vollkontinuierlich.
Der Meßwert wird ebenfalls kontinuierlich ermittelt. Die wichtigsten störenden Sekundäreinflüsse werden kompensiert.
Lösung (Patentanspruch 1) Diese Aufgabe wird erfinderisch dadurch gelöst, daß das zu untersuchende Wasser - in der Regel Abwasser - in eine Meßzelle strömt und dort intensiv mit Belebtschlamm, der vor allem aus aktiven Mikroorganismen besteht, und Meßluft vermischt wird. Alle drei Ströme sind kontinuierlich. Die Sauerstoffkonzentrationsdifferenz der ein- und austretenden Meßluft wird gasanalytisch bestimmt und ist ein Maß für die Konzentration der biologisch abbaubaren Inhaltstoffe des zu untersuchenden Wassers.
Weitere Ausgestaltung der Erfindung (Wiedergabe des kennzeichnenden Teils des Unteranspruchs) 2. Parallel zum Meßreaktor ist ein Vergleichsreaktor angeordnet, der nur von Belebtschlamm und Meßluft durchströmt wird. Hierdurch werden der Sauerstoffverbrauch durch endogene Atmung, störende Einflüsse durch wechselnde Eigenschaften des Belebtschlamms und andere Sekundärvorgänge minimiert.
3. Der Meßreaktor ist in Form einer mehrstufigen Rührerkaskade aufgebaut. Die Rührer sind so gestaltet, daß sich kein Bewuchs aus Mikroorganismen an den Wandungen ausbilden kann. Diese Bauform hat folgende Vorteile: a) Es wird ein hoher Umsatzgrad, der zum Erreichen einer ausreichenden Meßgenauigkeit notwendig ist, erzielt.
b) Bei Änderung der Konzentration der biologisch abbaubaren Inhaltsstoffe tritt nur eine geringe Totzeit auf.
4. Der Vergleichsreaktor ist als ein- oder mehrstufige Rührkaskade ausgebildet. Der Einfluß der Sekundärvorgänge, wie der der endogenen Atmung wird minimiert, da sich die Änderungen der Bakterieneigenschaften in der Meßkaskade und im Vergleichsreaktor in tendenziell gleicher Form auswirken und sich dadurch größtenteils kompensieren.
5. Alle Rührreaktoren sind mit Luftaustrittsöffnungen versehen, die wahlweise über ein System von Hähnen direkt mit dem Analysenteil verbunden werden können. Dadurch lassen sich zusätzlich a) die Atmungsaktivität von Belebtschlämmen und b) die kinetischen Parameter des Abbaus der organischen Inhaltstoffe von Abwässern bestimmen.
6. Die Zufuhr des Abwassers und des Belebtschlammes erfolgt Uber verstellbare Dosierpumpen. Dadurch ist die Veränderung der Verweilzeit möglich.
7. Der Volumenstrom der zuströmenden Meßluft wird mit Durchflußmeßgeräten bestimmt. Dies ist notwendig, da der Volumenstrom einen direkten Einfluß auf die Meßgröße hat.
8. Meßkaskade und Vergleichsreaktor befinden sich in einem oder zwei Thermostatisierungsgefäßen, die von einem gemeinsamen Thermostaten beschickt werden. Temperaturschwankungen wirken sich in der Meßkaskade und im Vergleichsreaktor in tendenziell gleicher Form aus und kompensieren sich dadurch größtenteils.
9. Die gesamte Meßeinrichtung besteht aus mehreren tragbaren, schnell verbindbaren Bauteilen. Es ist daher möglich, die Meßeinrichtung bei Bedarf einfach zu transportieren und schnell ab- und aufzubauen.
Erzielbare Vorteile Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile sind insbesondere folgende: - Alle Ströme fließen kontinuierlich durch die Meßapparatur.
Es sind deshalb keine Schrittschaltwerke, Magnetventile, Spülvorrichtungen, Dichtungsmechanismen, Druckregler und zihnliche Teile notwendig, die bekanntermaßen eine hohe Störanfälligkeit verursachen.
- Die Ansprechzeit beträgt weniger als zwei Stunden, so daß das Meßverfahren - zusammen mit anderen ergänzenden Analysenverfahren - zur ständigen Uberwachung und Regelung von Klärwerken eingesetzt werden kann.
- Durch die parallele Untersuchung des aus Mikroorganismen bestehenden Belebtschlammes wird der Einfluß von Sekundäreinflüssen minimiert.
- Mit dem Meßverfahren lassen sich weiterhin grundlegende Untersuchungen zur Bestimmung der Atmungsaktivität von Mikroorganismen und der reaktionskinetischen Parameter des Abbaus von organischen Inhaltstoffen des Abwassers durch #~ führen.
- Liegen zusätzlich Meßwerte für den gesamten Qrganischen Kohlenstoffgehalt (TOC) vor, so können Vergiftungserscheinungen aufgedeckt werden, die z.B. bei zu hohen Eonzentra; tionen von Schwermetallionen auftreten.
- Die nach dem Meßverfahren entwickelte MeßeinrichtungY1#äßt sich in drei transportablen Gehäusen unterbringen. Es können daher nacheinander Messungen an verschiedenen Kläranlagen, Gewässern und in Laboratorien durchgeführt werden.
Beschreibung eines Ausführungsbeispiels Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in Bild 1 dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Dabei erfolgt eine Unterteilung in die Meßkaskade, den Vergleichsreaktor, die Meßgasaufbereitung und -analyse, sowie den mechanischen Aufbau des Meßgerätes.
1. Meßkaskade Das zu untersuchende Abwasser wird von der Membrandosierpum- ? pe (9) in die Meßzelle gepumpt2-Diee gepumpt.Diese ist istals yierstufige Rührkesselkaskade ausgebildet. Der Gesamtflüssigkeitsinhalt beträgt etwa 0,5 1. Jede Stufe (2,3,4 und 5) besteht aus einem zylindrischen Acrylglasbehälter. Magnetrührer sorgen für eine intensive Durchmischung der Flüssigkeit. Die Dosierpumpe (8) fördert Bakterienschlamm in die erste Stufe der Kaskade. Durch diese Impfung kann ein Abbau der im Abwasser enthaltenen organischen Substanzen durch Bakterien eingeleitet werden. Der von den aeroben Mikroorganismen benötigte Sauerstoff wird in Form von Luft zugeführt. Der Reaktor wird über einen Druckminderer und Schwebekörperdurchflußmesser (12) mit Preßluft aus 40 1-Stahl flaschen versorgt. Im normalen Betriebszustand strömt die Luft nacheinander durch alle Stufen der Kaskade und anschließend in den Meßgasaufbereitungs- und -analysenteil der Anlage.
Durch entsprechendes Öffnen oder Schließen der Gasaustrittsventile kann jedoch auch erreicht werden, daß das Meßgas nur durch eine, zwei oder drei Stufen strömt.
In der ersten Stufe wird mit Hilfe der Elektrode (21) und des Meßverstärkers (22) die Konzentration des gelösten Sauerstoffs ermittelt.
2. Vergleichsreaktor In der Meßkaskade soll der Sauerstoffverbrauch durch Abbau der organischen Substanzen, d.h. durch Substratatmung ermittelt werden. Die im Impfschlamm enthaltenen Bakterien verbrauchen jedoch noch zusätzlichen Sauerstoff durch endogene Atmung und durch Abbau des im Schlamm befindlichen Restsubstrats. Um diese Einflüsse eliminieren zu können, wird von der Dosierpumpe (7) ein Teil des Bakterienschlamms in den Vergleichsreaktor (6) gepumpt. Die Versorgung mit Luft erfolgt über den Schwebekörperdurchflußmesser (11).
Der in Bild 1 schematisch als Quadrat dargestellte Vergleichsreaktor ist als ein- oder mehrstufige Rührkaskade ausgebildet.
Meßkaskade und Verleichsreaktor befinden sich in einem Wasserbad (1), das von dem Ultrathermostaten (14) auf konstanter Temperatur gehalten wird.
3. Meßrasaufbereitung und -analyse Mit Hilfe von Dreiwegehähnen kann entweder die aus der Kaskade oder aus dem Vergleichsreaktor austretende Luft in den Aufbereitungs- und Analysenteil geleitet werden. Die jeweils nicht verwendete Luft wird an den Hähnen in die Umgebung abgeblasen.
Da der für den Gasanalysator benötigte Volumenstrom wesentlich kleiner als der Belüftungsvolumenstrom ist, wird die überschüssige Luft an dem mit Wasser gefüllten Abströmgefäß (15) ins Freie geleitet. In der Kühlfalle (16) wird die Luftfeuchtigkeit ausgefroren. Die noch im Gas enthaltene Restfeuchtigkeit wird anschließend in einem chemischen Trockner (17) zurückgehalten. Mit der Pumpe (10) wird das Meßgas über den Schwebekörperdurchflußmesser (13) zum paramagnetischen Sauerstoffanalysator (18) gefördert. Der Analysator erzeugt einen der Sauerstoffkonzentration im Meßgas proportionalen eingeprägten Gleichstrom. Der Spannungsabfall an einem Lastwiderstand wird von dem Mehrkanalschreiber (20) registriert. Die Aufzeichnung der Konzentration des gelösten Sauerstoffs in der ersten Stufe der Kaskade erfolgt ebenfalls mit dem Schreiber. Ferner ist ein Analogrechner (19) vorgesehen, der kontinuierlich die Berechnung der gesuchten Substratkonzentration aufgrund einer Auswertungsgleichung durchführt. Zur Überprüfung des Nullpunktes kann die Preßluft mittels eines Dreiwegehahnes - unter Umgehung der Kaskade - in den Analysator geleitet werden. Die Eichung erfolgt mit Hilfe von Eichgasen verschiedener Zusammensetzungen.
4. Mechanischer Aufbau des Meßgerätes Die Einzelgeräte der Meßanlage sind in einem dreiteiligen Gehäuse mit Rahmen aus Winkelstahl untergebracht. Die Schlauchverbindungen, die größtenteils durch Bajonettverschlüsse mit den Armaturen verbunden sind, und die elektrischen Leitungen zwischen den drei Baueinheiten lassen sich mit wenigen Handgriffen lösen, so daß jede Einheit getrennt transportiert werden kann.
Die Baueinheit 1 enthält im wesentlichen die Dosierpumpen für Substrat und Belebtschlamm, die Magnetrührersteuerung und eine Gasmischpumpe zur Eichung des Gasanalysators.
In der Baueinheit 2 befinden sich das Thermostatisierbad mit Meßkaskade und Vergleichsreaktor, Betriebsarmaturen, Volumenstrommesser, Ultrathermostat und Teile der Meßgasaufbereitung.
Die Baueinheit 3 enthält weitere Teile zur Meßgasaufbereitung, wie Kühlfalle mit Netzgerät, chemischer Gastrockner und ein Membranfilter, sowie den Gasanalysator, Druckmeßinstrumente, Meßverstärker für die Sauerstoff- und pH-Elektroden, ein Digitalvoltmeter und einen 2-Kanal-Linienschreiber.
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Claims

I' A T s N fr A N S P R U C H E erfahren zur Bestimmung der Konzentration biologisch abbaubarer Stoffe im Abwässern nach der BSB-Methode, bei welcher der Sauerstoffverbrauch in einer mit Belebtschlamm versetzten Abwasserprobe gemessen wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Abwasser, der Belebtschlamm und den Sauerstoff enthaltende Meßluft einen Meßreaktor kontinuierlich durchströmen und die Sauerstoffkonzentrationsdifferenz der in den Meßreaktor einströmenden und der daraus austretenden Meßluft in einem Analysenteil gemessen wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein parallel zu dem Meßreaktor geschalteter Vergleichsreaktor von Belebtschlamm und Meßluft durchströmt wird, wobei ebenfalls die Sauerstoffkonzentrationsdifferenz der ein- und austretenden Meßluft gemessen wird.
3. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßreaktor aus einer mehrstufigen Kaskade, die aus nacheinander durchströmten, mit Rührwerken versehen Behältern, gebildet wird, besteht.
4. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Vergleichsreaktor als ein- oder mehrstufige Meßkaskade ausgebildet ist.
5. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß an jedem Behälter (2 bis 5) ein Luftauslaßventil vorgesehen ist, so daß die Meßluft wahlweise von jedem Behälter zum Analysenteil geführt werden kann.
6. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Zufuhr des Abwassers und des Belebtschlamms über Dosierpumpen (7,8,9) erfolgt.
7. Einrichtung nach Anspruch 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß für die Mengenmessung der zu- und der abströmenden Meßluft Durchflußmeßgeräte, insbesondere Schwebekörperdurchflußmesser (11 bis 13) vorgesehen sind.
8. Einrichtung nach Anspruch 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßreaktor (2 bis 5) und der Vergleichsreaktor (6) sich in einem oder zwei Thermostatisierungsgefäßen befinden, die von einem gemeinsamen Thermostaten versorgt werden.
9. Einrichtung nach Anspruch 3 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß sie aus mehreren tragbaren, schnell verbindbaren Bauteilen besteht.