DE1648892C3 - Verfahren zur automatischen Bestimmung der Atmungsintensität von Mikroorganismen - Google Patents

Description

gg , g

biologischen Vorgänge in nach dem Belebtschlammverfahren arbeitenden Kläranlagen. Es ist bekannt, daß durch die manometrische oder elektrochemische

Die Bestimmung der Atmungsintensität von Mikroorganismen hat große Bedeutung bei der Untersuchung

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 Λ, Inhalt 200 ml, der am Boden

eine Glasfritte GO trägt und mit einem Ablaßstutzen am Boden und einem Beschickungsstutzen im oberen Teil versehen ist und dessen oberer Teil kugelförmig Bestimmung des Sauerstoffgehalts und dessen zeit- 5° erweitert ist. Es hat sich gezeigt, daß die kugelförmige licher 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 den rung gebrachten abgeschlossenem Volumen eines sauer- Reaktor ist mittels eines Planschliffs ein einfacher stoffhaltigen Gasgemischs die Atmungsintensität be- 55 Kühler B aufgesetzt, der mit Leitungswasser betrieben 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 de:n 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, ⁶° ohne daß die Apparatur geöffnet werden muß. Auf K. H. H unken, H. Sleinecke. Gas-und Wasserfach den Kühler folgen zwei Gasbüretten Cl und C2, die 99, 89? (1958); A. P. Vernimmen, E. R. Henken, mit Hilfe von Dreiwegehähnen entweder einzeln oder J. C. Lamb H, Journal Water Pollution Control zusammen in den Luftkreislauf eingeschaltet werden Federation 39, 1006(1967). oder auch umgangen werden können. Der folgende

Die zitierten Verfahren sind aus verschiedenen ⁶5 Gasmengenmesser D (Rotametcr) dient der Kontrolle 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-Mcß- und Beschickungsvorgänge, aber auch wegen schlagt werden muß. Das paramagnetische Sauerstoff-

mcßgerät E mißt auf bekannte Weise den Sauerstoffgehalt des durchströmenden Gases und überträgt dasMeßergebnis auf den Schreiber F. Die Membranpumpe G saugt das durchgesetzte Gas an und drückt es erneut in den Reaktor A. Zur Beschickung des Reaktors und Vorratshaltung der Mikroorganismcnsuspension (7. B. Belebtschlamm) sowie zur Dosierung dienen die Gefäße H und Hl bzw. K und Ä'l. DasGefäß λ' enthält die Mikroorganismensuspension und kommuniziert mit dem 100 ml 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 Ä'l beim Befüllen und gewährleistet gleichzeitig eine Dosiergenauigkeit von 100 + höchstens I 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 /7 und HX. Das Gefäß // 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 Magnetventile 3 bis 11 haben folgende Funktion:

Ventil 3 ist das Ablaßventil für dasOefäß //. Ventile 4 und 5 stellen die Verbindung zwischen den Gefäßen H und Wl 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 G 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 Hl und Kl nach A ablaufen und schließen während eines Meßvorgangs das System von den mit der Außenluft in Verbindung stehenden Gefäßen Hl und Ä'l ab. Die Steuerung der Magnetventile geschieht über 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 /V/ 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 hesteht 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. /. B. Abwässern, in wäßriger Lösung gemessen und Vergiftungserscheinungen bei Zusatz toxischer Stoffe festgestellt werden. Die auf dem Schreiber /-"aufgezeichneten Kurven geben den Sauerstoffgehalt des Kreisgasstroms in Abhängigkeit von der Zeit an. Die Neigung der Kurven ist ein Maß für die Atmungsneschwi idigkcit tier Mikroorganismen, die Differenz zwischen Anfangs- und einem beliebig wählbaren Endgehalt ein Maß für die Atmungsintensität, die sich in Gramm Sauerstnffaiifnahme 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. 2. 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 sauerstoffhaltige Gas kann normale Luft sein, aber auch synthetische Gasgemische mit anderen Sauersloffgehalten 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 Klärankigc eingesetzt wird aus der Kläranlage stammen. Als Zumischung ist grundsätzlich jede wäßrige Lösung geeignet.

Beispiel 1

Bestimmung der Atmungsintensität von Belebtschlamm 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 // in 1,5 h gefüllt wurde. Das Gefäß K wurde mit Belebtschlamm aus den Schlammbelebungsbecken der Kläranlage beschickt, der vorher I h lang absitzen gelassen worden war; im Gefäß wurde der Schlamm leicht belüftet. Das paramagnetische Sauerstoffmcßgeräi E und der angeschlossene Schreiber F wurden eingeschaltet, auf die Druckseite des Druckausgleichsgefäßes M wurde Stickstoff gegeben, die GasbüreUen Cl und Cl durch entsprechende Stellung der Dreiwegehähne in den Gaskreislauf eingeschaltet. Der Impulsgeber für die Magnctventilsehaltung wurde in Gang gcsct/t. Nach Ablauf des in Fig. 2 dargestellten Schaltprogram.Tis war der Reaktor A mit !00 ml Abwasser und 100 ml Belebtschlamm gefüllt und das System mit den Apparaturteilen A bis /-.und G von der Außenluft abgeschlossen. Durch einen weiteren Impuls des Impulsgebers wurde der Geber selbst abgescha'tet 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 der Zwischenzeit war jedoch das Gefäß // bei abgeschaltetem Probenehmer L mit Leitungswasser gefüllt worden, um im nächsten Meßvorgang die sogenannte Eigenzehrung oder endogene Respirationsrate des Belebtschlamms zu ermitteln. Im übrigen wurden alle Bedingungen unverändert gelassen. Auf dem Schreiber erschien die Kurve h in Fig. 3.

Die Berechnung der Atmungsintensität wurde wie folgt vorgenommen:

Das Volumen des abgeschlossenen Luftvolumcns betrug, wie durch Füllung des gesamten Systems mit Wasser ermittelt wurde, 1800 ml, ab/.üalich des vom

Abwasser und Belebtschlamm im Reaktor eingenommenen Raumes von 200 ml, also 1600 ml. Daraus errechnet sich die im System zu Anfang der Messung vorhandene Sauerstoff menge bei 2O⁰C und 760 mm Hg zu 440 mg. Verbraucht worden waren bei Kurve a in I h 2.10 Volumprozent Sauerstoff --■ 45 mg, bei Kurve Λ 0,75 Volumprozent 16 mg.

I I Belebtschlamm hinterließ nach Eindampfen zur Trockne 15 g Rückstand (TS).

Die Atmungsintensität des Belebtschlamms ohne Gegenwart von Abwasser betrug ,ilso

16 mg O₂/Ii
oder 0,11 mg 0₂/mg TS ■ h

In Gegenwart von Abwasser stieg die Atmungsintensität durch Assimilation auf

45 mg O../I1
oder 0,30 mg Ö,/mg TS · h

Der zusätzliche Sauerstoffverbrauch, der durch das Abwasser hervorgerufen wurde, betrug also:

29 mg Oo/h

Beispiel 2

Prüfung der Aktivität eines Belebtschlamms.

Unter den gleichen Bedingungen wie im Beispiel 1 wurde eine weitere Messung durchgeführt. Es wurde das gleiche Abwasser wie in Kurve α der Fig. 3 zu einem Belebtschlamm gegeben, der sich von dem bei Kurve α und b eingesetzten nur dadurch unterschied, daß seine Mikroorganismen durch Einwirkung von 50 mg/1 CN -Ionen weitgehend abgetötet bzw. in ihrer Tätigkeit gehemmt waren.. Es ergab sich die Kurve c _3J in Fig. 3. Die wie in Beispiel 1 berechnete Atmungsintensität ergibt sich aus der Kurve c zu

21 mg O₂/h
oder 0.14 mg OJmg TS ■ h

Der zusätzliche Sauerstoffverbrauch durch die Assimilation war also statt 27 mg O₂/h (siehe Beispiel I ] nur noch 5 mg O₂/h.

Beispiel 3

Routinemäßige Überwachung des einer biologischen Kläranlage zufließenden Abvv-issers.

Die Apparatur der Fig. I wurde wie in den Beispielen I und 2 installiert und betrieben. Der Belebtschlamm in Gefäß K stammte aus den Belebungsbecken der Kläranlage, das Abwasser wurde für die Dauei eines Meßvorgangs in dem Gefäß /-/als Durchschnittsprobe gesammelt, so daß die Erfassung des gesamten, über diese Zeil eingelaufenen Wassers gcwährleistel war.

Über einen Zeitraum von 17 h wurden die Kurven der Fig. 4 erhalten. Die nahezu gleichbleibenden Respirationsraten zeigen an, daß die Abwasserkanal keinen wesentlichen Veränderungen unterworfen wai und daß für die biologische Kläranlage keine Störung der Reinigungsleistung zu befürchten ist.

Fig. 5 zeigt ebenfalls eine Meßreihe über 17 h an einem anderen Tag, aber unter gleichen Meßbedingungen. Man erkennt, daß die Atmungsintensität zunächst von Messung zu Messung ansteigt, dann abci bei der 5. Messung schlagartig geringer wird, wobc zugleich ein scharfer Knick in der entsprechender Kurve auftritt. Dieses Bild verstärkt sich bei dei 6. und 7. Messung noch, danach wird allmählich dci vorherige Zustand wieder erreicht. Der Befund lief: eine schwere Störung in der Reinigungswirkung dei Kläranlage voraussehen, da dem Kurvenbild nach zi urteilen über etwa 4 h toxisch wirkende Abwasser dci Kläranlage zugeflossen waren. Tatsächlich beganr die Reinigungswirkung der Kläranlage um 14.00 UIn plötzlich nachzulassen. Eine völlige Abtötung de: Mikroorganismen ließ sich durch betriebliche Maßnahmen, die auf Grund der Meßergebnisse eingeleitei worden waren, noch verhindern.

Hierzu 5 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

1. Patentansprüche:

   der oft empfindlichen, für den Einsatz im Dauerbetrieb nicht geeigneten Apparaturen.

   Es wurde nun ein Verfahren zur automatisierten Bestimmung der Atmungsintensität von Mikroorganismen aefunden, wobei sich die Suspension der Mikroorganismen in einem Belüftungsgefäß befindet, das am Boden mit einer Fritte zum Verteilen des eingeblasenen sauerstoffhaltigen Gases versehen ist, wobei das sauerstoffhaltige Gas mittels einer geeigneten Pumpe in d Aßlf bhl S

   I. Verfahren zur automatisierten Bestimmung der Atmungsintensität von Mikroorganismen, wobei sich die Suspension der Mikroorganismen in einem BelüftungsgefäB befindet, das am Boden mit einer Fritte zum Verteilen des eingeblasenen sauerstoff-

   haltieen Gases versehen ist, wobei das sauerstoff- _- . -

   haltiae Gas mittels einer geeigneten Pumpe in xo einem von der Außenluft abgeschlossenen System einem von der Außenluft abgeschlossenen System ständig umgewalzt wird und wöbe, der Sauerstoffständig umgewälzt wird und wobei der Sauerstoff- gehalt im Gas in Abhängigkeit von der Zeit bestimmt gehalt im Gas in Abhänaigkeit von der Zeit be- wird, und alle Probenahme-, Dosier- Besch.ckungssiimmt 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 Bestimmune durch sinnvolle Anordnung gramm gesteuerten Magnetventilen bewerkstelligt von durch ein Schaltproeramm gesteuerten Magnel- 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 Hufe eines

   paramagnetischen Sauerstoffmeßgeräts erfolgt und wobei die Druckabnahme im System über einen automatischen Druckausgleich mit einem sauerstofffreien Gas ausgeglichen wird.

   Sauerstoffgehalts außerhalb der Suspension ohne Eingriff in das abgeschlossene System mit Hslfe eines paramagnetischen: Sauerstoffmeßgeräts er-

   folct und wobei die Druckabnahme im System über _ _

   einen automatischen Druckausgleich mit einem 25 Weiterhin wurde eine Vorricntung zur Durchfüh-

   sauerstofffreien Gas ausgeglichen wird. rung des Verfahrens gefunden, bestehend aus einem

   zylindrischen, oben kugelförmig erweiterten Belüftungsgefäß, einem Kühler, den zugehörigen Meßein-

   richtungen und einer Pumpe sowie den Probensammel-
2. 2. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens, bestehend aus einem zylindrischen, oben kugelförmig erweiterten Belüftungsgefäß, einem

   Kühler, den zugehörigen Meßeinrichtungen und 30 und Dosiergefäßen und einem Druckausgleichgefäß einer Pumpe sowie den Probensammei- und Do- mit den notwendigen Magnetventilen, gekennzeichnet

   durch ein Gesamtgasvolumen von mindestens 600 ml, das durch wahlweises Einschalten zweier Gasbüretten in den Kreislauf von 600 bis 1600 ml veränderbar ist. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird durch eint Reihe von Maßnahmen dafür gesorgt, daß den Mikroorganismen ständig genug Sauerstoff zur Veratmung angeboten wird, daß Fehlbestimmungen durch Druckschwankungen vermieden werden und daß die erhaltenen Sauerstoff-Zeit-Kurven Aussagen über biologische Verhalten von Substraten, z. B. in biologischen Kläranlagen, erlauben.

   Das Verfahren sei an Hand der Zeichnung 1 und Schaltprogrammplans 2 näher beschrieben. Die in

   siergefäßen und einem Druckausgleichgefäß mit den notwendigen Magnetventilen, gekennzeichnet durch ein Gesamtgasvolumen von mindestens 600ml, das durch wahlweis.es Einschalten zweier Gasbüretten in den Kreislauf von 600 bis 1600 ml veränderbar ist.