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Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Messzelle zur Detektion des Sauerstoffbedarfs einer Flüssigkeitsprobe.
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In prozesstechnischen Analysen sowie in der chemischen Analyse von stehenden oder fließenden Gewässern werden verschiedene Analysatoren oder Messsonden zur Bestimmung der organischen und anorganischen Stofffracht eingesetzt. Gängige Verfahren hierzu sind beispielsweise die Bestimmung des gesamten organischen Kohlenstoffs (Total Organic Carbon, TOC), des anorganischen Kohlenstoffgehaltes (Inorganic Carbon, IC) und des Gesamt-Kohlenstoffs (TC) sowie des gelösten organischen Kohlenstoffgehalts (DOC).
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Für den Betrieb von Kläranlagen und das Management von Gewässern ist darüber hinaus der Sauerstoffbedarf einer wässrigen Probe von besonderem Interesse. Gängige Methoden zur Ermittlung des Sauerstoffbedarfs einer wässrigen Probe sind die Messung des chemischen Sauerstoffbedarfs, CSB (Chemical Oxygen Demand, COD), des biochemischen Sauerstoffbedarfs, BSB (Biochemical Oxygen Demand, BOD) und des Gesamt-Sauerstoffbedarfs (Total Oxygen Demand, TOD).
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Die Belüftungsregelung aerober Reinigungsstufen in Kläranlagen wird häufig entweder aufgrund der so erfassten aktuellen Stoff- und Ammoniumfracht oder anhand des Gehaltes von gelöstem Sauerstoff des zu behandelnden Abwassers geregelt.
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Für verschiedene Mess- bzw. Steuerungs- und Regelungsaufgaben ist der Sauerstoffbedarf einer wässrigen Probe aussagekräftiger als die Information über die mitgeführten Stofffrachten. Die bekannten Verfahren zur Bestimmung der genannten, den Sauerstoffbedarf der Flüssigkeitsprobe repräsentierenden Summenparameter weisen jedoch erhebliche Nachteile auf. Die Bestimmung des CSB und des BSB sind sehr zeitaufwändig und scheiden daher für viele prozesstechnische Regelungsaufgaben aus. Die Bestimmung des Gesamt-Sauerstoffbedarfs erfolgt zumeist mittels eines Hochtemperatur-Reaktors, in dem die Flüssigkeitsprobe zur Ermittlung des Sauerstoffbedarfs mittels eines starken Oxidationsmittels aufgeschlossen wird. Dieses Verfahren erfordert aufwändige, teure und häufig wartungsintensive Analysegeräte mit stetigem Verbrauch an Chemikalien.
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Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Verfügung zu stellen, die eine schnelle und wartungsarme Detektion des Sauerstoffbedarfs und somit eine auf dem Sauerstoffbedarf des zu behandelnden Abwassers basierende Steuerung und/oder Regelung von in einer Kläranlage durchgeführten Prozessen erlauben.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch das Verfahren gemäß Anspruch 1 und die Messzelle gemäß Anspruch 6.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zur Detektion des Sauerstoffbedarfs einer Flüssigkeitsprobe umfasst die Schritte:
- – Einleiten einer definierten Menge Ozon in die Flüssigkeitsprobe;
- – Bestimmen eines eine Sauerstoffkonzentration in der Flüssigkeitsprobe repräsentierenden Messwerts und/oder eines eine Ozonkonzentration in der Flüssigkeitsprobe repräsentierenden Messwerts zu mindestens einem Zeitpunkt während des Einleitens oder nach dem Einleiten der definierten Menge Ozon;
- – Ermitteln eines den Sauerstoffbedarf der Flüssigkeitsprobe repräsentierenden Indikatorwerts anhand des die Sauerstoffkonzentration in der Flüssigkeitsprobe repräsentierenden Messwerts und/oder anhand des die Ozonkonzentration in der Flüssigkeitsprobe repräsentierenden Messwerts.
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Für viele prozesstechnische Messaufgaben muss zur Ermittlung eines für Regelungs- oder Steuerungsaufgaben geeigneten Indikatorwerts nicht zwingend der gesamte Sauerstoffbedarf der Probe als exakter Messwert ermittelt werden, wie ihn die aus dem Stand der Technik bekannten, z.T. standardisierten Verfahren zur CSB- oder BSB-Bestimmung zur Verfügung stellen. Vielmehr reicht es in vielen Fällen aus, einen Indikatorwert des Sauerstoffbedarfs, beispielsweise anhand eines konstanten Anteils des Sauerstoffbedarfs der Probe zu ermitteln. Beispielsweise kann durch Einleiten einer vorgegebenen Menge Ozon in die Flüssigkeitsprobe ein einen Anteil des „wahren“ Sauerstoffbedarfs der Flüssigkeitsprobe repräsentierender Wert bestimmt werden, der beispielsweise selbst als Indikatorwert dienen kann oder aus dem beispielsweise mittels eines, insbesondere durch vorhergehende Messungen ermittelbaren, Skalierungsfaktors ein den vollständigen Sauerstoffbedarf der Flüssigkeitsprobe repräsentierender Indikatorwert ermittelt werden kann.
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Als sehr reaktives Oxidationsmittel reagiert Ozon mit den in der Flüssigkeitsprobe enthaltenen oxidierbaren Substanzen. Hierbei kann es sich sowohl um anorganische als auch um organische Verbindungen handeln. Bei einer aus reinem Wasser bestehenden Flüssigkeitsprobe steigt der Wert des freien, im Wasser gelösten Sauerstoffs abhängig von der eingeleiteten Ozonmenge an. In wässrigen Flüssigkeitsproben mit einer anorganischen oder organischen Stofffracht wird jedoch ein gewisser Anteil des Ozons für die Oxidation dieser Stoffe verbraucht. Der bei der Reduktion des Ozons gebildete Sauerstoff kann in einem zweiten Reaktionsschritt ebenfalls mit Anteilen der anorganischen oder organischen Stofffracht der Flüssigkeitsprobe reagieren. Der Anstieg der Konzentration des in einer eine organische oder anorganische Stofffracht umfassenden wässrigen Flüssigkeitsprobe frei gelösten Sauerstoffs fällt dementsprechend verglichen mit einer aus reinem Wasser bestehenden Flüssigkeitsprobe geringer aus. Entsprechend wird Ozon in wässrigen Flüssigkeitsproben mit einer anorganischen oder organischen Stofffracht im Vergleich zu einer aus reinem Wasser bestehenden Flüssigkeitsprobe überproportional abgebaut. Ist die eingeleitete Menge Ozon bekannt, kann somit anhand der während des Einleitens oder nach dem Einleiten von Ozon in die Flüssigkeitsprobe messbaren Sauerstoffkonzentration und/oder der während des Einleitens oder nach dem Einleiten von Ozon in die Flüssigkeitsprobe messbaren Ozonkonzentration ein für die Menge der in der Flüssigkeit vorliegenden sauerstoffzehrenden Substanzen repräsentativer, also den gesamten chemischen Sauerstoffbedarf der Flüssigkeitsprobe repräsentierender, Indikatorwert berechnet werden.
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Die definierte Menge Ozon kann in Form von reinem Ozongas oder in Form eines Ozon enthaltenden Gasgemisches, insbesondere eines Ozon-Luft- oder Ozon-Sauerstoff-Gemisches, in die Flüssigkeitsprobe eingetragen werden.
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Das Verfahren kann in einem sogenannten Batch-Verfahren, bei dem ein abgeschlossenes Volumen der Flüssigkeitsprobe mit Ozon versetzt wird durchgeführt werden. In diesem Fall wird vorteilhaft ein die Sauerstoffkonzentration in der Flüssigkeitsprobe repräsentierende Messwert und/oder ein die Ozonkonzentration in der Flüssigkeitsprobe repräsentierende Messwert zu einem ersten Zeitpunkt vor dem Einleiten der definierten Menge Ozon in die Flüssigkeitsprobe und zu einem zweiten Zeitpunkt nach dem Einleiten der definierten Menge Ozon in die Flüssigkeitsprobe erfasst. Vorteilhaft kann es sein, zu verschiedenen Zeitpunkten, insbesondere zu mindestens zwei verschiedenen Zeitpunkten, nach dem Einleiten der definierten Menge Ozon in die Flüssigkeitsprobe einen die Sauerstoffkonzentration in der Flüssigkeitsprobe repräsentierenden Messwert und/oder einen die Ozonkonzentration in der Flüssigkeitsprobe repräsentierenden Messwert zu erfassen.
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Alternativ ist auch ein kontinuierliches Verfahren möglich, bei dem die Flüssigkeitsprobe mit einer bekannten Förderrate kontinuierlich durch das Reaktionsgefäß geleitet wird. Gleichzeitig wird eine bekannte Stoffmenge Ozon in Form eines kontinuierlichen Gasstroms in das Reaktionsgefäß geleitet. In diesem Fall, aber auch im Fall des oben beschriebenen Batch-Verfahrens, ist es vorteilhaft einen die Sauerstoffkonzentration in der Flüssigkeitsprobe repräsentierenden Messwert und/oder einen die Ozonkonzentration in der Flüssigkeitsprobe repräsentierenden Messwert zu mindestens zwei verschiedenen Zeitpunkten während des Einleitens der definierten Menge Ozon zu erfassen.
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Die Bestimmung des die Sauerstoffkonzentration in der Flüssigkeitsprobe repräsentierenden Messwerts kann mittels eines optischen oder elektrochemischen, insbesondere amperometrischen, Sensors erfolgen. Gleichermaßen kann die Bestimmung des die Ozonkonzentration in der Flüssigkeitsprobe repräsentierenden Messwerts mittels eines optischen, insbesondere auf Fluoreszensquenching basierenden, oder elektrochemischen, insbesondere amperometrischen, Sensors erfolgen. Derartige Sensoren sind aus dem Stand der Technik in vielfältiger Ausgestaltung bekannt. Sie haben den Vorteil, dass sie innerhalb weniger Sekunden einen Messwert zur Verfügung stellen. Somit kann mittels des hier beschriebenen Verfahrens ein für den Sauerstoffbedarf der Flüssigkeitsprobe repräsentativer Indikatorwert in sehr viel kürzerer Zeit zur Verfügung gestellt werden als ein nach einem Standardverfahren mittels eines Analysators für die CSB- oder BSB-Bestimmung ermittelter Messwert.
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Das kürzeste Messintervall amperometrischer oder optischer Methoden zur Erfassung eines mit einer Sauerstoff- oder Ozonkonzentration in Wasser korrelierten Messwerts liegt im Bereich von unter einer Sekunde (optisch) bzw. ca. 30 Sekunden (amperometrisch). Aufgrund dieses kurzen Messintervalls ist es bei einer besonders günstigen Ausführung möglich, die bekannte Menge des eingesetzten Ozons zu variieren. Hierdurch kann eine Ausweitung des maximalen Messbereiches erreicht werden.
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Eine erfindungsgemäße Messzelle zur Detektion des Sauerstoffbedarfs einer Flüssigkeitsprobe, umfasst:
- – ein Reaktionsgefäß zur Aufnahme der Flüssigkeitsprobe;
- – eine erste in das Reaktionsgefäß mündende Flüssigkeitszuleitung für die Flüssigkeitsprobe;
- – eine zweite in das Reaktionsgefäß mündende Zuleitung für die Zuleitung einer definierten Menge Ozon, insbesondere für die Zuleitung eines eine definierte Menge Ozon umfassenden Gasgemisches;
- – eine in eine Wandung des Reaktionsgefäßes integrierte, insbesondere als optischer oder elektrochemischer Sensor ausgestaltete, Messsonde zur Erfassung eines eine Sauerstoffkonzentration der in dem Reaktionsgefäß aufgenommenen Flüssigkeitsprobe repräsentierenden Messwerts und/oder eine in eine Wandung des Reaktionsgefäßes integrierte, insbesondere als optischer oder elektrochemischer Sensor ausgestaltete, Messsonde zur Erfassung eines die Ozonkonzentration der in dem Reaktionsgefäß aufgenommenen Flüssigkeitsprobe repräsentierenden Messwerts;
- – eine mit der Messsonde zur Erfassung des die Sauerstoffkonzentration repräsentierenden Messwerts und/oder mit der Messsonde zur Erfassung des die Ozonkonzentration repräsentierenden Messwerts verbundene, insbesondere elektronische, Auswertungsschaltung, welche dazu ausgestaltet ist, anhand des oder der erfassten Messwerte einen den Sauerstoffbedarf der Flüssigkeitsprobe repräsentierenden Indikatorwert zu ermitteln und auszugeben.
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Mit einer derartigen Messzelle kann das voranstehende Verfahren automatisiert durchgeführt werden. Die Messzelle ist vorzugsweise so gestaltet, dass eine vollständige Befüllung und Entleerung gewährleistet ist. Hierzu kann die Messzelle beispielsweise einen Schrägboden zur Selbstentleerung und/oder eine Pumpeinrichtung zum Fördern der Flüssigkeitsprobe in die Messzelle und/oder zum Leerpumpen der Messzelle nach erfolgter Messung umfassen.
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Die Messzelle weist in einer Ausgestaltung zusätzlich einen, insbesondere in der Wandung des Reaktionsgefäßes integrierten, zur Erfassung einer Temperatur der in dem Reaktionsgefäß aufgenommen Flüssigkeitsprobe ausgestalteten Temperaturfühler und/oder eine Heizvorrichtung auf. die Heizvorrichtung kann beispielsweise in der Wandung der Messzelle integriert sein.
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Die Messzelle kann eine Fördereinrichtung zur Förderung der Flüssigkeitsprobe aus einer Probenentnahmestelle über die Flüssigkeitszuleitung in das Reaktionsgefäß und einen in das Reaktionsgefäß mündenden, insbesondere mittels eines Ventils verschließbaren, Flüssigkeitsauslass aufweisen.
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Die Erfindung umfasst auch ein Verfahren zur Regelung einer Gebläseeinrichtung einer aeroben Reinigungsstufe in einer Kläranlage, umfassend:
Ermitteln eines einen Sauerstoffbedarf einer stromaufwärts der aeroben Reinigungsstufe, insbesondere im Zulauf der Kläranlage und/oder nach mechanischer Vorreinigung und/oder nach biologischer Vorbehandlung, dem zu klärenden Wasser entnommenen Flüssigkeitsprobe repräsentierenden Indikatorwerts nach dem voranstehend beschriebenen Verfahren; und
Anhand des ermittelten Indikatorwerts Regeln der Gebläseeinrichtung.
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Zum Ermitteln des den Sauerstoff der stromaufwärts der aeroben Reinigungsstufe dem zu klärenden Wasser entnommenen Flüssigkeitsprobe repräsentierenden Indikatorwerts kann eine Messzelle nach einer der voranstehend beschriebenen Ausgestaltungen dienen.
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Die Gebläseeinrichtung kann mit einem aus dem ermittelten Indikatorwert abgeleiteten Sauerstoffbedarf als Führungsgröße und einem, beispielsweise anhand einer ausgangsseitig der Gebläseeinrichtung gemessenen, in die aerobe Reinigungsstufe eingetragenen Luftmenge bestimmten, den tatsächlichen Sauerstoffeintrag in die aerobe Reinigungsstufe repräsentierenden Wert, als Rückführung geregelt werden.
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Aus einer einem stromabwärts der aeroben Reinigungsstufe angeordneten Nachklärbecken nachgeschalteten Schlammbehandlung kann Prozesswasser erhalten werden, welches mittels einer Prozesswasserrückführung einer stromaufwärts der aeroben Reinigungsstufe angeordneten Prozesswasserzuleitung zugeführt wird, um erneut in den Reinigungskreislauf gegeben zu werden und in der aeroben Reinigungsstufe und gegebenenfalls der aeroben Reinigungsstufe vorgeschalteten weiteren, insbesondere einer anaeroben, Reinigungsstufe behandelt zu werden, wobei eine Dosierung des der Prozesswasserzuleitung zugeführten Prozesswassers anhand des ermittelten Indikatorwerts gesteuert oder geregelt wird. Das bei der Schlammbehandlung anfallende und mittels der Prozesswasserrückführung zurückgeführte Prozesswasser wird auch als Prozesswasser bezeichnet.
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Die Erfindung umfasst auch ein Verfahren zur Dosierung von Prozesswasser, welches in einer Kläranlage aus einer einem stromabwärts einer biologischen, insbesondere aeroben, Reinigungsstufe angeordneten Nachklärbecken nachgeschalteten Schlammbehandlung erhalten wird, mittels einer Prozesswasserrückführung in eine stromaufwärts der aeroben Reinigungsstufe angeordnete Prozesswasserzuleitung. Das Prozesswasser wird über die Prozesswasserzuleitung zurück in den Reinigungskreislauf der Kläranlage gegeben und durchläuft, gegebenenfalls vermischt mit aus der Vorklärung neu zugeführtem Abwasser die biologischen Reinigungsstufen, insbesondere die aerobe Reinigungsstufe, erneut. Dieses Verfahren umfasst:
Ermitteln eines einen Sauerstoffbedarf einer stromaufwärts der Prozesswasserzuleitung dem der biologischen, insbesondere aeroben, Reinigungsstufe zuzuführenden Wasser entnommenen Flüssigkeitsprobe repräsentierenden Indikatorwerts nach dem Verfahren nach dem voranstehend beschriebenen Verfahren; und
Anhand des Indikatorwerts Steuern einer Fördereinrichtung zur Förderung von Prozesswasser in die Prozesswasserzuleitung.
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Zusätzlich zu dem Indikatorwert kann bei der Steuerung der Fördereinrichtung die aktuell der biologischen Reinigungsstufe zulaufende Abwassermenge berücksichtigt werden.
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Zur Bestimmung des den Sauerstoff der stromaufwärts der Prozesswasserzuleitung entnommenen Flüssigkeitsprobe repräsentierenden Indikatorwerts kann eine Messzelle nach einer der voranstehend beschriebenen Ausgestaltungen dienen.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand der in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine schematische Darstellung einer Messzelle zur Bestimmung eines Indikatorwerts für den Sauerstoffbedarf einer Flüssigkeitsprobe nach einem ersten Ausführungsbeispiel;
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2 eine schematische Darstellung einer Messzelle zur Bestimmung eines Indikatorwerts für den Sauerstoffbedarf einer Flüssigkeitsprobe nach einem zweiten Ausführungsbeispiel;
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3 eine schematische Darstellung eines Wasserbehandlungsprozesses in einer Kläranlage mit einer Gebläse-Regelung einer anaeroben Reinigungsstufe;
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4 eine schematisch Darstellung eines Wasserbehandlungsprozesses in einer Kläranlage mit einer gesteuerten Prozesswasserdosierung einer Prozesswasserrückführung.
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1 zeigt in schematischer Darstellung eine Messzelle mit einem Reaktionsgefäß 1, in das eine durch ein Ventil 5 verschließbare Flüssigkeitszuleitung 3, ein durch ein Ventil 9 verschließbarer Flüssigkeitsauslass 10 und eine durch ein Ventil 11 verschließbare Gaszuleitung 6 münden. Die Flüssigkeitszuleitung 3 ist mit einer eine Pumpe umfassenden Fördereinrichtung 4 in der Weise verbunden, dass die Fördereinrichtung 4 Flüssigkeit aus einer Probenentnahmestelle, z.B. einem Gewässer, einem Becken oder einem Zulauf einer Reinigungsstufe einer Kläranlage zur Abwasserbehandlung, durch die Flüssigkeitszuleitung 3 in das Reaktionsgefäß 1 transportieren kann. Im hier gezeigten Ausführungsbeispiel ist die in dem Reaktionsgefäß 1 aufgenommene Flüssigkeitsprobe mittels einer in dem Reaktionsgefäß 1 integrierten, einen Temperaturfühler umfassenden Heizvorrichtung 8 wahlweise auf einen Sollwert temperierbar. Ein Entlüftungsventil 12 verhindert bei Reaktion sowie Ein- und Auslass von Medien den Anstieg von Druck. In der Wandung des Reaktionsgefäßes 1 ist eine, beispielsweise optische, Sauerstoffsonde 2 integriert, die dazu ausgestaltet ist, im Betrieb der Messzelle mit der Sauerstoffkonzentration der in dem Reaktionsgefäß 1 enthaltenen Flüssigkeitsprobe korrelierte Messwerte zu erfassen und in Form von analogen oder digitalen Messsignalen an eine mit der Sauerstoffsonde 2 über eine Leitung 13 verbundene, übergeordnete Auswertungseinrichtung, z.B. einen Messumformer oder eine sonstige Datenverarbeitungseinrichtung, auszugeben. Die Auswertungseinrichtung ist unter anderem dazu ausgestaltet, anhand des aktuellen Messsignals einen für den Sauerstoffbedarf der in dem Reaktionsgefäß 1 aufgenommenen Flüssigkeitsprobe repräsentativen Indikatorwert zu ermitteln. Diesen kann sie über eine Schnittstelle an eine übergeordnete Einheit oder an eine Prozesssteuerung oder über eine Anzeigeeinrichtung an eine Bedienperson ausgeben.
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Vorteilhafterweise kann die Auswertungseinrichtung gleichzeitig dazu ausgestaltet sein, die Messzelle, insbesondere die Fördereinrichtung 4, die Sauerstoffsonde 2, die Ventile 5, 9 und 11 sowie die Heizvorrichtung 8 zur Durchführung einer, im folgenden näher beschriebenen Bestimmung eines solchen Indikatorwerts, zu steuern.
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Ein Verfahren zur Bestimmung eines solchen Indikatorwerts mittels der in 1 dargestellten Messzelle wird im Folgenden beschrieben:
Die Flüssigkeitsprobe wird mittels der Fördereinrichtung 4 über die Flüssigkeitszuleitung 3 in das Reaktionsgefäß 1 dosiert. Das Reaktionsgefäß 1 wird mit Hilfe der Ventile 5 und 9 verschlossen. Die Temperatur der Flüssigkeitsprobe wird mittels des Temperaturfühlers gemessen und gegebenenfalls mittels der Heizvorrichtung 8 auf einen Sollwert temperiert. Ein die Konzentration des gelösten Sauerstoffs in der Flüssigkeitsprobe repräsentierender Messwert wird mit Hilfe der Sauerstoffsonde 2 registriert. Nun wird über die Gaszuleitung 6 eine bekannte Menge Ozon oder alternativ ein Ozon/Luft Gemisch 7 in das Reaktionsgefäß 1 geleitet. Nach einer definierten Reaktionszeit wird erneut ein die Konzentration des gelösten Sauerstoffs repräsentierender Messwert registriert. Die Differenz der Konzentration des gelösten Sauerstoffs vor und nach der Ozonierung wird nun von der Auswertungseinrichtung berechnet. In einem zweiten Schritt wird diese Differenz zu der bekannten, beispielsweise in einem Speicher der Auswertungseinrichtung hinterlegten, entsprechenden, als Referenzwert dienenden, Differenz von in analoger Weise in einer reinen Wasserprobe erfassten Messwerten in Relation gesetzt. Aus dem Verhältnis beider Werte kann ein den gesamten Sauerstoffbedarf der Flüssigkeitsprobe repräsentierender Indikatorwert berechnet werden. Die Flüssigkeitsprobe kann nun durch Öffnen des Ventils 9 über den Flüssigkeitsauslass 10 abgelassen werden und, nach einem kurzen Spülzyklus, eine neue Flüssigkeitsprobe in das Reaktionsgefäß 1 gefördert werden.
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In 2 ist schematisch als zweites Ausführungsbeispiel eine Variante der in 1 dargestellten Messzelle gezeigt, wobei identische Bezugszeichen mit der in 1 dargestellten Messzelle identische Bestandteile der in 2 dargestellten Variante bezeichnen. Die in 2 dargestellte Messzelle erlaubt eine Bestimmung eines den Sauerstoffbedarf einer Flüssigkeitsprobe repräsentierenden Indikatorwerts mittels eines kontinuierlichen Verfahrens, bei dem eine einer Probeentnahmestelle, z.B. einem Gewässer, einem Becken oder einem Zulauf einer Reinigungsstufe einer Kläranlage zur Abwasserbehandlung, kontinuierlich entnommene Flüssigkeitsprobe durch die Messzelle geleitet wird. Nach dem Durchleiten durch die Messzelle kann die Flüssigkeitsprobe zurück in Probeentnahmestelle gegeben werden.
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Die in 2 dargestellte Messzelle umfasst ein Reaktionsgefäß 1 mit einem Flüssigkeitseinlass 3, der mit einer eine Pumpe umfassenden Fördereinrichtung 4 zum Transport der Flüssigkeitsprobe aus einem zu überwachenden Gewässer, beispielsweise einem Becken oder einem Zulauf in einer Kläranlage, in das Reaktionsgefäß 1 verbunden ist. Das Reaktionsgefäß 1 besitzt außerdem einen in das Reaktionsgefäß 1 mündenden Flüssigkeitsauslass 10. Im Unterschied zu den in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel einer Messzelle müssen die Flüssigkeitszuleitung 3 und der Flüssigkeitsauslass 10 nicht durch Ventile verschließbar ausgestaltet sein. In das Reaktionsgefäß 1 mündet eine Gaszuleitung 6 für Ozongas oder ein ozonhaltiges Gasgemisch 7. In die Wandung des Reaktionsgefäßes sind außerdem eine Sauerstoffsonde 2 sowie eine einen Temperaturfühler umfassende Heizvorrichtung 8 integriert, die identisch ausgestaltet sind wie die Sauerstoffsonde und die Heizvorrichtung in der in 1 dargestellten Messzelle. Die Sauerstoffsonde 2 ist über eine Leitung 13 mit einer der Bestimmung des Indikatorwerts dienenden, übergeordneten Auswertungseinrichtung verbunden, die auch zur Steuerung der Messzelle, insbesondere der Fördereinrichtung 4, der Heizvorrichtung 8 und der Sauerstoffsonde 2 ausgestaltet ist.
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Die Bestimmung eines den Sauerstoffbedarf der Flüssigkeitsprobe mit der in 2 dargestellten Messzelle erfolgt in der im Folgenden beschriebenen Weise:
Die Flüssigkeitsprobe wird mit einer bekannten Förderrate kontinuierlich in das Reaktionsgefäß 1 gefördert. Gleichzeitig wird eine bekannte Stoffmenge Ozon oder alternativ eine ozonhaltige Gasmischung 7 in das Reaktionsgefäß 1 geleitet. Das Verhältnis der bekannten eingeleiteten Stoffmenge Ozon und der unbekannten eingeleiteten Menge der in der Flüssigkeitsprobe enthaltenen Stofffracht sauerstoffzehrender organischer und/oder anorganischer Substanzen bestimmt nun die mittels der Sauerstoffsonde 2 erfassten, die Konzentration von freiem Sauerstoff in der Flüssigkeitsprobe repräsentierenden Messwerte. Ausgehend von der bekannten Stoffmenge des eingeleiteten Ozons und dem aktuellen Messwert kann durch Referenzierung gegen einen bekannten, z.B. in einem Speicher der Auswertungseinrichtung hinterlegten, die unter identischen Bedingungen in einer aus reinem Wasser bestehenden Flüssigkeitsprobe vorliegende Sauerstoffkonzentration repräsentierenden Wert, ein den Sauerstoffbedarf der vorliegenden Flüssigkeitsprobe repräsentierender Indikatorwert ermittelt werden.
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In 3 ist schematisch der Ablauf einer Abwasserbehandlung in einer Kläranlage dargestellt, die eine biologische Reinigung mit insbesondere einer aeroben Reinigungsstufe umfasst. Die erfindungsgemäße Messzelle bzw. das erfindungsgemäße Verfahren zur Detektion eines Sauerstoffbedarfs kann in einem ersten Anwendungsbeispiel zur Regelung eines in der aeroben Reinigungsstufe eingesetzten Gebläses dienen.
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Die in 3 dargestellte Kläranlage, die beispielsweise eine kommunale oder industrielle Kläranlage, insbesondere in der Getränke- und Lebensmittelindustrie, sein kann, besitzt eine einem Abwasserzulauf 14 nachgeschaltete Vorklärung 15, eine an die Vorklärung anschließende anaerobe Reinigungsstufe 16, eine der anaeroben Reinigungsstufe 16 nachgeschaltete aerobe Reinigungsstufe 17 und eine dieser folgende Nachklärung 18. Die Anlage kann außerdem eine Prozesswasserrückführung 19 umfassen, auf die weiter unten im Zusammenhang mit 4 näher eingegangen wird.
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Der aeroben Reinigungsstufe wird mittels eines Gebläses 20 Luftsauerstoff zugeführt, den die in der aeroben Reinigungsstufe eingesetzten Mikroorganismen zur Umsetzung der abzubauenden Stofffracht des zu behandelnden Abwassers benötigen.
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Herkömmlich werden in aeroben Stufen kommunaler und industrieller Kläranlagen zur Regelung der Gebläse kontinuierliche und intermittierende Regelstrategien angewandt, welche als Führungsgröße häufig einen festen Sauerstoff-Sollwert verwenden, mit dem mittels ein oder mehrerer Sensoren für gelösten Sauerstoff erhaltene Messwerte verglichen werden. Die Aktivität der Gebläse wird dabei lediglich über einen Soll-Ist Vergleich geregelt. Abwasser Frachtstöße werden somit verspätet, nämlich erst in der aeroben Reinigungsstufe, durch die steigende Zehrung von Sauerstoff bzw. der Differenz zwischen Regel- und Führungsgröße detektiert. Die Reinigungsstufe bzw. ihr Gebläse arbeitet während der Zeit der erhöhten Fracht unter Hochleistung um den Sauerstoff-Sollwert wieder herzustellen. Kläranlagen sind besonders in dieser Situation für mehrere Stunden überlastet, da die Gebläse den gesetzten Sauerstoff-Sollwert aufgrund einer anhaltenden Mehrzehrung nicht mehr erreichen.
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Abhilfe schafft bei der in 3 dargestellten Anlage der Einsatz einer frühzeitigen Detektion der zufließenden sauerstoffzehrenden Stofffracht des Abwassers im Zulauf einer Kläranlage, nach mechanischer Vorreinigung, nach der Vorklärung 15, und/oder nach biologischer Vorbehandlung, z.B. Denitrifikation, in der anaeroben Reinigungsstufe 16. Hierzu sind im hier gezeigten Beispiel eine erste Messzelle 21 zur Bestimmung eines den Sauerstoffbedarf einer aus dem zu behandelnden Abwasser entnommenen Flüssigkeitsprobe repräsentierenden Indikatorwerts zwischen der Vorklärung 15 und der anaeroben Reinigungsstufe 16 und eine zweite derartige Messzelle 22 zwischen der anaeroben Reinigungsstufe 16 und der aeroben Reinigungsstufe 17 angeordnet. Die Messzellen 21, 22 können beispielsweise wie die anhand von 1 oder wie die anhand von 2 beschriebene Messzelle ausgestaltet sein und nach den entsprechenden, in Zusammenhang mit diesen Figuren beschriebenen, Verfahren den Sauerstoffbedarf von an den jeweiligen Messstellen, an denen die Messzellen 21, 22, angeordnet sind, dem zu behandelnden Abwasser entnommenen Flüssigkeitsproben repräsentierende Indikatorwerte ermitteln.
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Durch Ermittlung der den chemischen Sauerstoffbedarf repräsentierenden Indikatorwerte unter Verwendung von Ozon kann über Verhältnisrechnung der organisch, leicht abbaubare Anteil ermittelt werden. In Kombination mit einer Mengenmessung des der Kläranlage zugeführten Abwassers lässt sich anhand der mittels der Messzellen 21 und 22 bestimmten Indikatorwerte der dem Prozess einzutragende lastspezifische Gesamtsauerstoffbedarf abschätzen. Insbesondere können Lastspitzen durch einen sprunghaften Abfall des von der Sauerstoffsonde 2 der Messzellen 21 oder 22 erfassten Sauerstoffgehalts der untersuchten Flüssigkeitsproben sicher detektiert werden.
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Führt man das Ergebnis, insbesondere die von den Messzellen 21, 22 ermittelten Indikatorwerte oder daraus abgeleitete Größen einer dem Betrieb der Kläranlage, insbesondere der aeroben Reinigungsstufe 17 dienenden, Regeleinheit 23 zu, kann diese eine Regelung des Sauerstoffeintrags in die aerobe Reinigungsstufe unter Verwendung eines Ergebnisses einer ausgangsseitig des Gebläses 20 angeordneten Luftmengenmessung mittels eines geschlossenen Regelkreises mit dem in der aeroben Reinigungsstufe in das Abwasser einzutragenden Sauerstoff als Führungsgröße und einem oder mehreren Messwerten des tatsächlich eingetragenen Sauerstoffes als Rückführung durchführen. Zusätzliche prädiktive Regelstrategien erzielen hierbei, je nach Einsatzort der Sauerstoffbedarfsrechnung, verbesserte biologische Verhältnisse durch ein frühzeitiges Hochfahren der Gebläse bzw. Konzentrationsanstieg von Sauerstoff bevor Lastspitzen die Reinigungsstufe 17 erreichen.
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Je nach Kläranlagenlayout kann die Detektion des Sauerstoffbedarfs Mittels einer erfindungsgemäßen Messzelle zusammen mit einer Mengenmessung des zulaufenden Abwassers an unterschiedlichen Messstellen in der Anlage zum Einsatz kommen, hier an einer ersten, der anaeroben Reinigungsstufe 16 unmittelbar vorgeschalteten Messstelle 21 und an einer zweiten, der anaeroben Reinigungsstufe 16 unmittelbar nachgeschalteten Messstelle 22. Im besten Falle sollte die Messung im direkten Zulauf der aeroben Reinigungsstufe 16 stattfinden, um die biologische Aktivität einer vorangehenden Stufe vernachlässigen zu können.
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Die Aufgabe der Regeleinheit 23 beinhaltet zum einen die Berechnung des auf den Zulauf bezogenen Gesamtsauerstoffbedarfs und die Ansteuerung und Regelung des Gebläses 20 und/oder des Luftmengeneintrags während der Abwasserbehandlung in der aeroben Reinigungsstufe 17. Ergänzend kann die Regelung mit Sauerstoff- oder anderen Konzentrationen betrieben werden um zum Beispiel einen effizienten und sicheren Stickstoffabbau gewährleisten zu können.
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Als weiteres Anwendungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Detektion eines Sauerstoffbedarfs und der erfindungsgemäßen Messzelle ist in 4 ist schematisch der Ablauf einer Abwasserbehandlung in einer Kläranlage mit einer Prozesswasserrückführung dargestellt. Das erfindungsgemäße Verfahren bzw. die erfindungsgemäße Messzelle können in diesem zweiten Anwendungsbeispiel zur Dosierung des über die Prozesswasserrückführung der Abwasserbehandlung erneut zugeführten Prozesswassers dienen.
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Die in 4 schematisch dargestellte Kläranlage entspricht im Wesentlichen der in 3 dargestellten Anlage. Identische Merkmale sind mit identischen Bezugszeichen gekennzeichnet. Sie besitzt wie diese eine einem Abwasserzulauf 14 nachgeschaltete Vorklärung 15, eine an die Vorklärung 15 anschließende anaerobe Reinigungsstufe 16, eine der anaeroben Reinigungsstufe 16 nachgeschaltete aerobe Reinigungsstufe 17 und eine dieser folgende Nachklärung 18.
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Die Anlage umfasst außerdem eine Schlammrückführung 19. Ein Anteil des Schlamms welcher durch Sedimentation der Nachklärung 18 die Schlammrückführung 19 erreicht, wird als sogenannter Überschussschlamm einer nachfolgenden Schlammbehandlung zugeführt. In ihr erfolgt in der Regel eine Entwässerung und Trocknung des Schlamms welcher anschließend zur Erzeugung von Biogas in Faulbehältern eingeleitet wird. Das aus der Entwässerung gewonnene Prozesswasser wird einem Pufferbecken 24 und anschließend mittels der Pumpe 25 über die Prozesswasserzuleitung 26 wieder dem biologischen Reinigungsprozess der Kläranlage zugeführt, d.h. es wird stromabwärts der Nachklärung 15 und stromaufwärts der anaeroben Reinigungsstufe 16 dem zu behandelnden Abwasser wieder zugeführt.
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Bei einem Großteil von Kläranlagen führt eine Prozesswasserrückführung zu einer Überbelastung der Reinigungsstufen, insbesondere der aeroben Reinigungsstufe 17. In Folge dessen arbeitet eine Anlage oft für Tage an ihrem Kapazitätslimit und kann unter Umständen steigende Frachtspitzen im Zulauf nicht mehr kompensieren.
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Das vorliegende Anwendungsbeispiel sieht eine intelligente Prozesswasser-Dosierung vor, die bei einer Niederlastphase der Reinigungsstufe 17 zusätzlich Prozesswasser dosiert, jedoch eine Überlastung der Anlage verhindert. Dazu wird stetig der aktuelle Sauerstoffbedarf des der Reinigungsstufe 17 zuzuführenden Abwassers ermittelt und die daraus resultierende freie Kapazität des Gebläses 20 bei der Dosierung berücksichtigt.
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Hierzu sind, wie im Anwendungsbeispiel gemäß 3, eine erste Messzelle 21 zur Bestimmung eines den Sauerstoffbedarf einer aus dem zu behandelnden Abwasser entnommenen Flüssigkeitsprobe repräsentierenden Indikatorwerts zwischen der Vorklärung 15 und der anaeroben Reinigungsstufe 16 und eine zweite derartige Messzelle 22 zwischen der anaeroben Reinigungsstufe 16 und der aeroben Reinigungsstufe 17 angeordnet. Die Messzellen 21, 22 können beispielsweise wie die anhand von 1 oder wie die anhand von 2 beschriebene Messzelle ausgestaltet sein und nach den entsprechenden, in Zusammenhang mit diesen Figuren beschriebenen, Verfahren den Sauerstoffbedarf von an den jeweiligen Messstellen, an denen die Messzellen 21, 22, angeordnet sind, dem zu behandelnden Abwasser entnommenen Flüssigkeitsproben repräsentierende Indikatorwerte ermitteln.
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Bei Anwendung von Kompressorgebläsen kann gemäß einer vom Hersteller zur Verfügung gestellten Spezifikation der maximal erzeugte Gas-Volumenstrom und damit der maximale Sauerstoffeintrag in die aerobe Reinigungsstufe 17 je Zeiteinheit bei 100 % Gebläseauslastung ermittelt werden. Auf dieser Grundlage kann die Regeleinheit 23 anhand der von den Messzellen 21, 22 zur Verfügung gestellten Indikatorwerte die Gebläseauslastung mit der Zulaufbelastung über der Zeit vergleichen und Hoch- bzw. Niederlastphasen des der Reinigungsstufe 17 zugeführten, zu behandelnden Abwassers detektieren.
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Während einer Niederlastphase, in der nur ein geringer Zulauf an Abwasser zu der Reinigungsstufe 17 erfolgt, aktiviert die Regeleinheit 23 die Pumpe 25 zur Förderung von Prozesswasser aus dem Pufferbecken 24 über eine Prozesswasser-Zuleitung 26 in den Reinigungskreislauf. Die Förderung des Prozesswassers wird beendet, wenn mittels der Messzellen 21, 22 ein Anstieg des Sauerstoffbedarfs des der biologischen Reinigung zugeleiteten Abwassers detektiert wird, der dazu führen würde, dass die Gebläseleistung der aeroben Reinigungsstufe 17 für lange Zeit an ihrem Kapazitätsmaximum arbeiten müsste. Einen solchen Anstieg kann die Regeleinheit 23 beispielsweise anhand eines Vergleichs der aktuell mittels der Messzellen 21, 22 erfassten Indikatorwerte mit in einem Speicher der Regeleinheit hinterlegten Schwellenwerten erkennen. Besonders nachts, wenn geringe Abwasser Zuläufe herrschen, besteht ein großes Potential das während des Tages angesammelte bzw. gepufferte Prozesswasser größtenteils abzubauen.
