DE1648892B2

DE1648892B2 - Verfahren zur automatischen bestimmung der atmungsintensitaet von mikroorganismen

Info

Publication number: DE1648892B2
Application number: DE1967E0034789
Authority: DE
Inventors: Gerhard Dr. 4047 Dormagen; Schulte Franz-Josef 5090 Leverkusen Krause
Original assignee: Erdölchemie GmbH, 5000 Köln
Priority date: 1967-09-18
Filing date: 1967-09-18
Publication date: 1976-06-10
Also published as: DE1648892A1

Description

-neßgerät E mißt auf bekannte Weise den Sauerstoffgehalt des durchströmenden Gases und überträgt dasMeßergebnis auf den Schreiber F. Die Membranpumpe C saugt das durchgesetzte Gas an und drückt es erneut in den Reaktor A. Zur Beschickung des Reaktors und Vorratshaltung der Mikroorganismensuspension (z. B. Belebtschlamm) sowie zur Dosierung dienen die Gefäße H und Hl bzw. K und Kl, Das Gefäß K enthält die Mikroorganismensuspension und kommuniziert mit dem 100 m! fassenden Gefäß Kl. Um ein Absterben der Mikroorganismen aus Sauerstoffmangel zu verhindern, wird in K ständig etwas Luft über 12 eingesprudelt. Die auf Kl aufgesetzte Kapillare 13,

0 < 3 mm, ermöglicht das Entweichen der Luft aus Kl beim Befüllen und gewährleistet gleichzeitig eine Dobiergenauigkeit von 100 + höchstens 1 ml, solange nur der Flüssigkeitsstand im Gefäß K über der Oberkante von Kl bleibt. Auf gleiche Weise erfolgt die Dosierung des Substrats mit Hilfe der Gefäße H und Hl. Das Gefäß H hat zusätzlich noch einen Bodenablaß, da es als Probensammelgefäß fungiert und beim Einsatz der Apparatur zur kontinuierlichen Kontrolle von Abwässern nach jeder Messung entleert werden muß. Die Probenahme erfolgt in bekannter Weise mit dem Probenehmer L mit den Magnetventilen

1 und 2.

Die Magnetventile3bis 11 haben folgende Funktion:

Ventil 3 ist das Ablaßventil für das Gefäß H. Ventile 4 und S stellen die Verbindung zwischen den Gefäßen H und Hl bzw. K und Kl her. Ventile 6 und 7 stellen die Verbindung des in den Apparaturteilen A bis G abgeschlossenen Gasvolumens mit einem größeren Reservoir (z. B. der Außenluft) her, so daß bei laufender Pumpe C der Sauerstoffgehalt im System wieder auf eine bestimmte Höhe (z. B. 20,8 Volumprozent) gebracht wird. Ventil 8 ist das Ablaßventil für den Reaktor A. Mit Ventil 9 wird nach Ablassen des Reaktors ein Spülwasserstrahl durch Kühler und Reaktor gegeben. Die Ventile 10 und 11 lassen den Inhalt der Gefäße Wl und Kl nach A ablaufen und schließen während eines Meßvorgangs das System von den mit der Außenluft in Verbindung stehenden Gefäßen Hl und Kl ab. Die Steuerung der Magnetventile geschieht übor einen Impulsgeber, dessen Impulse in bestimmter Reihenfolge zur Schaltung der Ventile verwendet werden (siehe Schaltprogrammplan 2).

Das abgeschlossene System der Apparaturteile A bis G ist außerdem mit dem Druckausgleichsgefäß M versehen, mit dessen Hilfe der durch den Sauerstoffverbrauch der Mikroorganismen bei ihrer Tätigkeit entstehende Unterdruck ausgeglichen wird. Das zugesetzte Gas muß selbstverständlich sauerstofffrei sein.

Die Apparatur besteht in allen Teilen aus Glas, lediglich kleine Verbindungsteile sind mit flexiblen Schläuchen hergestellt.

Mit der beschriebenen Apparatur kann die Atmungsintensität von Mikroorganismen allein oder in Gegenwart der verschiedensten Substrate, z. B. Abwässern, in wäßriger Lösung gemessen und Vergiftungserscheinungen bei Zusatz toxischer Stoffe festgestellt werden. Die auf dem Schreiber Faufgezeichneten Kurven geben den Sauerstoffgehalt des Kreisgasstroms in Abhängigkeit von der Zeit an. Die Neigung der Kurven ist ein Maß für die Atmungsgeschwindigkeit der Mikroorganismen, die Differenz zwischen Anfangs- und einem beliebig wählbaren Endgehalt ein Maß für die Atmungsintensität, die sich in Gramm Sauersfnffaufnahme Dro Zeiteinheit ausdrucken läßt oder als spezifische Größe in Gramm Sauerstoffaufnahme pro Gramm Mikroorganismen-Trockensubstanz und Zeiteinheit. Andererseits läßt sich der Sauerstoffbedarf für die bakterielle Oxydation eines Substrats, z. B. Abwassers, angegeben, wenn zuerst die Atmungsintensität ohne und anschließend mit Substratzusatz bestimmt wird. Die Differenz der gemessenen Atmungsintensitäten gibt den Sauerstoffbedarf des Abwassers in Gramm Sauerstoff pro Volumeinheit.

Das sauerstoffhaltig Gas kann normale Luft sein, aber auch synthetische Gasgemische mit anderen Sauerstoffgehalten können eingesetzt werden. Damit kann der Einfluß des Sauerstoffpartialdrucks auf die Respirationsrate studiert werden.

Die Mikroorganismenkulturen können in speziellen Substratlösungen gezüchtet sein, oder — wenn das Verfahren zur Kontrolle einer biologischen Kläranlage eingesetzt wird — aus der Kläranlage stammen. Als Zumischung ist grundsätzlich jede wäßrige Lösung geeignet.

Beispiel I

Bestimmung der Atmungsintensität von Belebt-Schlamm allein und in Gegenwart von Abwasser.

Die Apparatur der Fig. 1 wurde am Einlauf zu einer biologischen Kläranlage installiert. Der Probennehmer L wurde an die Druckleitung angeschlossen, durch die das ankommende Abwasser in die Kläranlage gefördert wird und so eingestellt, daß das Gefäß H in 1,5 h gefüllt wurde. Das Gefäß K wurde mit Belebtschlamm aus den Schlammbelebungsbecken der Kläranlage beschickt, der vorher 1 h lang absitzen gelassen worden war; im Gefäß wurde der Schlamm leicht belüftet. Das paramagnetische Sauerstoffmeßgerät E und der angeschlossene Schreiber F wurden eingeschaltet, auf die Druckseite des Druckausgleichsgefäßes M wurde Stickstoff gegeben, die Gasbüretten Cl und C2 durch entsprechende Stellung der Dreiwegehähne in den Gaskreislauf eingeschaltet. Der Impulsgeber für die Magnetventilschaltung wurde in Gang gesetzt. Nach Ablauf des in Fig. 2 dargestellten Schaltprogramms war der Reaktor A mit 100 ml Abwasser und 100 ml Belebtschlamm gefüllt und das System mit den Apparaturteilen A bis E und C von der Außenluft abgeschlossen. Durch einen weiteren Impuls des Impulsgebers wurde der Geber selbst abgeschaltet und eine Zeitschaltuhr in Gang gesetzt, die ihrerseits nach 1,25 h den Impulsgeber wieder starten sollte.

Nach Ablauf des Schaltprogramms waren 0,25 h vergangen. Während der folgenden 1,25 h nahm der Sauerstoffgehalt der Luft im abgeschlossenen System ständig ab und auf dem Schreiber erschien die in Fig. 3 gezeigte Kurve a.

Nach 1,25 h wurde der programmierte Schaltvorgang nach Fig. 2 erneut automatisch gestartet. In dei Zwischenzeit war jedoch das Gefäß H bei abgeschaltetem Probenehmer L mit Leitungswasser gefüllt worden, um im nächsten Meßvorgang die sogenannte Eigenzehrung oder endogene Respirationsrate de: Belebtschlamms zu ermitteln. Im übrigen wurden alls Bedingungen unverändert gelassen. Auf dem Schreibe: erschien die Kurve b in Fig. 3.

Die Berechnung der Atmungsintensität wurde wit folgt vorgenommen:

Das Volumen des abgeschlossenen Luflvolumen! betrug, wie durch Füllung des gesamten Systems mi Wasser ermittelt wurde, 1800 ml, abzüglich des vorr

Abwasser und Belebtschlamm im Reaktor eingenom- Der zusätzliche Sauerstoffverbrauch durch die

menen Raumes von 200 ml, also 1600 ml. Daraus Assimilation war also statt 27 mg OJh (siehe Beispiel 1)

errechnet sich die im System zu Anfang der Messung nur noch 5 mg O₂/h.

vorhandene Sauerstoffmenge bei 20°C und 760 mm Hg BeisDiel 3

zu 440 mg. Verbraucht worden waren bei Kurve α in 5 , ..,, ; ....

1 h 2,10 Volumprozent Sauerstoff = 45 mg, bei Routinemäßige Überwachung des einer biolog.schen

Kurve b 0,75 Volumprozent = 16 mg. Klaranlage zufließenden Abwassers.

1 I Belebtschlamm hinterließ nach Eindampfen zur Die Apparatur der Fig. 1 wurde wie in den Bei-Trockne 15 g Rückstand (TS). spielen 1 und 2 installiert und betrieben. Der Belebt-Die Atmungsintensität des Belebtschlamms ohne io schlamm in Gefäß K stammte aus den Belebungsbecken Gegenwart von Abwasser betrug also . der Kläranlage, das Abwasser wurde für die Dauer 16 mg OJh ^e'^{nes Meßvor}g^ang^{s in} dem Gefäß H als Durchschnittsoder 0 11 mg O /mg TS · h ?.^robe §^{ε5£ΐηΐΓηε}1^ι> ^{so daß die} Erfassung des gesamten,

über diese Zeit eingelaufenen Wassers gewährleistet

In Gegenwart yon Abwasser stieg die Atmungs- 15 war.

intensität durch Assimilation auf Über einen Zeitraum von 17 h wurden die Kurven

45 mg OJh ^^{εΓ Fig}· ^{4 ernaIten}· Die nahezu gleichbleibenden

oder 0 30 mg OJmg TS · h Respirationsraten zeigen an, daß die Abwassergualität

' keinen wesentlichen Veränderungen unterworfen war

Der zusätzliche Sauerstoff verbrauch, der durch das *o und daß für die biologische Kläranlage keine Störung

Abwasser hervorgerufen wurde, betrug also: der Reinigungsleistung zu befürchten ist.

29 mg O /h Fig. 5 zeigt ebenfalls eine Meßreihe über 17 h an

einem anderen Tag, aber unter gleichen Meßbedingungen. Man erkennt, daß die Atmungsintensität zuBeispiel 2 »j nächst von Messung zu Messung ansteigt, dann aber Prüfung der Aktivität eines Belebtschlamms. bei ^{der 5}· Messung schlagartig geringer wird, wobei

_T1. , ... _D ,. .. o·-,, zugleich ein scharfer Knick in der entsprechenden

Unter den gleichen^ Bedingungen wie im Beispiel 1 _{Kurve auftrjtt Dieses Büd vefstärkt} ^ ^ _def

wurde eine weitere Messung durchgeführt. Es wurde _{6 und 7 Mess noch danach wjrd allmählich der}

das gleiche Abwasser wie in Kurve β der Fig. 3 zu _{3o vorherige Zustand wieder erreicht Der} Befund ließ

einem Belebtschlamm gegeben, der sich von dem bei _{eine schwere Stö in der Re}i_nigungswirkung der

Kurve α und 6 eingesetzten nur dadurch unterschied, _{Kläranlage voraussehen}, da dem Kurvenbild nach zu

daß seine Mikroorganismen durch Einwirkung von _{urteilen über etwa 4 h toxisch wjrkende Abwässer d}„

M mg/1 CN--Ionen weitgehend abgetötet bzw. in ihrer _{Kläranlage zug}eflossen waren. Tatsächlich begann

Tätigkeit gehemmt waren. Es ergab sich die Kurve c _{35 die Rein}i_{gungswirkung der Klaran}|_{age um} 14.ΟΟ uhr

m Fig. 3. Die wie in Beispiel 1 berechnete Atmungs- _p]ötzVlch nachzulassen. Eine völlige Abtötung de.

intensität er_gIbt sich aus der Kurve c zu Mikroorganismen ließ sich durch betriebliche Maß-

21 mg OJh nahmen, die auf Grund der Meßergebnisse eingeleitel

oder 0,14 mg OJmg TS · h worden waren, noch verhindern.

Hierzu 5 Blatt Zeichnungen

Claims

der oft empfindlichen, für den Einsatz im Dauer-Patentansprüche: betrieb nicht geeigneten Apparaturen.

Es wurde nun ein Verfahren zur automatisierten

I. Verfahren zur automatisierten Bestimmung der Bestimmung der Atmungsintensität von Mikroorganis-Atmungsintensität von Mikroorganismen, wobei 5 men gefunden, wobei sich die Suspension der Mikrosich die Suspension der Mikroorganismen in einem Organismen in einem Beluftungsgefaß befindet das am Belüftungsgefäß befindet, das am Boden mit einer Boden mit einer Fritte zum Verteilen des eingeblasenen Fritte zum Verteilen des eingeblasenen sauerstoff- sauerstoffhaltigen Gases versehen ist, wobei das sauerhaltigen Gases versehen ist, wobei das sauerstoff- stoffhaltige Gas mittels einer geeigneten Pumpe in haltige Gas mittels einer geeigneten Pumpe in io einem von der Außenluft abgeschlossenen System einem von der Außenluft abgeschlossenen System ständig umgewälzt wird und wobei der Sauerstoffständig umgewälzt wird und wobei der Sauerstoff- gehalt im Gas in Abhängigkeit von der Zeit bestimmt gehalt im Gas in Abhängigkeit von der Zeit be- wird, und alle Probenahme-, Dosier-, Beschickungsstimmt wird, und alle Probenahme-, Dosier-, und Entleerungsvorgänge sowie die Erneuerung des Beschickungs- und Entleerungsvorgänge sowie die 15 sauerstoffhaltigen Gases vor Beginn einer Bestimmung Erneuerung des sauerstoffhaltigen Gases vor Be- durch sinnvolle Anordnung von durch ein Schaltproginn einer Bestimmung durch sinnvolle Anordnung gramm gesteuerten Magnetventilen bewerkstelligt von durch ein Schaltprogramm gesteuerten Magnet- werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Bestimmung ventilen bewerkstelligt werden, dadurch ge- des Sauerstoffgehalts außerhalb der Suspension ohne kennzeichnet, daß die Bestimmung des " Eingriff in das abgeschlossene System mit Hilfe eines Sauerstoffgehalts außerhalb der Suspension ohne paramagnetischen Sauerstoffmeßgeräts erfolgt und Eingriff in das abgeschlossene System mit Hilfe wobei die Druckabnahme im System über einen eines paramagnetischen Sauerstoffmeßgeräts er- automatischen Druckausgleich mit einem sauerstofffolgt und wobei die Druckabnahme im System über freien Gas ausgeglichen wird.

einen automatischen Druckausgleich mit einem 25 Weiterhin wurde eine Vorrichtung zur Durchfühsauerstofffreien Gas ausgeglichen wird. rung des Verfahrens gefunden, bestehend aus einem
2. Vorrichtung zur Durchführung des Verfah- zylindrischen, oben kugelförmig erweiterten Belüfrens, bestehend aus einem zylindrischen, oben tungsgefäß, einem Kühler, den zugehörigen Meßeinkugelförmig erweiterten Belüftungsgefäß, einem richtungen und einer Pumpe sowie den Probensammel-Kühler, den zugehörigen Meßeinrichtungen und 30 und Dosiergefäßen und einem Druckausgleichgefäß einer Pumpe sowie den Probensammei- und Do- mit den notwendigen Magnetventilen, gekennzeichnet siergefäßen und einem Druckausgleichgefäß mit durch ein Gesamtgasvolumen von mindestens 600 ml, den notwendigen Magnetventilen, gekennzeichnet das durch wahlweises Einschalten zweier Gasbüretten durch ein Gesamtgasvolumen von mindestens 600ml, in den Kreislauf von 600 bis 1600 ml veränderbar ist. das durch wahlweises Einschalten zweier Gas- 35 Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird durch büretten in den Kreislauf von 600 bis 1600 ml eine Reihe von Maßnahmen dafür gesorgt, daß den veränderbar ist. Mikroorganismen ständig genug Sauerstoff zur Ver-

atmung angeboten wird, daß Fehlbestimmungen durch Druckschwankungen vermieden werden und daß die

40 erhaltenen Sauerstoff-Zeit-Kurven Aussagen über

biologische Verhalten von Substraten, z. B. in biologischen Kläranlagen, erlauben.

Die Bestimmung der Atmungsintensität von Mikro- Das Verfahren sei an Hand der Zeichnung 1 und

Organismen hat große Bedeutung bei der Untersuchung Schaltprogrammplans 2 näher beschrieben. Die in von Abwässern, besonders bei solchen, die biologisch 15 Fig. 1 gezeigte Apparatur besteht aus dem gläsernen gereinigt werden sollen, und bei der Untersuchung der zylindrischen Reaktor A, Inhalt 200 ml, der am Boden biologischen Vorgänge in nach dem Belebtschlamm- eine Glasfritte CO trägt und mit einem Ablaßstutzen verfahren arbeitenden Kläranlagen. Es ist bekannt, am Boden und einem Beschickungsstutzen im oberen daß durch die manometrische oder elektrochemische Teil versehen ist und dessen oberer Teil kugelförmig Bestimmung des Sauerstoffgehalts und dessen zeit- 50 erweitert ist. Es hat sich gezeigt, daß die kugelförmige Iicher Veränderung in einer Suspension von Mikro- Erweiterung sehr nützlich bei Schaumbildung im Organismen oder in einem mit dieser in Berührung Reaktor ist, indem sie ein Übersteigen des Schaums stehenden oder durch ständiges Umwälzen in Beruh- in die folgenden Apparaturteile verhindert. Auf der rung gebrachten abgeschlossenem Volumen eines sauer- Reaktor ist mittels eines Planschliffs ein einfachei stoffhaltigen Gasgemischs die Atmungsintensität be- 55 Kühler B aufgesetzt, der mit Leitungswasser betrieber stimmt werden kann. Aus der Vielzahl der in der Lite- wird und die kälteste Stelle in der Apparatur darstellt ratur beschriebenen Verfahren seien hier genannt: so daß Kondensatbildung an anderen Stellen ausbleibt O. Warburg »über den Stoffwechsel der Tumoren«, Im oberen Teil des Kühlers ist eine Wasserdüse ein Springer-Verlag Berlin 1926; D. E. Bloodgood, gesetzt, so daß der Reaktor gereinigt werden kann Sewage Works Journal 10, 26 (1938); F. Pöpel, ^6o ohne daß die Apparatur geöffnet werden muß. Au K. H. Hunken, H. Steinecke, Gas-und Wasserfach den Kühler folgen zwei Gasbüretten Cl und C2, di< 99, 897 (1958); A. P. Vernimmen, E. R. Henken, mit Hilfe von Dreiwegehähnen entweder einzeln ode J. C. Lamb II, Journal Water Pollution Control zusammen in den Luftkreislauf eingeschaltet werdet Federation 39, 1006 (1967). oder auch umgangen werden können. Der folgendi

Die zitierten Verfahren sind aus verschiedenen ⁶5 Gasmengenmesser D (Rotameter) dient der KontroIIi Gründen nicht ganz befriedigend, vor allem mangels der umgewälzten Gasmenge, da das Sauerstoffmeß Möglichkeiten zur automatisierten Durchführung der gerät E mit einer bestimmten Mindestmenge beauf Meß- und Beschickungsvorgänge, aber auch wegen schlagt werden muß. Das paramagnetische Sauerstoff