DE1942432C3

DE1942432C3 -

Info

Publication number: DE1942432C3
Application number: DE19691942432
Authority: DE
Inventors: Domenico Dr. Boenzi; Guido Prof. Branca
Original assignee: Comitato Nazionale per lEnergia Nucleare CNEN
Current assignee: Agenzia Nazionale per le Nuove Tecnologie lEnergia e lo Sviluppo Economico Sostenibile ENEA
Priority date: 1968-08-24
Filing date: 1969-08-20
Publication date: 1978-08-10
Also published as: FR2016328A1; DE1942432B2; DE1942432A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur volumetrischen Bestimmung des biochemischen Sauerstoffbedarfs in einer Flüssigkeitsprobe nach dem elektrolytischen Verfahren, mit einem gegen die Atmosphäre hermetisch abschließbaren Reaktionsgefäß, das mit einem ebenfalls gegen die Atmosphäre hermetisch abgeschlossenen Anodenraum einer elektrolytischen Zelle verbunden ist

Der zu messende biochemische Sauerstoffbedarf (B. O. D.) von in Flüssigkeiten, insbesondere Abwässern, enthaltenen aerobe;· Mikroorganismen ist bekanntlich ein gutes Wertmaß zur Kennzeichnung von Flüssigkeiten, insbesondere Abwässern, die mit abbaubaren organischen Bestandteilen verunreinigt sind, z. B. Abwässer von Lebensmittelbetrieben oder Papierfabriken oder pharmazeutischen Fabriken.

Zur Bestimmung des biochemischen Sauerstoffbedarfs wurden bisher folgende Verfahren angewandt:

a) Nitratmethode

Zu der organische Bestandteile enthaltenden Probe gibt man in Lösung und/oder in Suspension Nitrate, die durch Mikroorganismen leicht zersetzlich sind, und mißt den Nitratgehalt vor und nach der Versuchsanstellung.

b) Verdünnungsmethode

Man verdünnt die Probe in Wasser, das frei von organischen Bestandteilen ist und dessen Sauerstoffgehalt bekannt ist Man verzeichnet dann die zeitliche Verringerung des ursprünglichen Wertes des Gases mittels Messung des in der Mischung gelösten Sauerstoffs, im Prinzip nach der Methode von Winkler.

c) Respirationsmethode (direkte)

Man bringt die Probe in Kontakt mit einer Sauerstoffatmosphäre oder Luft und mißt mit Hilfe eines Manometers den Sauerstoffverbrauch.

Die Nitratmethode ist seit längerem nicht mehr in Gebrauch, sie kann daher unbeachtet bleiben.

Die Verdünnungsmethode hat zwei grundlegende Nachteile. Der eine Nachteil beruht darauf, daß die Konzentration und die Spannung des den Mikroorganismus zur Verfügung stehenden Sauerstoffs — dessen Menge zu Beginn des Vorgangs festliegt — in dem Maße abnehmen, wie der Sauerstoff eben von den Mikroorganismen verbraucht wird. Mit abnehmender Sauerstoffkonzentration verlangsamt sich der Stoffwechsel der vorhandenen Mikroorganismen, ihre Entwicklung wird also negativ beeinflußt Per andere Nachteil besteht darin, daß das durch die Atmung von den Mikroorganismen entwickelte CO₂ ständig in der Probe verbleibt, womit das biologische Milieu nachteilig verändert wird. Mit der Respirations- oder direkten Methode vermeidet man diesen zweiten Nachteil durch Entfernung des entwickelten CO₂, und man versucht, den ersten Nachteil zu vermeiden, indem man das System periodisch mit Sauerstoff oder Luft anreichert, oder indem man anfänglich eine ausreichende Menge Gas

liefert, um mit großem Oberschuß die Lebensfunktionen de; Mikroorganismen sicherzustellen. Trotzdem gelingt es selbst auf diese Weise nicht, vollständig zu vermeiden, daß der Druck des Sauerstoffs geringer wird, je nachdem, wie der Gasverbrauch steigt besonders wenn der biochemische Sauerstoffbedarf der Probe sehr hoch ist Wenn die Probe dagegen nur wenig organische Bestandteile enthält, so liefert die Respirationsmethode, die ja auf einer differenzieilen Messung des Druckes beruht, keine ge'nauen manometrischen Ablesungen.

Eine Modifikation der Respirationsmethode, die selbst

diese Nachteile vermeidet, stellt die elektrolytische

Methode dar, deren Prinzip im folgenden näher

erläutert wird.

Die zu untersuchende Probe wird in ein mit einem

Thermostat ausgerüstetes geschlossenes System eingebracht das unabhängig von äußerem Luftdruck und Außentemperatur ist Infolge der biochemischen Reaktion wird Sauerstoff verbraucht und CO₂ gebildet das durch Absorption in einer alkalischen Lösung wie bei der Original-Respirationsmethode entfernt wird. Die dadurch bewirkte Druckminderung wird dazu benutzt um den Umlauf einer elektrolytischen Zelle zu schließen, an deren Anode sich Sauerstoff in der gleichen Menge entwickelt wie sie verbraucht wird. Auf diese Weise können die in der Flüssigkeit vorhandenen Mikroorganismen atmen und sich dauernd unter den gleichen Bedingungen der Sauerstoffkonzentration vermehren, während die auf elektrolytischem Wege entwickelte Menge Sauerstoff oder eine der letzteren entsprechende proportioneile Größe es ermöglicht, Sauerstoff der Probe für den biochemischen Bedarf zu erhöhen. Bei den bisher angewandten Arbeitsweisen der elektrolytischen Methode erfordern die Druckschwankung in dem Reaktionsgefäß infolge des Sauerstoffver- brauchs und der Absorption des verbrauchten Sauer' Stoffs und der Absorption des CO₂, einen Anreiz der Reaktion, sei es mit Hilfe einer geeigneten Membran oder eines Oberträgers, sei es über die Verschiebung einer mit dem geschlossenen Reaktionsgefäß verbunde nen Quecksilbersäule. Zur Bestimmung der elektroly tisch entwickelten oder durch die Mikroorganismen verbrauchten Menge Sauerstoff mißt man die Elektrizitätsmenge, die in der Zelle durchgegangen ist, oder man mißt bei konstanter !Stromstärke die Gesamtdurch gangszeit

Die elektrolytische Methode ermöglicht demnach die Ausschaltung der bei den anderen beschriebenen Methoden auftretenden Nachteile, jedoch benötigen die bisherigen Anwendunjjsformen dieser Methode eine spezielle Apparatur, deren Verwendung ihrerseits eine technische Genauigkeit erfordert, wie sie analytische Verfahren besitzen. Ziel der Erfindung ist daher eine Anwendung der

elektrolytisehen Methode in einer Form, die wesentlich einfacher und dementsprechend weniger aufwendig und leicht anzuwenden ist, und außerdem von einem nicht speziell ausgebildeten Personal für Routinemessungen bedient werden kann.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung bei der Vorrichtung nach der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß der Kathodenraum der Zelle, der mit dem Anodenraum nicht kommuniziert, sondern nur elektrisch leitend mit dem Anodenraum in Verbindung steht, eine graduierte Casbürette trägt, welche das bei der elektrolytischen Zersetzung im Kathodenraum entstehende Gas als Maß für den Sauerstoffverbrauch der Flüssigkeitsprobe aufnimmt

Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Zeichnung noch näher beschrieben.

F i g. 1 ist ein Blockdiagramm der Vorrichtung gemäß der Erfindung;

F i g. 2 zeigt eine praktische Ausführung der Vorrichtung.

Nach Fi g. 1 und 2 ist 1 das Reaktionsgefäß, das die zu messende Probe enthält und dessen Kapazität dem biologischen Sauerstoffbedarf der Probe angepaßt werden kann. Im Gefäßinneren ist ein Tiegel angeordnet, der die zur Absorption des CO2 notwendige alkalische Lösung enthält. Zwei kleine Anker, die durch einen außerhalb angeordneten Magneten bewegt werden können, sind jeweils im Gefäß und im Tiegel angeordnet und bewirken die Verteilung des Sauerstoffs in der Probe und die Freigabe des CO₂ und Absorption in der alkalischen Lösung.

Das Reaktionsgefäß 1 ist über Leitung 2 mit dem Anodenraum 4 der elektrolytischen Zelle 3, die eine Schwefelsäurelösung enthält, verbunden. Die elektrische Verbindung 5 zwischen Anodenraum 4 und Kathodenraum 6 der Zelle erfolgt durch eine Agar-Brücke, die eine gesättigte K₂SO₄-Lösung enthält Man kann das Agar auch durch eine geeignete poröse oder lettfähige Substanz ersetzen, die eine elektrische Leitung ermöglicht, jedoch keine hydraulische Verbindung zwischen Anoden· und Kathodenraum. Es ist darauf hingewiesen, daß die Räume 4 und 6 nur elektrisch verbunden sind, während Reaktionsgefäß 1 und Anodenraum 4 ein geschlossenes System büden, das nicht auf atmosphärischem Druck reagiert, während Kathodenraum 6 diesem unterworfen sein kann. In die im Kathodenraum 6 befindliche Lösung, die unter atmosphärischem Druck steht, taucht der untere Teil einer Gasbürette ein, deren Größe sich nach dem zu messenden biochemischen Sauerstoffbedarf richtet. Die ganze Vorrichtung, gegebenenfalls mit Ausnahme des Kathodenraumes 6 der Zelle, sitzt in einer Kammer 8, deren Temperatur vorteilhaft mit einem Thermostat geregelt wird, um die Messung bei einer vorherbe* stimmten und konstanten Temperatur durchzuführen. Die Elektrode des Kathodenraumes 6 der Zelle ist dauernd in der elektrolytischen Lösung eingetaucht, während die Elektrode des Anodenraumes 4 anfänglich sich außerhalb der Lösung befindet und, wie man sehen wird, sich mit der Lösung infolge der Atmung durch die Entwicklung der biochemischen Reaktion wieder vereinigt,

Die Vorrichtung gemäß der Erfindung arbeitet wie folgt:

In das von Gefäß 4 abgetrennte Reaktionsgefäß 1 wird die zu messende Flüssigkeit eingefüllt, wobei man über der Flüssigkeit ein Luftraumvolumen beläßt, das wenigstens Vs des Volumens der Probeflüssigkeit entspricht Jn den kleinen Tiegel gibt man eine zur Absorption des CO₂ geeignete Substanz bekannter Art, In die Räume 4 und 6 der Zelle 3 füllt man eine ausreichende Menge verdünnter Schwefelsäure ein. Die ■s Gasbürette 7 wird eingesetzt und vollständig mit der gleichen Schwefelsäurelösung, beispielsweise durch Ansaugen ober einen Hahn, gefüllt Die Temperatur von Gefäß 1 und 4 wird stabilisiert, und die Gefäße werden über Leitung 2 beispielsweise durch eine Brücke mit kugelförmigen Bindungen vereinigt

Die notwendigen elektrischen Verbindungen werden hergestellt Je nachdem, wie die biochemische Reaktiun fortschreitet wird der oberhalb der Probe befindliche Sauerstoff verbraucht und, da das entwickelte CO₂ sofort entfernt (absorbiert) wird, verringert sich der Druck im Reaktionsbehälter. Infolgedessen steigt die im Anodenraum 4 befindliche elektrolytische Flüssigkeit hoch und kommt in Kontakt mit der Elektrode, wodurch der elektrische Stromkreis in der Zelle geschlossen wird.

An der Anode entwickelt sich infolgedessen eine solche Menge Sauerstoff, daß das Gleichgewicht der Drücke wiederhergestellt wird (d. h. eine M'eng> Sauerstoff, die der verbrauchten Menge entspricht), während an der Kathode sich ein doppeltes Volumen Wasserstoff entwickelt Dieser in der Bürette aufgefangene Wasserstoff ermöglicht die Messung des verbrauchten Sauerstoffs. Ween einmal die Druckunterschiede ausgeglichen sind, fällt die elektrolytische Lösung im Anodenraum wieder ab. Infolgedessen ist der Stromkreis

jo geöffnet und die Elektrolyse unterbunden, bis durch einen höheren Sauerstoffverbrauch des zu messenden Teils der Probe von neuem eine Druckverringerung erfolgt, und so fort.

Zur Messung des biochemischen Sauerstoffbedarfs mit Hilfe des in der Kathode entwickelten Wasserstoffvolumens geht man folgendermaßen vor. Vorausgesetzt, daß die gasometrisclie Bürette außerhalb des Thermostaten aus praktischen Gründen angeordnet ist und der Flüssigkeitsgehalt im Kathodenraum mit der Atmosphäre im Kontakt steht muß man, wenn man Ablesung dieses Volumens durchführt auch die Außentemperatur erhöhen, ebenso wie den atmosphärischen Druck und die Höhe der Flüssigkeitssäule in der Gasbürette in Beziehung zur freien Oberfläche der Lösung im Kathodenraum.

Wenn man mit VL (in cm³) das unter Versuchsbedingungen abgelesene Volumen des Wasserstoffs bezeichnet, mit H den Wert des atmosphärischen Drucks (in mm Hg), mit 7" die Außentemperatur (in "C), mit h die

Höhe der Flüssigkeitssäule in der Bürette im Vergleich zur freien Oberfläche der Flüssigkeit im Kathodenraum 6 (in mm), ist das Volumen des Wasserstoffs, bezogen auf 20⁰C Und Normaldruck, durch folgende nach dem Gasgesetz gebildete Formel gegeben:

²⁰ ~

760 [273 + (T- 20)]

VL

Tm ist die Maxinialspannung der Schwefelsäurelösung bei der Temperacur t, aber man macht nur einen zu vernachlässigenden Fehler, wenn man sie durch die Maximalspannung des Wassers ersetzt, die man leicht aus physikalischen Tabellen ablesen kann. Der Begriff

*⁵ "jfjstellt die Höhe der Säule der Elektrolytflüssigkeit in mm Hg dar. Man nimmt den Wert 13,5, weil die Dichte der Schwefelsäurelösung nicht sehr unterschiedlich von

der des Wassers ist. Wenn man den B. C). D. (Sauerstoffbedarf der aeroben Mikroorganismen) der zu messenden Probe in ppm erhalten will, muß man VS_n durch 2 teilen, um den Sauerstoffverbrauch in cm¹ zu ermitteln, dann den erhaltenen Wert mit der Konstante "> 1,33 multiplizieren, die das Gewicht in mg von I cm¹ O₂ bei 760 mm Druck und 20°C darstellt, und schließlich die so kalkulierte Menge Sauerstoff in Beziehung zum Volumen der Probe bringen.

Fig.2 zeigt beispielhaft und nicht als Begrenzung in eine praktische Anwendung nach dem Schema von Fig. 1. In dieser Figur haben die Teile mit den gleichen Funktionen auch die gleichen Bezeichnungen wie in I i g. I. Das in diesem Fall verwendete Material besteht aus Glas, man kann aber auch ein anderes geeignetes Material verwenden. Die thermische Stabilisierung ist mit einem Wasserbad erhallen, das ebenfalls durch ein anderes bekanntes Mittel ersetzt sein kann.

Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann der Sauerstoffverbrauch laufend mit einfachen gasvolumctrischen Messungen verfolgt werden; gleichwohl, da die Entwicklung des Sauerstoffs, der den verbrauchten Sauerstoff ersetzt, an ein elektrisches Phänomen gebunden ist, ist es möglich, bei der Anordnung einer f.e.m.-Konstante außerdem eine graphische Darstellung der Entwicklung der biochemischen Reaktion mit Hilfe geeigneter zusätzlicher F.inrichlungen durchzuführen.

Hierzu I Blatt /xichiuinucn

Claims

Patentanspruch;

Vorrichtung zur volumetrisehen Bestimmung des biochemischen Sauerstoffbedarfs einer Flüssigkeitsprobe nach dem elektrolytjschen Verfahren, mit einem gegen die Atmosphäre hermetisch abschließbaren Reaktionsgefäß, das mit einem ebenfalls gegen die Atmosphäre hermetisch abgeschlossenen Anodenraum einer elektrolytischen Zelle verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Kathodenraum der Zelle, der mit dem Anodenraum nicht kommuniziert, sondern nur elektrisch leitend mit dem Anodenraum in Verbindung steht, eine graduierte Gasbürette trägt, weiche das bei der elektrolytischen Zersetzung im Kathodenraum entstehende Gas als Maß für den Sauerstoffverbrauch der Flüssigkeitsprobe aufnimmt