DD286232A5 - Messeinrichtung zur bestimmung von prozessgroessen zur steuerung von abwasserbehandlungsanlagen - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Meszeinrichtung zur Bestimmung von mehreren Prozeszgroeszen, wie z. B. Sauerstoffbedarf im Belebungsbecken, BSB-Konzentration, Trockensubstanzgehalt des Belebtschlammes, Konzentration leicht abbaubarer Stoffe, Abbaubarkeit oder Toxizitaet eines Abwassers, zur Steuerung von Abwasserbehandlungsanlagen. Erfindungsgemaesz ist eine Belueftungskammer mit einer Meszkammer offen verbunden. Die Belueftungskammer ist mit dem Belebungsbecken und/oder dem Abwasserleiter verbunden. Die beiden Kammern sind ueber ein gesteuertes Magnetventil mit einer Meszzelle verbunden, in der eine elektrochemische Sauerstoffsonde angeordnet ist. Die Meszzelle ist ueber einen Sauerstoff-Meszverstaerker mit einem Prozeszrechner gekoppelt, der Magnetventil und Pumpenzulauf steuert. Die Umwaelzung ueber die Meszzelle erfolgt mit einer Pumpe. An der Meszkammer ist ein UEberlauf vorgesehen. Abb. 1{Meszeinrichtung; Steuerung; Abwasserbehandlungsanlage; Belebtschlamm; biologischer Sauerstoffbedarf; Trockensubstanzgehalt; Toxizitaet; Belueftungskammer; Meszkammer; Magnetventil; elektrochemische Sauerstoffsonde; Prozeszrechner}

Description

Darlegung des Wesens der Erfindung

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Meßeinrichtung zu entwickeln, mit der durch eine Sauerstoffdifferenzmessung mehrere Prozeßgrößen, wie Sauerstoffbedarf im Belebungsbecken, BSB-Konzentration, Trockensubstanzgehalt des Belebtschlammes, Konzentration leicht abbaubarer Stoffe, Abbaubarkeit bzw. Toxizität einej Abwassers, ermittelt werden können, ohne daß das anfallende Stoffgemisch außer einer mechanischen Vorreinigung, filtriert oder verdünnt werden muß. Es toll ein kontinuierlicher oder quasikontinuierlicher Meßvorgang ohne Unterbrechung des Lufteintrages ermöglicht werden. Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß eine offene Belüftungskammer und eine mit Rührern versehene, abgeschlossene, unbelüftete Meßkammer über Öffnungen miteinander verbunden sind. Die Belüftungskammer ist über eine Pumpe direkt mit dem zu messenden Medium aus dem Belebungsbecken bzw. dem Abwasserleiter verbunden. Sie enthält eine Belüftungseinrichtung. Die Belüftungs- und die Meßkammer sind über ein Magnetventil mit einer Meßzelle verbunden, in der eine elektrochemische Sauerstoffsonde angeordnet ist. Die Meßzelle ist über einen Sauerstoff-Meßverstärker mit einem Prozeßrechner gekoppelt, welcher wiederum eine Kopplung mit dem Magnetventil und der Pumpe am Zulauf aufweist. In der über die Meßzelle in die Belüftungskammer führende Leitung ist ebenfalls eine Pumpe angeordnet. Die Meßkammer besitzt einen Überlauf.

Die Funktion der Meßeinrichtung ist wie folgt:

In die Belüftungskammer wird über eine Pumpe das zu messende Medium (Belebtschlamm, Abwasser) eingeleitet. Hier erfolgt eine Belüftung bis zur annähernden Sättigung mit Sauerstoff. Das belüftete Gemisch fließt über Öffnungen in eine mit Rührern versehene Meßkammer. E'ne dem Zulauf äquivalente Menge verläßt die Meßkammer kontinuierlich. Aus der Belüftungskammer oder der Meßkammer kann ein über Prozeßrechner gesteuertes Magnetventil die Zufuhr des jeweils zu messenden Mediums in die Meßzelle freigeben. Der Transport über die Meßzelle erfolgt mittels einer Pumpe wieder in die Belüftungskammer. In der Meßzelle erfolgt eine elektrochemische Sauerstoffmessung. Sie ist über oinen Sauerstoff-Meßverstärker mit dem Prozeßrechner gekoppelt. Der Prozeßrechner steuert je nach durchzuführender Messung die zeitabhängigen Funktionen der Meßeinrichtung. Er übernimmt die Auswertung der Daten und gibt Signale zur Beeinflussung des Betriebes der Abwasserbehandlungsanlage.

Ausführungsbeispiele

Die Meßeinrichtung wird an 4 Einsatzbeispielen näher erläutert

Die zugehörigen Abbildungen bedeuten:

Abb.1: Aufbau der Meßeinrichtung Abb. 2: Meßschritte zur Bestimmung verschiedener Prozeßgrößen

Aus den gemessenen Werten können folgende Prozeßgrößen zur Steuerung von Abwasserbehandlungsanlagen ermittelt werden (Abb. 2).

1. boi kontinuierlicher Zugabe von Abwasser-Belebtschlamm-Gemisch

- Messung der Geschwindigkeit des OyVerbrauches (pro Volumeneinheit) als Maß für die Berechnung des erforderlichen GvEintrages in das Belebungsbecken

- Messung der Geschwindigkeit des OyVerbrauches (pro Gewichtseinheit organische Trockensubstanz) als Maß für die Ermittlung der zulaufenden Abwasserlast

- bei Entnahme aus dem Ablauf des Belebungsbeckens: Oj-Zehrung pro Volumeneinheit im Zustand der Grundatmung. Die Differenz ist ein Maß für den Rest-BSB.

2. Grundatmung des Belebtschlammes pro Volumeneinheit als Maß zur Berechnung der organischen Trockensubstanz pro Volumeneinheit

3. Geschwindigkeit des (^-Verbrauchs in einem vorgegebenen Zeitraum bei einer vorgegebenen Menge zudosiertem Abwasser als Maß für die indirekte Sofortbestimmung des BSB

4. Flächenintegral der Sauerstoffzeitkurve von Abwasserzugabe bis Übergang zur Grundatmung als direktes Maß für die Konzentration biologisch leicht abbaubarer Stoffe

5.' Prüfung der toxischen Wirkung eines speziellen Abwassers

Beispiel 1 Bestimmung des aktuellen Sauerstoffbedarfs

Dem Belebungsbecken einer Abwasserbehandlungsanlage wird Abwasser-Belebtschlamm-Gemisch entnommen und der Belüftungskammer 3 der erfindungjgemaßen Meßeinrichtung kontinuierlich zugeführt. Das Gemisch wird hier kontinuierlich mit gelöstem Sauerstoff bis zur annähernden Sättigung angereichert und fließt anschließend in eine mit einem Rührer 4 ausgerüstete Meßkammer 5, in der das Gemisch keinen Kontakt mit Luftsauerstoff hat. Dort verbleibt das Gemisch etwa 3-8 min. Eine dem Zulauf äquivalente Menge verläßt das System kontinuierlich. Die Messung der Sauerstoffdifferenz zwischen Belüftungs· und Meßkammer, was gleichbedeutend ist mit Zulauf und Ablauf der Meßkammer 6, erfolgt in der Weise, dart in Zeitchständen von 1-2 min abwechselnd Medium aus der Belüftungskammer 3 und der Meßkammer 5 über eine Meßzelle 8 geleitet wird, in der eine elektrochemische Sauerstoffsonde angeordnet ist. Die Steuerung der Medienströme erfolgt durch ein vom Prozeßrechner! 10 gesteuertes Magnetventil 6. Die Gemische werden über die Meßkammer 5 mittels einer Umwälzpumpe 7 zurück in die Belüftungskammer 3 gefördert. Da Belüftungs· und Meßkammer über Öffnungen 11 verbunden sind, fließt bei der Entnahme aus der Meßkammer 5 sauerstoffangereichertes Gemisch in die Meßkammer 5. Die pro Zeiteinheit gemessene Geschwindigkeit des Sauerstoffverbiauches des dem Belebungsbecken entnommenen Belebtschlammes ist ein Maß füf den aktuellen Sauerstoffbedarf des Abwasser-Belebtschlamm-Gemisches. Dieser Wert unterliegt ständigen, von der Belastung des Kläranlagezulaufes abhängigen Schwankungen. Er ist während der Nachtstunden gering und erreicht sein Maximum während der Tageslastspitzen. Unter Beachtung des Beckenvolumens kann kontinuierlich die Sauerstoffmenge ermittelt werden, die erforderlich ist, um eine technologisch optimale Sauerstoffkonzentration im Belebungsbecken einzuhalten.

Weiterhin zeigen entsprechende Vergleichsuntersuchungen, daß zwischen der Geschwindigkeit des O₂-Verbrauches pro Gewichtseinheit Belebtschlamm (z.B. kg oTS) und der dem Belebungsbecken zugeführten BSB-Fracht (z. B. BSB₅/h) ein gesicherter Zusammenhang besteht. Bei Kenntnis der Biomassekonzentration im Becken und der Geschwindigkeit des Sauerstoffverbrauches pro Gewichtseinheit kann demzufolge kontinuierlich die dem Belebungsbecken zufließonde BSB-Fracht (kg BSB/h) und unter Einbeziehung der Abwassermenge indirekt die BSB_S-Konzentration des zulaufenden Abwassers bestimmt werden.

Wird der Meßeinrichtung ein Gemisch vom Ablauf des Belebungsbeckens zugeführt und die Messung in der beschriebenen Weise durchgeführt, dann kann aus den Meßwerten der ReSt-BSB₅ des Ablaufes indirekt bestimmt werden, da zwischen der Geschwindigkeit des Sauerstoffverbrauches (bezogen auf eine Gewichtseinheit) und dem Rest-BSB eine Korrelation besteht.

Beispiel 2 Bestimmung der Biomassekonzentration Die Zufuhr des Abwasser-Belebtschlamm-Gemisches zur Meßeinrichtung wird unterbrochen und das Gemisch über die Pumpe 7 im Kreislauf geführt. Dabei wird die Sauerstoffdifferenzmessung in der beschriebenen Weise ohne Unterbrechung

fortgeführt. Auf Grund von Nährsubstratmangel streben die Mikroorganismen dem Zustand der Grundatmung zu. Dadurch sinkt der Sauerstoffverbrauch ab und erreicht nach wenigen Minuten einen relativ konstanten niedrigen Wert. Dieser Meßwert ist ein

Maß für den Gehalt an aktiver Biomasse im Belebtschlamm; denn es ist bekannt, daß zwischen dem Sauerstoffverbrauch des Belebtschlammes im angenäherten Zustand der Grundatmung und der Konzentration an organischer Trockensubstanz eine

gesicherte Korrelation besteht.

Die Konzentration an organscher Trockensubstanz ist eine wichtige Größe zur optimierung der biochemischen Stoffwechselprozesse in den Belebungsbecken. So können z. B. bei Kenntnis der Schlammkonzr ntration und der BSB-Zulauflast

die energieintensiven Schritte der Biomasserückführung und des Lufteintrages in die Reaktoren minimiert werden. Der Wert liegt nach etwa 20min vor, so daß er als Steuergröße für Belebtschlammanlagen genutzt werden kann.

Beispiel ? Indirekte Sofortbestimmung des BSB₆ und Ermittlung der Konzentration biologisch leicht abbaubarer Stoffe Den im angenähertem Zustand der Grundatmung befindlichen Mikroorganismen des Belebtschlammes wird eine definierte Menge ungereinigtes Abwasser (z. B. 30 ml/l Reaktionsraum) vom Zulauf der Kläranlage zugeführt. Das Abwasser wird der Belüftungskammer 3 innerhalb einer Minute, ohne Unterbrechung des Umwälz- und Meßprozesses, zudosiert. Dabei wird eine

äquivalente Menge Gemisch aus der Meßkammer 5 verdriingt.

Die Zuführung nährstoffreichen Abwassers bewirkt einen Anstieg des Sauerstoffverbrauches pro Zeiteinheit. Entsprechend

bekannter Gesetzmäßigkeiten (Michaelis-Menden) zwischen Nährsubstratzuführung und Bioaktivität besteht in einem bestimmten Konzentrationsbereich ein direkter Zusammenhang zwischen der Geschwindigkeit des Sauerstoffverbrauches und dem zugeführten BSBt.

Die Abwasserzuführung wird grundsätzlich so bemessen, daß auch bei hochkonzentriertem Abwasser 60-70% der maximalen Substratatmung nicht überschritten wird. Durch Fortführung der Messung bis zu dem Zeitpunkt, bei dem die Organismen erneut zur Grundatmung übergehen, lassen sich

an dem Flächenintegral der Sauerstoffzeitkurve vom Zeitpunkt der Abwasserzugabe bis zum Übergang zur Grundatmung abzüglich des Wertes der Grundatmung und unter Berücksichtigung der zugeführten Abwassermenge die Konzentration biologisch leicht abbaubarer organischer Abwasserinhaltsstoffe ermitteln.

Dieser Wert hat vor allem für die Steuerung von Anlagen mit speziellen Leistungen (erhöhte Phosphor- und Stickstoffeliminierung) besondere Bedeutung. Unter Einbeziehung chemischer Untersuchungen (z. B. TOC, CSV-Cr) können auf diese Weise relativ genau die Anteile der Abwasserinhaltsstoffe bestimmt werden, die gut bzw. nicht abgebaut werden oder welcher Anteil in Biomasse inkorporiert wird. Mit der erfindungsgemäßen Meßeinrichtung ist es möglich, eine Sauerstoffdifferenzmessung mit nur einer Sauerstoffsonde

kontinuierlich bzw. quasikontinuierlich durchzuführen. Die zu untersuchenden Medien können ohne Vorbehandlung, wie

Filtration oder Verdünnung, direkt der Meßeinrichtung zugeführt werden. Die Fehlermöglichkeit ist dadurch sehr gering. Es ist

ein automatisierter Dauerbetrieb unter Praxisbedingungen mit geringem Wartungsaufwand möglich. Die Meßeinrichtung ist universell für mehrere Prozeßgrößen zur Steuerung von Kläranlagen einsetzbar.

Beispiel 4 Ermittlung toxischer Wirkungen Bei Abwässern mit hohem Industrieabwasseranteil besteht die Gefahr toxischer Wirkungen auf die Organismen des Belebtschlammes. Derartig bedenkliche Abwässer können in der Meßeinrichtung auf eventuell toxische Wirkungen untersucht

werden.

Der zu prüfende Abwasserstrcm wird in vorgegebener Menge dem im Zustand der Grundatmung befindlichen Belebtschlamm

zugeführt. Steigt die Atmungsrate, dann liegt toxisch unbedenkliches Abwasser vor, verändert sich der Sauerstoffverbrauch nicht, dann sind die Abwasserinhaltsstoffe nicht abbaubar oder sie wirken toxisch. Sinkt die Atmungsrate unter den Grundwert, dann weist dies auf toxische Wirkung hin.

Claims (2)

1. Meßeinrichtung zur Bestimmung von Prozeßgrößen zur Steuerung von Abwasserbehandlungsanlagen, gekennzeichnet dadurch, daß eine offene Belüftungskammer (3) und eine mit Rührern (4) versehene, abgeschlossene, unbelüftete Meßkammer (5) über Öffnungen (11) miteinander verbundenen sind, die Belüftungskammer (3) über eine Pumpe (1) mit dem Belebungsbecken und/oder dem Abwasserleiter verbunden ist und eine Belüftungseinrichtung (2) enthält, daß die Belüftungskammer (3) und die Meßkammer (5) über ein mit einem Prozeßrechner (10) gesteuertes Magnetventil (6) mit einer Meßzelle (8) verbunden sind, in der eine elektrochemische Sauerstoffsonde angeordnet ist, die Meßzelle (8) über einen Sauerstoff-Meßverstärker (9) mit dem Prozeßrechner (10) gekoppelt ist und der Prozeßrechner (10) eine Kopplung mit dem Magnetventil (6) und der Pumpe (1) am Zulauf aufweist, daß in der über die Meßzelle (8) in die Belüftungskammer (3) führenden Leitung eine Pumpe (7) angeordnet ist und daß an der Meßkammer (5) ein Überlauf vorgesehen ist.

   Hierzu
2. 2 Seiten Zeichnungen

   Anwendungsgebiet der Erfindung

   Die Erfindung betrifft eine Meßeinrichtung zur Bestimmung von mehreren Prozeßgrößen, wie z. B. Sauerstoffbedarf im Belebungsbecken, BSB-Konzentration, Trockensubstanzgehalt des Belebtschlammes, Konzentration leicht abbaubarer Stoffe oder Abbaubarkeit bzw. Toxizität eines bestimmten Abwassers, zur Steuerung von Abwasssrbehandiungsanlagen.

   Charakteristik des bekannten Standes der Technik

   In der DE-OS 3221966 werden ein Verfahren und ein sogenanntes M-3-BSB-Meßgerät zur kontinuierlichen Kurzzeil-BSB-Messung beschrieben, die auf dem reaktionskinetischen Modell von Michaelis-Menten basieren. Folgende Nachteile sind hierzu erkennen:

   Die am Aufwuchsträger fixierte Biomasse kann im Dauerbetrieb nicht konstant gehalten werden. Es ist durch Abtrift von Biomasse, Synthese von neuen Zellen, Eintrag von Abwasserbakterien und Abbau von Biomasse mit qualitativen und quantitativen Veränderungen des Bewuchses zu rechnen. Da die Konzentration und die maximale Aktivität der sich ändernden Biomasse nicht bekannt ist, ist folglich auch nicht bekannt, In welchem Konzentrationsbereich die Messung entsprechend dem reaktionskinetischen Modell erfolgt. Die Änderungen der Biomasse wirken sich über die Änderung der Grundatmung auf das Ergebnis aus. Darüber hinaus führt die Verdünnung des Abwassers mit Leitungswasser auf eine vorgegebene Auegangskonzentration zu einer chemischen Veränderung des Ausgangsmediums. Das Gerät besitzt einen komplizierten Aufbau. Auf Grund der hohen Verstopfungsgefahr ist ein Praxisbetrieb nur mit hohem Wartungsaufwand möglich. Durch die Differenzmessung mit 2 Meßsonden ist die Fehlermöglichkeit hoch. Mit den in der Literatur beschriebenen Biosensoren können in kurzer Zeit (2min) biologisch abbaubare Abwasserinhaltsstoffe nachgewiesen werden. Nachteilig bei diesen Lösungen wirkt sich aus, daß das zu bestimmende Abwasser-Belebtschlamm-Gemisch verdünnt und durch eine semipermeable Membran filtriert werden muß. Dadurch wird die Zusammensetzung des Gemisches verändert. Weiterhin müssen die Biosensoren mit Reinkulturen bestimmter Mikroorganismen beschickt werden. Mit Mischpopulationen (z.B. Belebtschlamm) werden noch keine zufriedenstellenden Ergebnisse erzielt, d.h. die Mikroorganismen des Sensors mit ihren speziellen Stoffwechselleitungen sind unzureichend nn die Vielzahl der Abwasserinhaltsstoffe adaptiert. Somit werden bestimmte, auch gut abbaubare organische Stoffe nicht erfaßt. Durch den Bewuchs von Abwasserbakterien auf der Sensoroberfläche und durch toxisches Abwasser sind Störungen zu erwarten. Die spezifischen Mikroorganismen müssen durch spezielle Nährlösungen im Labor aktiv gehalten werden. Ein Einsatz des Meßprinzips für den kontinuierlichen teilautomatisierten Dauerbetrieb unter Praxisbedingungen ist in absehbarer Zeit aus den genannten Gründen nicht zu erwarten.

   In DD WP 5:46172 und DD WP 267113 werden ebenfalls Verfahren und Meßeinrichtungen zur Bestimmung des biochemischen Sauerstoffbedarfs von Belebtschlammanlagen zufließendem Abwasser beschrieben. Der Nachteil dieser Meßeinrichtungen ist, daß OfVerbrauchsmessungen im Dauerbetrieb mit zwei Meßsonden ungenau sind. Unterschiedliche Anströmgeschwindigkeiten, unterschiedlicher Bewuchs, Nullpunktvcrschiebungen und unterschiedliche Konstanz der Sonden führen zu großen Meßwertverfälschungen.

   Ziel der Erfindung

   Das Ziel dor Erfindung ist die zuverlässige Bestimmung von Prozeßgrößen zur unmittelbaren Steuerung von Abwasserbehandlungsanlagen mit Mitteln, die einen automatisierten Dauerbetrieb ermöglichen, einen geringen Wartungsaufwand erfordern und eine geringe Fehlermöglichkeit zulassen.