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Kontrolleinrichtung und Verfahren zur Erkennung bakttrien-
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schädigender Wasserinhaltsstoffe Die vorliegende Erfindung betrifft
ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Erkennung bakterien-schädigender Wasscrinhaltsstoffe.
Das Anwendungsgebiet der Erfindung liegt insb-sonderc in der Untersuchung von Abwässern
bevor diese einer biologischen Kläranlage zuqcigührt werden.
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Bei der biologischen Abwasserreinigung werden organische Wasserinhaltsstoffe
durch Mikroorganismen (Belebtschlamn) unter Sauerstoffverbrauch zu unschädlichen
Substanzen - im Idcalfall zu Kohlendioxid und Wasser - abgebaut. In biclogischon
Abwasserreinigungsanlagen wird dieser durch die Mikro-Organismen bewirkte Oxidationsvorgang
(Respiration) durch ständiges Eintragen von Luft oder sauerstoffangereicherter Ljft
in das Belebtschlamm-Wa iergemisch aufrechterhalten.
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Die ei der Respiration vertrauchte Sauersto@@benge ist ein Maß für
die Reiniqungsleistung des Belebtschlar"£nes. Die Verbrauchte Sauerstoffmenge pro
Zeiteinheit ist nicht nur von der Konzentiation der biologisch abbaubaren Substanzen
abhängig, sondern wird auch vom Zustung der Mikroorganismen (der Schlammaxtivität),
bestimmt. Starke Änderungen der Abwasserzusammensetzung, vor allem aber bakterienschädliche
Abwasserinhaltsstoffe, können die Aktivität der Mikroorganismen so beeinträchtigen,
daß
die Reinigungsleistung einer biologischen Kläranlage erheblich gestört wird.
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Da sich eine solche Störuna gleichzeitig in einer verminderten Sauerstoffaufnahme
des Abwasser/Belebtschlammgemisches ausdrückt, hat man schon frühzeitig versucht,
Respirationsmessungen zur Beurteilung der Abwasserqualität heranzuziehen.
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So geben Messungen des biologischen Sauerstoffbedarfs (BSB) im BSB-Flaschentest
(deutsche Einheitsverfahren zur Wasseruntersuchung H5a,7. Lieferung 1975, Ausgabe
Januar 1976, Verlag Chemie Weinheim) oder nach dem Warbug-Verfahren (deutsche Einheitsverfahren
zur Wasseruntersuchung H5b2) zwar brauchbare Ergebnisse, sind wegen des großen Zeitbedarfs
zur raschen Strungserkennung jedoch unbrauchbar.
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Es wurde auch bereits vorgeschlagen, die Messung des Sauerstoffgehaltes
auf elektrochemischem Wege mittels Sauerstoffelektrode direkt im Gemisch Belebtschlamm/Untersuchunqswasser
durchzuführen, wobei nach Mischung von vorbelüftetem Belebtschlamm mit dem zu untersuchenden
Wasser die Saue;'-stoffzehrung im geschlossenen Meßgefäß in Abhängigkeit >>n
der Zeit gemessen wird. Im Falle nichttoxischer Abwässer erfolgt hier die zu registrierende
Sauerstoffverarmung von ca. 8 mg C2/1 auf ca. 1-3 mg 02/1 innerhalb weniger Minuten.
Ein gravierender Nachteil dieser kurzen Beobachtungszeit für die Beurteilung einer
zu untersuchenden Wasserprobe ist jedoch, daß nur akut wirkende Schadstoffe erkannt
werden, nicht jedoch schleichend wirkende Gifte oder Hemmstoffe, die erst während
des Abbauprozeßes entstehen. Ferner erlaubt dieses Verfahren nicht die Unterscheidung
zwischen starker Verdünnung abbaubarer Substanz und toxischen Wasserinhaltsstoffen,
da sich beide in einer geringen Sauerstoffzehrung manifestieren.
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Ci weiterer Vorschlag betrifft die Messung des Sauerstoffge-Raltes
im Abgas einer Kreisgasbelüftungsapparatur, wobei in einem nach außen abgeschlossenen
Belüftungsqefäß die Luft über ein Fritte durch das Belebtschlan-Abwassergemlsch
ständig im Kreis geführt wird. Die Sauerstoffverarmung des Kreisgases in Abhängigkeit
von der Zeit wird dabei auf paramagnetischem Wcge ermittelt. Auch dieser Vorschlag
erlaubt keine eindeutiqe Unterscheidung zwischen starker Verdünnung abbaubarer Subs-&.nz
und abbauhemmenden Wasserinhaltsstoffen. Zudem werden zur Störungserkennung Zeiträume
von ca. 45 Min. und mehr benöligt.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Verfahren zur
Verfügung zu stellen, das die Erkennung sowohl akuter wie auch schleichend wirksamer
bakterienschüdigender Wasser inhaltsstoffe ermöglicht.
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Ein weiteres Ziel der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Unterscheidung
von Abwässern mit bakterienschädicenden Inhaltsstoffen von solchen, die abbaubare
Substanz in sehr starker Verdünnung enthalten, bereitzustellen. Schließlich ist
es Z@el der Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur raschen und kontinuierlichen
Kontrolle von abwässern auf ihrem Wege zur Kläranlage zur Verfügung zu stellen,
womit die Möglichkeit geschaffen wird, durch Einleitung geeigneter Maßnahmen eine
Schädigung der Mikroorganismenkulturen der Kläranlage zu vermeiden, bevor das bakterienschädigende
Stoffe enthaltende Abwasser in die Kläranlage gelangt.
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Die erfindungsgemäße Aufgabe zur Bestimmung der biologischen Aktivität
von mit Abwasser versetzten Belebtschlamm wird dadurch gelöst, daß aus einem belüfteten
Vorratsbehälter Belet,tscEllamm entnommen wird, der Belebtschlamm mit dem zu untersuchenden
Abwasser zusammengebracht, die Sauerstoffzehrung
in dem Abwasser/Belebtschlammgemisch
während eines vorbestlmmten Zeitintervalls gemessen, das Abwasser/Belebtschlarme:risch
anschlie3end in den Vorratsbehälter zurckgfhrt und nach einer mittleren vorbestimmten
Verweilzeit im Vorratsbehälter erneut mit Abwasser zur Messung der Sauerstoffzehrung
zusammengebracht wird.
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Der pE!-Wcrt des zu untersuchenden Abwassers soll zwischen etwa 6
und 8 betragen. Gegebenenfalls wird das Abwasser neutralisiert, bevor es mit Belebtschlamm
in Kontakt gebracht wird.
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Vorzugsweise wird dem Abwasser insbesondere im Falle geringer Sauerstoffzehrung
des Abwasser/Belebtschlammgemisches eine Nährlösung zugegeben.
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Maßgebend für die Beurteilung der Abwasserqualität ist die Sauerstoffzehrung
des Abwasser/Belebtschlammgemisches.
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Akut toxische Wasserinhaltsstoffe wirken sich unmittelbar in einer
verminderten Sauerstoffzehrung aus. Dagegen sind schleichend wirkende Gifte oder
Hemmstoffe, die gegebenenfalls erst während des Abbauprozesses entstehen, zunächst
nicht durch eine verminderte Sauerstoffzehrung erkennbar.
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Erst nach Rückführung des Abwasser/Belebtschlammgemisches in den Vorratsbehälter,
Belüftung während einer für die schleichende Wirksamkeit dieser Hernstoffe charakteristischen
Verweilzeit und Zusammenführung mit frischem Abwasser wird hier eine verminderte
Sauerstoffzehrung festgestellt. Zur Unterscheidung zwischen akut toxischen oder
schleichend toxischen Inhaltsstoffen enthaltenden Abwässern von Abwssern,die abbaubare
Substanz nur in starker Verdünnung enthalten, wird dem Abwasser ein gut abbaubares
Testwasser (Nährlösung) zugesetzt, wodurch im Falle nichticxischer
Wasserinhaltsstoffe
oder nichtgeschädigter Mikroonganismen eine ausreichende Sauerstoffzehrung registriert
wird.
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Die S&uerstoffzehrung wird vorzugsweise durch Messung der Abnahme
des Sauerstoffgehaltes im Abwasser-Belebtschlammgemisch durchgeführt.
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Di( Überwachung der Qualität von biologischen Kläranlagen zuzufütremle
Abwasser erfolgt vorzugsweise periodisch oder kontinuierlich. Der Vorteil der kontinuierlichen
Uberwacunq gegenüber einer periodischen Überwachung liegt darin, daß dem der Kläranlage
zufließenden Abwasserstrom ein kontinjierlicher Probestrom entnommen wird, so daß
auch kurzfristig stoßartig mit dem Abwasser geförderte toxisehe Inhaltsstoffe erfaßt
werden, die bei einer periodischen Probenahme wegen der damit verbundenen "tot"-Zeiten
leicht der Registrierung entgehen können.
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Bei der kontinuierlichen Überwachung wird kontinuierlich vorbelüfteter
Belebtschlamm aus dem Vorratsgefäß vorzugsweise in eine Rohrleitung gefördert, dem
Belebtschlamm in der Nähe der Austrittsoffnung aus dem Vorratsgefäß kontinuicrlich
Abwasser in einem vorbestimmten Mengenverhältnis zuj<mischt, und die Sauerstoffabnahme
während einer Zeit gemessen. in der das Abwasser/Delebtschlammgemisch eine definierte
Wegstrecke in dem Rohr zurücklegt. Dies kann dadurch geschehen, daß der Sauerstoffgehalt
des Belebtschlamms am Eingang der Wegstrecke konstant gehalten wird,
und
an einer Stelle des Rohrsystems vor der Rückführung des Abwasser/Belebtschlanungemisches
in den Vorratshehalter der Sauerstoffgehalt im Abwasser/Belebtschlammgemisch bestimmt
wird, wodurch auf die Abnahme des Sauerstoffgehaltes geschlossen werden kann. Der
Vorzug einer solchen durchströmten Rohrleitung in Gegensatz zu z.B.
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einem Meßgefäß mit Einlauf und Auslauf ist darin zu hen, daß sich
das Abwasser/Belebtschlammgemisch währen der Lseobac1tungszeit nicht ständig mit
frischem Abwasser/ Belebtschlamm vermischt (Pfropfenströmung). Die messung der Sauerstoffzehrung
erfolgt daher während einer latsächlichen Beobachtungszeit und nicht, wie im Falle
der Messung in einem Meßgefäß während einer mittleren Beobachtungszeit.
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Die Messung des Sauerstofgehaltes im Abwasser erfolgt vorzugsweise
mittels Sauerstoffelektroden. Elektroden dieer Art sind z.B. in "Vom Wasser - ein
Jahrbuch für Wasserciiemie und Wassorreinigungstechnik, Band 33, Weinheim 1976 -
beschrieben.
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Die Belüftung des Belebtschiammbeckens kann durch feinblasig zugeführte
Luft oder durch ZufüIirung von Wasserstoffperoxid erfolgen. Vorzugsweise wird ca.
75 - 100 b des Sauerstoffbedarfs durch feinblasig zugeführte Luft und der Fest mittels
Wasserstoffperoxid über einen Vitrator zugeführt. Die Sauerstoffzufuhr mittels Wasserstofperoxid
ist weniger träge als durch feinblasig zugeführte Luft, so daß auch bei kurzfristig
wenwankenden Betriebsbedingungen leicht ein beliebiger kontanter Sauerstoffgehalt,
vorzugsweise nahe der Sättigungskonzentration, im Belebtschlamm / Wassergemisch
aufrchterhalten werden kann.
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@@@@@@@@@ise werden je eine Sauerst@@ felektrode om Anfang und @@@@@@@@@@@@@des
Rohres, über dess@@ Lü@@ge die Sauerstoffzehrung @@@@@@@@@@, werden soll, eingesetzt.
Da@ei ergilt sich die Sauer-Steilze@rung aus der Differenz der Sauerstoffgehalte
der bei-@@@@@@@ktroden. Bei diesetr Anordnung kann die am Bingang der Meß-Strecke
vorhandene Sauersteffelektrode zur Regelung der Sader-@@@@@ufahr in dem Vorratsbehälter
zur Gewährleistung eines konstunten Sauerstoffgehaltes im Belebtschlamm aingesetzt
werden.
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Im falle einer zu geringen Differenz der gemessenen Sauerstaffguhalte
an beiden Elektroden kann selbsttätig die Zugabe des Testabwassers (Nährlösung)
erfolgen. Die Diffeerenz der an den beiden Elektroden gemessenen Sauersteffgehalte
kann auf einem Schreiber registriert werden oder mittels eines Computers registriert
und ausgewertet werden. Je nachdem, ob die Difforenz der an beiden Elektroden gemessen
Sammerstoffgehalte sehr schnell abn ilimt, langsall geringer wird, nach Zugabe der
Testlösung wieder ansteigt oder auf geringem Niveau verbleibt, kann ein Warngerät
mit den Anzeigen "stark toxisches", "abbauhemmendes" oder "stark verai rlntes" Abwasser
ausgelöst werden, wobei je nach Anzeige ge@ignete Naßnahmen bzw. die Durchführung
weiterer Analysen ei; leitet werden können.
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Eing beverzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist ferner
dudurch gekennzeichnet, daß das Verfahren bei hober Schlammbelastung,d.h. mit einem
hohen wert g BSB5/g Trockensubstanz x Tag durchgeführt wird, d.h. daß das Kontroiteystem
gegenäber der überwachten Kläranlage schr @och belastet gefahren wird. Dadurch enthält
das im Kreis geführte Delebtschlamm/Abwassergemisch immer genügend biologisch abbaubare
Substanz, damit bei kurzzeitigem Einsehleusen vori stark verdünntem Abwasser nicht
schon eine verminderte Sauerstoffzehrung registriert wird. Ferner können sich durch
das hohe Substanzangebot schleichend wirkende Gifte oder
Hem@steffe
schneller als in der zu überwachenden Kläranlage durch verminderte Sauerstoffzehrung
auswirken. Die Schlarrbelastung soll dabei oberhalb von 1 g BSB5/5 Trockonsubstanz
x Tag, vorzu9sweise zwischen 1 und 10 g BSB5/g Trockensubstanz x Tag betragen.
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Die Schlatmbelastung wird einerseits durch die mittlere Verweilzeit
des Belebtschlamms im Vorratsbehälter, die durch das Volumen des Vorratsbehälters
im Verhältnis zu dem pro Zeiteinheit durch das Rohrleitungssystem der Meßstrecke
gefürderten Belebtschlammvolumen gegeben ist, bestimmt. Die mittlere Verweilzeit
des Belebtschlamms im Vorratsbehälter teträgt vorzugsweise 0,3 - 3 Stunden, besonders
bevorzugt ca. 0,5 Stunden bei kommunalen oder niedrig belasteten Industriegewässern,
ca 1,5 Stunden bei höher belasteten Industriegewässern. Im Gegensatz dazu beträgt
die Verweilzeit des Abwassers in biologischen Kläranlagen größenordnungsni 3 bis
30 Stunden.
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Die Schlammbelastung und damit die Empfindlichkeit der Kontrolleinrichtung
kann ferner durch Stouerung des Verhältnisses Menge Abwasserzufuhr zu Menge Belebtschlammumlauf
gesteuert werden. Eine relativ höhere Abwasscrzufunr bezogen auf dem Beleßtschlammumlauf
führt zu einer hölicrcn Empfindlichkeit der Lcrwachungsfunktion. Für Industrieabwässer
mit einer mittleren Belastung von 400-800 mg BSB5 wird eine brauchbare Empfindlichkeit
bei einem Verhältnis von ca. 1 Teil Abwasserzulauf zu ca. 8 Teilen umgepumptem Belebtschlamm
erreicht. Bei einem Verhältnis von 2 zu 8 wird die Empfindlichkeit wesentlich gesteigert.
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Bei kommunalen oder schwach belasteten Industrieabwässern kann das
Verhältnis bis 1:2 gesteigert werden.
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Die: Menge des umlaufenden Belebtschlammes und des zugeführten Abwassers,
die Länge der rleßstreckc, d. h. die Länge des Rohres zwischen den beiden Sauerstoffelektroden,
sowie die Größe des Belebtschlammvorratsbehälters müssen so aufeinander abgestimmt
sein, daß die zweite Elektrode bei schadstoffreiem Untersuchungswasser möglichst
niedrige Sauerstoffgehalte zwischen ca. 0,1 und 1,5 mg 02/1 anzeigt, während die
erste Elektrode einen möglichst hohen Wert zwischen ca. 5 bis 8 mg 02/1 anzeigen
soll. Die Anpassung dieser Parameter erfolgt jeweils an das zu untersuchende Abwasser,
sowie an die speziellen Bedingungen und Betriebsweisen der zu überwachenden Kläranlage.
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Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist auch die Vorrichtung zur
Durchführung des Verfahrens. Die erfindungsgemäße Vorrichtung und das Verfahren
werden anhand der beiliegenden Zeichnung im folgenden näher erläutert: Der in einem
Vorratsbecken 1 befindliche Belebtschlamm wird über eine Vorrichtung zur Einblasung
feinteiliger Luftblasen 2, wodurch gleichzeitig eine intensive Durchmischung gewährleistet
wird, sowie aus einem Vorratsbehälter 3 über den Titrator 4 durch Zudosierung von
Wasserstoffperoxid mit Sauerstoff versorgt. Der belüftete Belebtschlamm wird mittels
einer nicht gezeichneten Pumpe durch das Rohrleitunqssystem in Pfeilrichtung umgepumpt
und an der Verzweiqungsstelle 5 mit dem zu testenden Abwasser kontir.uierlich beaufschlagt.
An zwei in das Rohrsystem eingeschalteten Sauerstoffelektroden 6 und 7 wird der
Sauerstoffgehalt im Abwasser/Belebtschlammgemisch gemessen und damit die Sauerstoffzehrung
während der Zeit, die das Abwasser/Belebtschlammgemisch zur Durchströmung der Strecke
8 zwischen den beiden Elektroden benötigt, bestimmt. Die Rohrleitung ist zum Belebtschlamm-Vorratsbehälter
hin geschlossen, wodurch das Abwasser/
Delebtschlammgernisch in
den Vorratsbehälter 1 zurückgeführt wird. Die an den Sauerstoffelektroden 6 und
7 gemessenen Sauerstoffgehalte werden an den Meßwertwandlern 9 und 10 umgesetzt,
und auf dem Schreiber 11 registriert. Dabei wird der an der Elektrode 6 gemessene
Sauerstoffgehalt dem Titrator 4 zur Dosierung der Wasserstoffperoxideinleitung mitgeteilt.
ueber ein Ventil 12 wird periodisch oder im Falle geringer Sauerstoffzehrung eine
gut abbaubare Testlösung zur Unterscheidung stark verdünnter von toxischen Abwässern
zugespeist. Dabei kann das Ventil 12 auch durch ein im Schreiber 11 vorgesehenes
Relais, das im Falle einer geringe Differenz der an beiden Elektroden gemessenen
Sauerstofßgehalte schaltet, betätigt werden. Der Vorratsbehälter enthält zur Ausschleusung
des durch die Zuführung des Abwassers sich vermehrenden Volumens einen Ablauf 13.
Um zu hohe Verluste an Belebtschlamm zu vermeiden, ist ein Wehr vorgesehen, durch
das ein Nachklärbecken 15 von dem eigentlichen Vorratsbehälter 1 abgeteilt ist.
Zur Reinigung von Ablagerungen und zur Eichung der Elektroden 6 und 7 sind vorzugsweise
Umwegleitungen über Ventile 16 und 17 bzw. 18 und 19 vorgesehen, wodurch die Elektroden
von dem umlaufenden Wasser/Belebtschlammgemisch umfahren werden können. Ferner sind
Rohrleitungen mit Ventilen 20 bis 24 für die Einspeisunq von Spülwasser bzw. Eichlösung
für die Sauerstoffelektroden vorgesehen.
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Ein besonderer Vorzug des erfindungsgemäßen Verfahrens und der erfindungsgemäßen
Vorrichtung ist, daß diese unabhängig von einer Schlammbevorratung oder -speicherung
ist, da durch den Teilabbau der im Abwasser enthaltenen biologisch abbaubaren Substanz
(hohe Schlammbelastung) für ausreichenden Schlammzuwachs gesorgt ist. Es ist eher
durch geeignete
Einstellung des Ablaufs des Vorratsbeckens dafür
zu sorgen, daß ein Teil des Belebtschlammes aus der Apparatur ausaetragen wird,
damit im Laufe der Zeit die Schlammdichte nicht zu hoch wird. Eine Überwachung der
Schlammdichte kann durch eine photometrische Messung im Vorratsbehälter erfolgen.
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Damit ist es möglich, die Vorrichtung völlig unabhängig von der Kläranlage
zu betreiben und sie beispielsweise weit von der Kläranlage entfernt im Kanalsystem
zu betreiben, um so den Zeitraum, währenddessen die Ergreifung von Maßnahmen zur
Verhinderung der Einschleusung von toxischen Abwässern in die Kläranlage möglich
ist, zu verlängern.
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Das erfindungsgemäße Verfahren wird weiterhin durch die folgenden
Ausführungsbeispiele erläutert:
Beispiel 1: Ein Vorratsbehälter
mit 3 1 Belebtschlammraum und 1 1 Nachklärzone enthält ein Klärschlamm/Wassergemisch
von ca. 1, a Trokkensubstanz/Liter an CN-adaptiertem Belebtschlann. Über die Meßstrecke
von ca. 7 m Länge und einem Volumen der Meßstrecke von ca. 300 ml werden 8 l/h des
Eelebtschlamm/Wassergemisches in Umlauf geführt. Als zu untersuchendes Wasser läuft
Indutrieabwasser mit 2 l/h kontinuierlich zu. Das Abwasser unterliegt Tages schwankungen
in der Belastung im BSB5 von 400-800 mg 02/1 und einem CSB-Wert von 800-1800 mg
02/1. Zur Sauerstoffversorgung im Vorratsbecken werden über feinporige Fritten ca.
150 1 Luft pro Stunde eingeblasen; der am Eingang der Meßstrecke gemessene Sauerstoffgehalt
wird durch geregelte Wasserstoffperoxiddosierung (ca. 4 teige H 202-Lösung) bei
5,5-6 mg 02/1 gehalten. Die Elektrode am Ausgang der Meßstrecke registriert ca.
0,4 mg 02/1. Wird dem Abwasser kontinuierlich soviel CN zugesetzt, daß sich im Abwasserzulauf
25 mg CN /l befinden, so steigt der Sauerstoffgehalt am Ende der MeB-strecke innerhalb
3 min. nach Einlaufen des CN-haltigen Abwassers in die Kontrolleinrichtung von 0,4
mg 02/1 auf 3 mg 02/1, nach weiteren 15 min. auf einen Wert größer 5 mg 02/1 an.
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Wiederholt man den Versuch mit 70 mg CN /1 im Zulauf, dann werden
bereits nach 5 min. 5 mg 02/1 am Ausgang der Meßstrecke gemessen.
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Beispiel 2: Es wird die gleiche Vorrichtung und das gleiche Industrieabwasser
wie im Beispiel 1 verwendet. Als schleichend wirkender Hemmstoff wird 2,4,5-Trichlorphenol
in einer Konzentration von 200 mg/l im Zulaufabwasser eingesetzt. Nach 15 min. langem
Zulauf ist kaum ein Anstieg des Sauerstoffgehalts am Ende der Meßstrecke festzustellen.
Setzt man nach diesen 15 min. den
tritchlorphenolhaltigen Zulauf
ab und führt wieder normales Abwasser zu, so zeigt sich ein langsam zunehmender
Sauerstoffgehalt am Ende der Meßstrecke, der nach insgesamt 40-50 min.
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3 mg 02/1 erreicht.