DD246172A1 - Messeinrichtung und verfahren zur bestimmung des biochemischen sauerstoffbedarfes (bsb) von abwasser - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Meszeinrichtung zur Bestimmung des biochemischen Sauerstoffbedarfes (BSB) biologisch abbaubarer organischer Inhaltsstoffe von Abwasser, Rohwasser und duennen Schlaemmen, wobei die Werte zur Steuerung von Abwasserbehandlungsanlagen oder als Grenzwertanzeiger genutzt werden koennen. Daraus leitet sich die Aufgabe ab, bei hoher Meszgenauigkeit den tatsaechlichen BSB in kurzen Zeitraeumen zu bestimmen. Die erfindungsgemaesze Meszeinrichtung weist eine aus Belueftungskammer und mindestens zwei abgeschlossenen mit Ruehreinrichtungen versehenen Meszkammern bestehende Reaktionskammer auf, wobei die Belueftungskammer ueber eine Dosierpumpe mit dem Abwasserleiter und ueber eine Pumpe mit der zweiten Meszkammer sowie einer Belueftungseinrichtung und die zweite Meszkammer ueber einen in bekannter Weise ausgebildeten Entnahmestutzen mit einer Dosierpumpe verbunden ist, in der Belueftungs- und der zweiten Meszkammer Sauerstoffsonden angeordnet sind, die ueber einen Meszverstaerker mit einem Rechner und dieser mit den Dosierpumpen, der Belueftungseinrichtung, der Pumpe und den Ruehreinrichtungen gekoppelt ist. Die BSB-Bestimmung erfolgt in den Schritten einmaliges Fuellen der Reaktionskammer mit aktiver Biomasse, Bestimmen der endogenen Atmung davon, Speicherung des Wertes, Sedimentation der Biomasse, Abwasserzugabe und aequivalenter Klarphasenabzug, Belueftung und Kontaktierung von Abwasser und Biomasse durch Ruehren und Umpumpen, kontinuierliche Sauerstoffmessung, Errechnung des Sauerstoffbedarfes des Mediums, Fortfuehrung des Meszvorganges unter Beibehaltung von Ruehren, Sauerstoffeintrag und Umpumpen bis zum UEbergang von Substratatmung zu endogener Atmung, Summierung der gemessenen Sauerstoffverbrauchswerte und Ermittlung des BSB unter Beachtung der endogenen Atmung und des Abwasseranteils.

Description

Hierzu 2 Seiten Zeichnungen

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine teilautomatisch arbeitende Einrichtung zur diskontinuierlichen Bestimmung des biochemischen Sauerstoffbedarfes (BSB) biologisch abbaubarer organischer Inhaltsstoffe von Abwasser, Rohwasser und dünnen Schlämmen. Sie eignet sich besonders zur ständigen Kontrolle der Zu lauf belastung von Abwasserbehandlungsanlagen. Aufgrund der relativ kurzen Zeit zur Meßwerterfassung läßt sich die Erfindung zur Steuerung von Belebungsanlagen nutzen. Sie ist jedoch auch zur Messung der Atmungsaktivität aquatischer Mikroorganismen sowie zur Prüfung der mikrowellen Abbaubarkeit organischer Verbindungen und zur Bestimmung der toxischen Wirkung von Abwasserinhaltsstoffen auf Mikroorganismen einsetzbar.

Charakteristik des Standes der Technik

Zur Bestimmung des biochemischen Sauerstoffbedarfes (BSB) biologisch abbaubarer, organischer Abwasserinhaltsstoffe gibt es verschiedene Möglichkeiten.

Das Grundprinzip der bekannten Verfahren und Einrichtungen besteht darin, daß das zu messende Medium (z. B. Abwasser, Rohwasser) mit einer sauerstoffangereicherten, anorganischen Nährlösung (BSB-Wasser) relativ stark verdünnt und anschließend mit einer geringen Konzentration aktiver Biomasse versetzt wird. Danach wird der Sauerstoffverbrauch des Gemisches per Zeit- und Volumeneinheit unter definierten Bedingungen (Temperatur, Turbulenz) über einen meist fünf Tage währenden Testzeitraum kontinuierlich oder durch Bestimmung des Anfangs- und Endsauerstoffgehalts in relativ kleinen Reaktionsgefäßen gemessen. Der während des Meßzeitraumes benötigte Sauerstoff wird entweder in ausreichender Menge bei Versuchsbeginn zugegeben oder während des Meßzeitraumes durch elektrolytische Freisetzung bzw. diskontinuierliche Zuführung bekannter Sauerstoffmengen ergänzt.

Der im Testzeitraum mikrobiell verbrauchte gelöste Sauerstoff ist ein Maß für den Gehaltan biologisch leicht abbaubaren organischen Stoffen im Meßmedium.

Darüber hinaus sind Sauerstoffdifferenzmeßverfahren mit entsprechenden Meßeinrichtungen bekannt. Bei diesen Verfahren wird lediglich der aktuelle biochemische Sauerstoffverbrauch eines Mediums zu einem beliebigen Zeitpunkt, jedoch nicht der gesamte biochemische Sauerstoffbedarf der biologisch abbaubaren organischen Wasserinhaltstoffe bestimmt. So wird in der DE-OS 2338004 ein Verfahren und ein Respirometer zur Überwachung des Sauerstoffgehaltes in Abwässern beschrieben. Das Abwasser wird belüftet und durchströmt einen abgeschlossenen Strömungsweg einer Verweilkammer, wobei am Zu- und Abfluß der Verweilkammer mit Meßfühlern eine Sauerstoffmessung erfolgt. Eine Differenzbildung ergibt die verbrauchte Sauerstoffmenge während der Durchströmzeit, jedoch nicht den biochemischen Sauerstoffbedarf (BSB). Den bekannten Verfahren und Einrichtungen haften eine Reihe Nachteile an.

Der Hauptnachteil wird darin gesehen, daß der zur Meßwerterfassung erforderliche Zeitraum sehr lang ist. Die mit den bekannten Verfahren und Einrichtungen ermittelten Meßwerte charakterisieren daher nur einen gewesenen Zustand. Sie sind als Steuerimpulse für Abwasserbehandlungsanlagen oder als Signale bei Grenzwertüberschreitungen nicht nutzbar. Der lange Meßzeitraum und die damit verbundene begrenzte Aussagefähigkeit der Meßwerte ist dadurch bedingt, daß bei den bekannten Verfahren und Einrichtungen die BSB-Messung mit höheren, den natürlichen Bedingungen nahekommenden Biomassekonzentrationen, aufgrund der unzureichenden Nachlieferung von verbrauchtem Sauerstoff nicht möglich ist. Ein weiterer Mangel wird in der Meßungenauigkeit gesehen. Bei den bekannten Verfahren geht der Wert der endogenen Atmung der mit der Abwasserprobe in das Reaktionsgefäß eingetragenen Mikroorganismen in den Endwert mit ein. Dadurch ergibt sich ein erhöhter Sauerstoffverbrauch, der nicht durch gelöste, biologisch abbaubare organische Substanzen verursacht wird. Der Anteil dieses Sauerstoffverbrauchs kann in Abhängigkeit von der Biomassekonzentration in der Probe, vom Verdünnungsverhältnis, von der Versuchsdauer und vom Gehalt leicht abbaubarer Stoffe im Abwasser bis zu 50% betragen. Ein entscheidender Nachteil der bekannten Einrichtungen besteht darin, daß sich unter Praxisbedingungen ein zyklischer Wechsel der Proben nicht bzw. nur mit erhöhtem technischem Aufwand realisieren läßt. Keine der bekannten Einrichtungen eignet sich daher als automatisch arbeitendes Betriebsmeßgerät.

Ziel der Erfindung

Das Ziel der Erfindung ist die Schaffung einer Meßeinrichtung und eines Verfahrens, mit deren Hilfe der biochemische Sauerstoffbedarf (BSB) organischer Abwasserinhaltsstoffe automatisch so bestimmt werden kann, daß die Werte noch zur Steuerung von Abwasserbehandlungsanlagen oder als Grenzwertanzeiger genutzt werden können.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Meßeinrichtung und ein Verfahren zu entwickeln, die bei hoher Meßgenauigkeit die Bestimmung des tatsächlichen biochemischen Sauerstoffbedarfes (BSB) in kurzen Meßzeiträumen, t<30min, ermöglichen.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe mit einer Meßeinrichtung gelöst, die eine aus einer Belüftungskammer und mindestens zwei mit Rühreinrichtungen versehenen abgeschlossenen Meßkammern bestehende Reaktionskammer aufweist, wobei alle Kammern miteinanderverbunden sind und in Funktionseinheit ein Gesamtreaktionsvolumen darstellen. Die Belüftungskammer ist über eine Dosierpumpe mit dem Abwasserleiter und über eine Pumpe mit dem Ablauf der zweiten Meßkammer sowie mit einer Belüftungseinrichtung verbunden. Die zweite Meßkammer ist über einen im oberen Teil angeordneten Entnahmestutzen mit einer Dosierpumpe verbunden. In der Belüftungskammer unmittelbar am Zulauf der ersten Meßkammer sowie am Ablauf der zweiten Meßkammer sind Sauerstoffsonden angeordnet, die über einen Sauerstoff-Meßverstärker mit einem Rechner gekoppelt sind. Der Rechner, weist eine Kopplung zu den beiden Dosierpumpen, zur Belüftungseinrichtung, der Pumpe und den Rühreinrichtungen auf. Im oberen Teil der beiden Meßkammern sind Entlüftungsstutzen vorgesehen. Das erfindungsgemäße Verfahren zur Bestimmung des biochemischen Sauerstoffbedarfes weist folgende Schritte auf: Die Reaktionskammer wird einmalig mit aktiver Biomasse mit einer Konzentration von 1,5—2gTS/l Reaktionsvolumen gefüllt, von dieser Biomasse die endogene Atmung bestimmt und dieser Wert als Ausgangsgröße gespeichert. Anschließend wird die Biomasse in der Reaktionskammer durch eine vorzugsweise 5-1 Ominütige Ruhepause zur Sedimentation gebracht. Danach wird der Belüftungskammer eine definierte Menge Abwasser, vorzugsweise 15-20 Vol.-% des Gesamtreaktionsvolumens zugegeben und gleichzeitig eine äquivalente Menge Klarphase aus der zweiten Meßkammer abgezogen. Danach wird Sauerstoff eingetragen und durch Umpumpen und Rühren eine Kontaktierung von Abwasser und Biomasse in allen Kammern hergestellt. Nach vollständiger Durchmischung und Anreicherung mit Sauerstoff wird eine kontinuierliche Messung des gelösten Sauerstoffes in der Belüftungskammer und am Ablauf der zweiten Meßkammer begonnen. Mindestens jede Minute wird der Sauerstoffbedarf des Meßmediums unter Berücksichtigung der Verweilzeit in den Meßkammern errechnet. Unter Beibehaltung des Rührvorganges in den Meßkammern, des Umpumpens des Meßmediums und der Anreicherung mit Sauerstoff wird der Meßvorgang solange fortgesetzt, bis die Organismen der aktiven Biomasse von der Substratatmung zur endogenen Atmung übergehen. Anschließend wird der im Zeitraum nach Abschluß der Abwasserzugabe bis zum Ende des Meßvorganges in jeder Minute gemessene Sauerstoffverbrauch summiert, der im Meßzeitraum erfolgte Sauerstoffverbrauch der endogenen Atmung subtrahiert und danach unter Beachtung des Abwasseranteiles der biochemische Sauerstoffbedarf pro I Liter Abwasser ermittelt.

Ausführungsbeispiel

Die Erfindung wird nachstehend an einem Beispiel näher erläutert

Die zugehörigen Zeichnungen zeigen:

Fig. 1: Prinzipieller Aufbau der erfindungsgemäßen Meßeinrichtung Fig. 2: Verlauf des Sauerstoffverbrauches während eines Meßvorganges

Die Einrichtung besteht aus einer Belüftungskammer 1 und mindestens zwei, mit Rühreinrichtungen 4 versehenen Meßkammern 2,3. Die Kammern 1,2,3 sind so gestaltet bzw. so miteinander verbunden, daß keine Luftblasen von der

Belüftungskammer 1 in die erste Meßkammer 2 gelangen und daßdie praktische Verweilzeit in den Meßkammern 2,3 der theoretischen nahekommt. Die Belüftungskammer 1 und die Meßkammern 2,3 verkörpern in Funktionseinheit das Gesamtreaktionsvolumen. Die Belüftungskammer T ist außerdem über eine Dosierpumpe 10 mit dem Abwasserleiter und über eine Leitung und eine Pumpe 8 mit dem Ablauf der zweiten Meßkammer 3 sowie mit einer Belüftungseinrichtung 11 gekoppelt.

Die zweite Meßkammer 3 ist über einen im oberen Teil angeordneten Entnahmestutzen 7 mit einer Dosierpumpe 9 verbunden.

IrfFoberen Teil der Meßkammern 2,3 befinden sich außerdem Entlüftungsstutzen 6.

In der Belüftungskammer 1 unmittelbar am Zulauf zur ersten Meßkammer 2 sowie am Ablauf der zweiten Meßkammer 3 sind elektrochemische Sauerstoffsonden 5 angeordnet, die über einen Sauerstoffmeßverstärker 12 mit einem Rechner 13, einem Display 15 und einem Drucker 14gekoppelt sind.

Die Dosierpumpen 9,10 die Belüftungseinrichtung 11, die Pumpe 8, die Rühreinrichtungen 4 sowie Display 15 und Drucker 14 sind mit dem Rechner 13 über Steuerkabel verbunden.

Der Meßvorgang und die erfindungsgemäße BSB-Bestimmung laufen wie folgt ab:

Belebter Schlamm und biologisch gereinigtes Abwasser aus einer Belebungsanlage werden so vermischt, daß der

Belebtschlammgehalt des Gemisches etwa 1,5—2g TS/I beträgt.

Dieses Gemisch wird der Belüftungskammer 1 sowie den Meßkammern 2,3 zugeführt. Die in den Meßkammern 2,3 befindliche Luft entweicht dabei über die Entlüftungsstutzen 6. Nach dem Füllvorgang werden die Rührvorrichtungen 4, die Pumpe 8, die Sauerstoffmeßeinrichtung 5,12 sowie der Rechner 13, Display 15 und Drucker 14 eingeschaltet. Durch die Pumpe 8 wird kontinuierlich sauerstoffarmes Medium aus der zweiten Meßkammer 3 in die Belüftungskammer 1 befördert und dort durch eine Belüftungseinrichtung 11 mit gelöstem Sauerstoff angereichert. Aus der Förderleistung der Pumpe und dem bekannten Volumen der Meßkammern läßt sich die theoretische Verweilzeit des Meßmediums in den Kammern ermitteln.

Mit Hilfe der Sauerstoffmeßeinrichtungen 5,12 wird ständig der Gehalt an gelöstem Sauerstoff am Zulauf zur ersten Meßkammer 2 und am Ablauf der zweiten Meßkammer 3 gemessen. Der Rechner 13 ermittelt mind, jede Minute aus der Differenz der Sauerstoffkonzentrationen und dertheoretischen Verweilzeit des Gemisches in den Meßkammern 2,3 den Sauerstoffverbrauch pro Liter und Minute. Der Wert wird auf dem Display 15 dargestellt. Der mit biologisch gereinigtem Abwasser vermischte belebte Schlamm geht aufgrund von Nährsubstratmangel nach wenigen Minuten zur endogenen Atmung über. Nach einer vorgegebenen Meßzeit wird der Sauerstoffverbrauch während der „endogenen Atmung" der Organismen gemessen und im Rechner 13 gespeichert.

Anschließend wird vom Rechner 13 durch Abschalten der Belüftungseinrichtung 11, der Rührvorrichtung 4 und der Pumpe 8 eine Sedimentationsphase von vorzugsweise 5—10 Minuten eingeleitet. Dabei trennt sich das Gemisch in eine Klarphase und in eine mit belebtem Schlamm angereicherte Phase. Nach der Phasentrennung werden durch den Rechner 13 gleichzeitig die zwei Dosierpumpen 9,10 angesteuert. Die Dosierpumpe 9 entnimmt über den Entnahmestutzen 7 der zweiten Meßkammer 3 eine vorgegebene Menge Klarphase. Zur gleichen Zeit wird durch die Dosierpumpe 10 aus dem Abwasserleiter eine äquivalente Menge frischen Abwassers der Belüftungskammer 1 zugeführt. Vorzugsweise werden dabei 0,15-0,20 l/l Reaktionsraum (Belüftungs-und Meßkammern) ausgetauscht.

Nach dem Wechsel der Medien werden die Dosierpumpen 9,10 abgeschaltet und Rührvorrichtung 4, Belüftungseinrichtung 11 und Pumpe 8 erneut eingeschaltet. Durch die Zugabe frischen, nährstoffreichen Abwassers steigt der Sauerstoffverbrauch stark an. Mit Hilfe der Sauerstoffmeßeinrichtungen 5,12 wird der Sauerstoffverbrauch in den Meßkammern 2,3 kontinuierlich gemessen und mind, jede Minute ermittelt der Rechner 33 unter Beachtung dertheoretischen Verweilzeit in den Meßkammern 2,3 und abzüglich des Sauerstoffverbrauchs während der „endogenen Atmung" den Sauerstoffbedarf des Meßmediums pro Liter und Minute. Der Wert wird gespeichert und auf dem Display 15 angezeigt. Kurz nach Zugabedesfrischen Abwassers weist das Gemisch aufgrund des Nährsubstratangebotes einen hohen Sauerstoffverbrauch auf. Die Dauer dieser sogenannten „Substratatmung" hängt von der Biomassekonzentration und vom Gehaltan biologisch leicht abbaubaren Abwasserinhaltstoffen ab. Bei einem Belebtschlammgehalt von 1,5-2 g TS/I und einer Zuführung von 0,15-0,20 l/l kommunalen Abwassers pro 1 Liter Reaktionsraum sind die abbaubaren organischen Stoffe nach rund 15-25min zu etwa 85-90% durch die Mikroorganismen eliminiert worden. Durch den nun eintretenden Nährsubstratmangel sinkt der Sauerstoffverbrauch relativ schnell ab. Die Organismen gehen von der Substratatmung zur endogenen Atmung über. Der Meßvorgang wird durch den Rechner 13 abgebrochen, wenn die Organismen von der Substratatmung zur endogenen Atmung übergehen oder wenn sich der Sauerstoffverbrauch dem Wert der eingangs messenden „endogenen Atmung" weitgehend angenähert hat. Zu diesem Zeitpunkt sind > 95% der biologisch leicht abbaubaren Stoffe eliminiert. Der Rechner 13 summiert nun die in Minutenabständen gemessenen Werte vom Ende der Abwasserzugabe bis zum Ende des Meßvorganges und ermittelt daraus unter Beachtung der Menge des zugegebenen frischen Abwassers den biochemischen Sauerstoffbedarf (BSB) der biologisch leicht abbaubaren organischen Stoffe des Meßmediums. Die Meßkurve und die dabei ermittelten Meßwerte werden durch den Drucker 14 ausgedruckt.

Daran schließt sich eine neue Meßphase an. Diese beginnt in der bereits beschriebenen Weise mit einer Sedimentationsphase und der Zuführung frischen Abwassers. Nach mehreren Meßphasen wird der Wert der endogenen Atmung kontrolliert.

Die Erfindung weist folgende Vorteile auf:

Aufgrund der hohen Konzentration an aktiver Biomasse kann in kurzen Zeitabständen (t < 30 min) dertatsächliche biochemische Sauerstoffbedarf (BSB) ermittelt werden.

Damit wird die Voraussetzung für die Steuerung einer Kläranlage in Abhängigkeit von der Zulaufbelastung geschaffen.

Durch die erfindungsgemäße Gestaltung und Anordnung der Belüftungs- und Meßkammern ist es möglich, zu jedem beliebigen Zeitpunkt einen Probenwechsel an zu messenden Medien durchzuführen.

Claims (3)

1. Erfindungsanspruch: .

   1. Meßeinrichtung zur Bestimmung des biochemischen Sauerstoffbedarfes (BSB) aus Abwasser, gekennzeichnet dadurch, daß eine Reaktionskammer aus einer Belüftungskammer (1) und mindestens zwei mitRühreinrichtungeri (4) versehenen abgeschlossenen Meßkammern (2; 3) besteht, die miteinander verbunden sind, die Belüftungskammer (1) über eine Dosierpumpe (10) mit dem Abwasserleiter und über eine Pumpe (8) mit dem Ablauf der zweiten Meßkammer (3) sowie mit einer Belüftungseinrichtung (11) verbunden ist, die zweite Meßkammer (3) über einen im oberen Teil angeordneten Entnahmestutzen (7) mit einer Dosierpumpe (9) verbunden ist, in der Belüftungskammer (1) unmittelbar zum Zulauf der ersten Meßkammer (2) sowie am Ablauf der zweiten Meßkammer (3) Sauerstoffsonden (5) angeordnet sind, die über einen Sauerstoff-Meßverstärker (12) mit einem Rechner (13) gekoppelt sind und der Rechner (13) eine Kopplung zu den Dosierpumpen (9; 10), der Belüftungseinrichtung (11), der Pumpe (8) und den Rühreinrichtungen(4) aufweist.
2. 2. Meßeinrichtung nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß im oberen Teil der Meßkammern (2; 3) Entlüftungsstutzeri (6) vorgesehen sind.
3. 3. Verfahren zur Bestimmung des biochemischen Sauerstoffbedarfes (BSB) aus Abwasser nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Reaktionskammer einmalig mit aktiver Biomasse mit einer Konzentration von 1,5-2g TS/I Reaktionsvolumen gefüllt, von dieser Biomasse die endogene Atmung bestimmt, dieser Wert als Ausgangsgröße gespeichert und anschließend die Biomasse in der Reaktionskammer durch eine vorzugsweise 5-10minütige Ruhepause zur Sedimentation gebracht wird, danach der Belüftungskammer eine definierte Menge Abwasser, vorzugsweise 15-20 Vol.-% des Gesamtreaktionsvolumens, zugegeben, gleichzeitig eine äquivalente Menge Klarphase aus der zweiten Meßkammer abgezogen, danach Sauerstoff eingetragen und durch Umpumpen und Rühren eine Kontaktierung von Abwasser und Biomasse in allen Kammern hergestellt wird, nach vollständiger Durchmischung und Anreicherung mit Sauerstoff eine kontinuierliche Messung des gelösten Sauerstoffes in der Belüftungskammer und am Ablauf der zweiten Meßkammer begonnen, mindestens jede Minute der Sauerstoffbedarf des Meßmediums unter Berücksichtigung der Verweilzeit in den Meßkammern errechnet und die Messung unter Beibehaltung des Rührvorganges in den Meßkammern, des Umpumpens des Meßmediums und der Anreicherung mit Sauerstoff solange fortgesetzt wird, bis die Organismen der aktiven Biomasse von der Substratatmung zur endogenen Atmung übergehen und danach der im Zeitraum nach Abschluß der Abwasserzug a be bis zum Ende des Meßvorganges in jeder Minute gemessene Sauerstoffverbrauch summiert, der im Meßzeitraum erfolgte Sauerstoffverbrauch der endogenen Atmung subtrahiert und anschließend unter Beachtung des Abwasseranteils der biochemische Sauerstoffbedarf pro I Liter Abwasser ermittelt wird.