DD208418B1 - Verfahren und vorrichtung zur bestimmung der atmungsaktivitaet von belebtschlamm - Google Patents

Description

Hierzu 1 Seite Zeichnung

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung verschiedener Atmungsaktivitätswerte von Belebtschlämmen zum Zweck der Ermittlung der Restsubstratkonzentration (BSB₅) in biologischen Abwasserreinigungsanlagen sowie eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Eine grundlegende Schwierigkeit bei der Prozeßführung in biologischen Abwasserreinigungsanlagen besteht darin, daß derfür die mikrobiologischen Stoffwechselprozesses relevante Kontrollparameter BSBs, bedingt durch das mikrobiologische Analysenpjinzip (Inkubation von 5 Tagen) als Steuergröße nicht zur Verfügung steht. Dies bringt vor allem Probleme bei der Reinigung industrieller Abwässer mit wechselnder qualitativer Zusammensetzung mit sich, da in diesem Fall eine indirekte Abschätzung des BSBs anhand schnell bestimmbarer chemischer Parameter auch nicht möglich ist. Diese Situation ist um so kritischer, je intensiver die Prozesse geführt werden sollen.

Man ist deshalb einerseits bestrebt, durch Variation der Meßbedingungen bei der BSB-Bestimmung, insbesondere Intensivierung der Stoffumsätze durch Erhöhung der Konzentration der aktiven Biomasse, die Analysendauer zu verkürzen, andererseits hat man versucht, weitere Parameter zur Charakterisierung des Betriebszustandes von Belebtschlammanlagen einzuführen.

In diesem Zusammenhang sind vor allem die Methoden zur Betebtschlammatmungsaktivitätsmessung zu sehen. Allerdings wurden diese Methoden meist nur zur Bilanzierung der Stoffumwandlungsprozesse angewendet (z. B. EVILEVIC, M. A. u. Mitarb., Bum. Prom. [1971] 8, S. 22-23; MANN, Th., Chemie-lng.-Techn.44 [1972] 16 S.966-969). Einen Hinweis auf die Anwendungsmöglichkeit der Belebtschlammatmungsaktivitätsmessung zur Einschätzung des Wirkungsgrades von Belebtschlammanlagen gibt OTTO (Acta hydrochim. hydrobiol. 4 [1976] 5, S.491-494). In der DE-OS 2952343 wird ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung des Sauerstoffverbrauchs in Belebungsbecken beschrieben. Hierbei wird die Messung der Sauerstoffzehrung von Abwasser-Belebtschlamm-Gemisch in einem offenen Reaktionsgefäß ausgeführt, wobei diesem Gefäß kontinuierlich eine bestimmte Menge Abwasser und Rücklaufschlamm entsprechend der gewünschten oder vorhandenen Belastung des zu untersuchenden Belebtschlammsystems zugeführt wird.

Dieses Verfahren ist zwar sowohl zur Ermittlung von Parametern für eine wirtschaftliche Auslegung von Belebtschlammanlagen, als auch zur Steuerung derartiger Anlagen einsetzbar. Zur schnellen Ermittlung des Restsubstratgehaltes (BSB) in Belebtschlammanlagen ist es jedoch wegen der kontinuierlichen Substrat- und Belebtschlammzufuhr nichj geeignet. Ein weiterer Nachteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist die Ausführung des Reaktionsgefäßes als offenes System, wodurch eine Verfälschung der Meßwerte infolge des Eintrages von Luftsauerstoff nicht auszuschließen ist.

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung der Atmungsaktivität von Belebtschlamm vorzuschlagen, mit deren Hilfe bei minimalem zeitlichen Aufwand Meßergebnisse in biologischen

Abwasserbehandlungsanlagen nach dem Belebtschlammprinzip erhalten werden können, auf deren Grundlage der Restsubstratgehalt (BSB₅) des behandelten Abwassers, die Belastungssituation in dem Belebungsbecken, das Aktivitätsniveau des Belebtschlamms bzw. dessen Anteil an physiologisch aktivem Material abgeschätzt werden kann und somit zusätzliche Informationen und/oder Parameter für eine optimierte Prozeßsteuerung in Belebtschlammanlagen bereitgestellt werden.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Bestimmung der Restsubstratkonzentration (BSB₅) in Belebtschlammanlagen auf der Grundlage mikrobiologisch determinierter Prozeßgrößen (z. B. der Atmungsaktivität von Belebtschlamm) und eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens so auszugestalten, daß mit einer einfachen Apparatur bei minimalem Zeitaufwand unverfälschte Meßergebnisse in Abwasserreinigungsanlagen erhalten werden können. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß im ersten Schritt eine bestimmte Menge Abwasser-Belebtschlamm-Gemisch dem Belebungsbecken entnommen, in ein mit sauerstoffgesättigtem Wasser gefülltes abgeschlossenes Reaktionsgefäß, unter Verdrängung der entsprechenden Menge sauerstoffgesättigten Wassers, gebracht und die Abnahme der Sauerstoffkonzentration im Reaktionsgefäß infolge der respiratorischen Aktivität des Abwasser-Belebtschlamm-Gemisches gemessen wird.

In einem zweiten Schritt, der sich unmittelbar an die Messung der Sauerstoffzehrung des Abwasser-Belebtschlamm-Gemischs infolge der Veratmung des in ihm enthaltenen Restsubstrats anschließt, wird dem Reaktionsgefäß eine bestimmte Menge zusätzliches Substrat zugeführt und die Sauerstoffzehrung des Belebtschlamms in Gegenwart von Substratüberschuß gemessen.

Als Sauerstoffvorrat für die Messung der beiden Zehrungswerte wird der Sauerstoffgehalt des, im Reaktionsgefäß nach Einbringen des Abwasser-Belebtschlamm-Gemischs verbleibenden, sauerstoffgesättigten Wassers genutzt. Als zusätzliches Substrat wird vorzugsweise eine Substanz verwendet, die zumindest eine Komponente des in der Belebtschlammanlage zu reinigenden Abwassers darstellt und an die der Belebtschlamm demzufolge adaptiert ist. Aus den Zehrungswerten wird, durch Bezugnahme auf die eingesetzte Schlammenge (Schlammtrockensubstanz) und die Meßzeit, die Atmungsaktivität des Belebtschlamms berechnet. Die Ermittlung der entsprechenden BSB₅-Restsubstratkonzentration kann dann auf der Grundlage des für jede Belebtschlammanlage zu ermittelnden empirischen Zusammenhangs zwischen Atmungsaktivität des Belebtschlamms in Gegenwart von Restsubstrat und Restsubstratgehalt, gemessen als BSB₅, vorgenommen werden.

Die Messung der Atmungsaktivität in Gegenwart von zusätzlichem Substrat gewährt den Vorteil, daß man beim Vorliegen von Hemmeffekten und/oder toxischen Einflüssen eine Beeinträchtigung der Meßergebnisse erkennen kann und somit falsche Rückschlüsse auf die Restsubstratkonzentration vermieden werden können.

Eine Verfahrensführung besteht darin, daß man das Abwasser-Belebtschlamm-Gemisch am Ablauf des Belebungsbeckens entnimmt. Die ermittelbare BSB_S-Restsubstratkonzentration entspricht dann demnach dem Ablauf-BSB₆ der Belebtschlammanlage und charakterisiert somit deren momentanen Betriebszustand und ermöglicht erforderlichenfalls eine sofortige Einflußnahme auf die Prozeßführung.

Eine andere Variante der Verfahrensführung besteht darin, daß Abwasser-Belebtschlamm-Gemisch verschiedenen Beckenabschnitten zu entnehmen. Die Messung der Atmungsaktivität an diesen Proben erlaubt eine Einschätzung der Belastung in diesen Beckenabschnitten bzw. bei genügender Anzahl von Probenahmen aus verschiedenen Beckenabschnitten eine Charakterisierung der Substratverteilung im gesamten Belebungsbecken. Auf der Grundlage dieser Ergebnisse lassen sich gegebenenfalls für die Optimierung von Belebtschlammanlagen notwendige technische und/oder technologische Veränderungen ableiten.

Die Messung der Sauerstofzehrung wird wie bekannt zweckmäßigerweise mit Hilfe einer Sauerstoffelektrode durchgeführt und das Meßergebnis an ein Anzeigegerät und einen Schreiber zur kontinuierlichen Aufzeichnung des Verlaufs der Sauerstoffkonzentrationsabnahme weitergeleitet. Dadurch ist die Möglichkeit gegeben, den Verlauf der Messung jederzeit visuell zu überwachen und den günstigsten Zeitpunkt für den Beginn der Auswertephase zu wählen. Die Verwendung einer Sauerstoffelektrode vereinfacht das Verfahren insofern, als sie ein einfach weiterverarbeitbares, der Sauerstoffkonzentration proportionales elektrisches Signal kontinuierlich erzeugt.

Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens mit einer Meßeinrichtung zur Messung der Sauerstoffzehrung. Erfindungsgemäß zeichnet sich eine solche Vorrichtung dadurch aus, daß die Meßeinrichtung zur Messung der Sauerstoffzehrung, eine Zufuhreinrichtung für eine bestimmte Menge Abwasser-Belebtschlamm-Gemisch, eine Dosiereinrichtung für zusätzliches Substrat, ein Überlauf zur Ableitung des verdrängten sauerstoffgesättigten Wassers und eine Rühreinrichtung in dem Verschlußelement des Reaktionsgefäßes angeordnet sind. Dieses Verschlußelement mit allen enthaltenen Einrichtungen ist starr an einem Stativ befestigt und an der Innenseite so gestaltet, daß beim Anbringen des mit sauerstoffgesättigtem Wasser gefüllten Reaktionsgefäßes die Luft über den Überlauf vollständig aus dem Reaktionsraum verdrängt wird und ein Eindringen von Luftsauerstoff in das Reaktionsgefäß während der Messung vermieden wird. Eine derartige Gestaltung der Vorrichtung hat den Vorteil, daß zur Vorbereitung einer Messung nur das Reaktionsgefäß, vorzugsweise ein Glasgefäß mit einfachem Schraubverschluß, manipuliert werden muß.

Erfindungsgemäß ist weiterhin, daß die durch das Verfahren und Vorrichtung gewonnenen Meßergebnisse in der Weise ausgewertet werden, daß die Sauerstoffkonzentrationsdifferenz in einer vorgegebenen Meßzeit erfaßt, digital angezeigt und nach Ablauf der Messung gespeichert wird. Die Meßphase wird unter vorheriger Beobachtung des parallel laufenden Schreiberdiagramms durch ein Startsignal von Hand ausgelöst. Dadurch entfällt die graphische Auswertung der Meßkurven. Durch die Möglichkeit der indirekten BSB₅-Ermittlung auf der Basis der Atmungsaktivität des Belebtschlamms biologischer Abwasserreinigungsanlagen in kürzester Zeit (21 h) eignet sich das Verfahren sowie die Vorrichtung gemäß der Erfindung insbesondere zur effektiven Überwachung und Prozeßkontrolle in Belebtschlammanlagen.

Die zusätzliche Messung der Atmungsaktivität des Belebtschlamms in Gegenwart von Substratüberschuß stellt eine Hilfsgröße zur Verfügung, die es gestattet, durch Hemmeffekte und/oder toxische Einflüsse beeinträchtigte Meßergebnisse zu erkennen und somit falsche Rückschlüsse auf den BSB₅-Wert zu vermeiden.

Des weiteren kann das Verfahren und die Vorrichtung gemäß Erfindung auch zur Charakterisierung der Belastungsverhältnisse in Belebtschlammanlagen eingesetzt werden. So ist es beispielsweise durch den Vergleich lokaler Werte der Atmungsaktivität möglich, die Substratverteilung in Belebungsbecken von Belebtschlammanlagen zu charakterisieren und gegebenenfalls technische und/oder technologische Maßnahmen zur Verbesserung der Effektivität und/oder Senkung des Betriebsaufwandes abzuleiten.

Außerdem kann das Verfahren und die Vorrichtung gemäß Erfindung zur Prozeßsteuerung in Belebtschlammanlagen nach dem ansonsten nicht zur Verfügung stehenden Parameter BSB₅ verwendet werden. Hierfür ist nur die erfindungsgemäße Messung der Atmungsaktivität in möglichst kurzen Zeitabständen erforderlich.

Das Verfahren und die Vorrichtung gemäß Erfindung ist weiterhin dazu geeignet, das Aktivitätsniveau des Belebtschlamms bzw. dessen Anteil an physiologisch aktiven Material einzuschätzen und das Vorliegen von Hemmeffekten bzw. den Einfluß toxischer Substanzen nachzuweisen.

Ausführungsbeispiel

Die Erfindung soll anhand einer Zeichnung näher erläutert werden

Fig. 1 zeigt den schematischen Aufbau der Vorrichtung.

Das Reaktionsgefäß 1, beispielsweise eine Weithals-Glasflasche mit Schraubverschluß und einem Rauminhalt von ca. 0,51, ist mit einem Verschlußelement 2 verschlossen, welches eine Zufuhreinrichtung für Abwasser-Belebtschlamm-Gemisch 3, eine Rühreinrichtung 4, im vorliegenden Fall einen durch einen Elektromotor angetriebenen Umwälzpropeller, eine temperaturkompensierte Sauerstoffelektrode 5, eine Dosiereinrichtung für zusätzliches Substrat 6, beispielsweise eine handelsübliche Glaskolbenspritze und einen Überlauf 7 aufnimmt. Die Sauerstoffelektrode ist an ein Anzeige-Speicher- und Auswertegerät 8 angeschlossen.

Zur Bestimmung der Atmungsaktivität des Belebtschlamms wird das mit sauerstoffgesättigtem Wasser vollständig gefüllte Reaktionsgefäß 1 von unten an das an einer Haltevorrichtung starr befestigte Verschlußelement 2 angebracht. Dabei ist zu beachten, daß der Reaktionsraum nach dem Verschließen keine Luftblasen enthält; nötigenfalls sind diese durch Zufuhr geringer Mengen sauerstoffgesättigten Wassers über die Zufuhreinrichtung 3 durch den Überlauf 7 zu verdrängen.

Nach Inbetriebsetzung der Rühreinrichtung 4 kann die Sauerstoffmeßeinrichtung geeicht werden.

Während des Einbringens der abgemessenen Menge Abwasser-Belebtschlamm-Gemisch über die Zufuhreinrichtung 3 wird die Rühreinrichtung 4 außer Betrieb genommen, um das Einschichten des Abwasser-Belebtschlamm-Gemischs am Boden des Reaktionsgefäßes 1 zu ermöglichen. Dabei wird eine entsprechende Menge sauerstoffgesättigten Wassers aus dem Reaktionsraum 1 verdrängt. Nach Wiederinbetriebnahme dec Rühreinrichtung 4 und erfolgter Durchmischung des Inhalts des Reaktionsraumes kann die Sauerstoffzehrung des Abwasser-Belebtschlamm-Gemischs an Hand des im Anzeige-, Aufzeichnungs- und Auswertegerät 8 enthaltenen Schreiberdiagramms verfolgt werden. Nach wenigen Minuten Meßzeit stellt sich ein linearer Abfall der Sauerstoffkonzentration ein. Zu diesem Zeitpunkt kann die automatische Auswertung durch Nullpunktsabgleich am Differenzierglied und Auslösen des Zeitrelais gestartet werden. Nach Ablauf der mit Hilfe des Zeitrelais wählbaren Meßzeit wird die angezeigte Sauerstoffkonzentrationsdifferenz gespeichert.

Danach erfolgt die Zugabe des zusätzlichen Substrats über die Dosiereinrichtung 6, erneuter Nullpunktsabgleich des Differenzierglieds und Start des Zeitrelais. Nach Ablauf dieser zweiten Meßperiode wird die Sauerstoffkonzentrationsdifferenz für die Sauerstoffzehrung des Belebtschlamms in Gegenwart von Substratüberschuß angezeigt und gespeichert. Das Ende der Meßzeit wird jeweils durch ein akustisches Signal angezeigt.

Aus der so ermittelten Sauerstoffkonzentrationsdifferenz, dem Volumen des Reaktionsgefäßes, der eingesetzten Belebtschlammenge und der eingestellten Meßzeit können die Atmungsaktivitätswerte des Belebtschlamms berechnet werden.

Claims (4)

1. Erfindungsanspruch:

   1. Verfahren zur Bestimmung der Restsubstratkonzentration (BSB₅) in Belebtschlammanlagen auf der Grundlage der bekannten Bestimmung der Atmungsaktivität, dadurch gekennzeichnet, daß aus dem gemessenen Wert der Atmungsaktivität über eine zuvor für die entsprechende Anlage ermittelte Korrelation zwischen Atmungsaktivität und Restsubstratkonzentration (BSB₅) letztere bestimmt wird und daß zur Charakterisierung des physiologischen Zustandes des eingesetzten Belebtschlammes und zur Beurteilung des ersten Atmungswertes eine zweite Messung in Gegenwart einer bestimmten Menge Standardsubstrates durchgeführt wird, wobei als Sauerstoffvorrat für beide Messungen der Sauerstoffgehalt des sauerstoffgesättigten Wassers genutzt wird.
2. 2. Verfahren nach Punkt 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Standardsubstrat eine Substanz oder ein Substanzgemisch verwendet wird, die bzw. das in dem in der Abwasserbehandlungsanlage zu behandelnden Abwasser enthalten ist.
3. 3. Verfahren nach Punkt 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Vereinfachung der Auswertung der gewonnenen Meßergebnisse die Sauerstoffkonzentrationsdifferenz in einer vorgegebenen Meßzeit erfolgt, digital angezeigt und nach Ablauf der Messung in einem Anzeige-, Aufzeichnungs- und Auswertegerät gespeichert wird, wobei die Meßphase unter vorheriger Beobachtung des parallel laufenden Schreiberdiagramms durch ein Startsignal von Hand ausgelöst wird.
4. 4. Anwendung des Verfahrens nach Punkt 1 und 2 zur Ermittlung der Substratverteilung in Belebungsbecken, zur Prozeßsteuerung und Optimierung des Reinigungsprozesses in Belebtschlammanlagen und zum Nachweis von Hemmeffekten, Überlastungen und/oder toxischen Einflüssen in Belebtschlammanlagen durch vergleichende Betrachtung der Atmungsaktivität mit und ohne Substratüberschuß.