DE19547655A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Überprüfung von Flüssigkeiten - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht auf eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Ermittlung des bio­ logischen Sauerstoffbedarfs sowie toxischer Bestandteile in Flüssigkeiten, insbeson­ dere in Abwässern gemäß dem Oberbegriff der Patentansprüche 1 und 6.

Die in Flüssigkeiten, insbesondere in Abwässern enthaltenen organischen Substan­ zen können mit Hilfe von Mikroorganismen abgebaut werden. Bei diesem aeroben Prozeß wird Sauerstoff verbraucht. Der biologische Sauerstoffbedarf, kurz auch BSB genannt, ist eine die Qualität des Abwassers kennzeichnende Größe. Sie gibt den Gehalt an organischen Substanzen im Wasser an, die biologisch abbaubar sind. Der BSB ist definiert als die Menge an Sauerstoff, welche von Mikroorganismen benötigt wird, um die im Wasser enthaltenen organischen Substanzen bei 20°C oxidativ abzu­ bauen. Bei diesem aeroben Prozeß wird nicht nur Sauerstoff verbraucht, sondern es wird auch eine hierzu proportionale Menge an Biomasse und Wärme erzeugt.

Zur Bestimmung des biologischen Sauerstoffbedarfs sind Vorrichtungen bekannt, die einen Meßreaktor aufweisen in dem Mikroorganismen in Form von Bakterien gehalten werden. Zur Bestimmung des biologischen Sauerstoffbedarfs wird eine bestimmte Menge des zu untersuchenden Abwassers in diesen Meßreaktor eingeleitet. Wäh­ rend die Bakterien die organischen Substanzen im Abwasser abbauen wird Sauer­ stoff verbraucht. Dieser Sauerstoffverbrauch wird von einer Sauerstoffelektrode erfaßt und dient als Maß für die Menge der im Abwasser enthaltenen biologisch abbaubaren Substanzen.

Neben den organischen Substanzen können im Abwasser auch toxische Bestandteile enthalten sein. Durch diese Bestandteile wird die Atmungsaktivität der Mikroorganis­ men reduziert oder sie werden hierdurch vollständig abgetötet. Bei einer reduzierten Atmungsaktivität der Mikroorganismen wird weniger Sauerstoff verbraucht und damit eine geringere Menge an biologisch abbaubaren Substanzen angezeigt als tatsäch­ lich vorhanden. Ein ähnlicher Effekt tritt auf, wenn den Bakterien über längere Zeit Abwasser mit der gleichen Zusammensetzung zugeführt wird. Die Bakterien sind dann an die Abwasserzusammensetzung adaptiert und nicht in der Lage, neu hinzu­ kommende organische Substanzen schnell umzusetzen. Es dauert einige Stunden, in Extremfällen Tage, bis sich die adaptierte Bakterienpopulation in dem Meßreaktor auf neue Stoffe eingestellt hat und in der Lage ist, diese in Biomasse und Wärme um­ setzt. Damit vergeht viel Zeit bis über den Sauerstoffverbrauch oder die Wärmepro­ duktion der Bakterien die neuen Wasserinhaltsstoffe nachweisbar sind. Bei einem ge­ planten Einsatz eines solchen Gerätes zur Prozeßüberwachung und -kontrolle, bei­ spielsweise in Kläranlagen, ist es aber gerade wichtig, die schnellen Änderungen der Wasserzusammensetzung zu erkennen. Dies ist mit den bekannten Meßgeräten nicht oder nur unvollkommen möglich.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren aufzuzeigen, mit dem der biologische Sauerstoffbedarf sowie toxische Bestandteile in Flüssigkeiten, insbeson­ dere in Abwässern mit ständig sich ändernder Zusammensetzung, schnell und exakt ermittelt werden können, sowie eine Vorrichtung zu schaffen, mit der dieses Ver­ fahren schnell und zuverlässig durchgeführt werden kann.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der Patentansprüche 1 und 6 gelöst.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahrens werden für die Umsetzung von organischen Substanzen in Biomasse und Wärme hierfür geeignete Bakterien gezüchtet und auf alle in Abwässern vorkommenden organischen Substanzen konditioniert. Einer de­ finierten Menge dieser Bakterien wird eine Standardlösung zugeführt und der Sauer­ stoffverbrauch der Bakterien beim Umsetzen der in der Standardlösung enthaltenen organischen Substanzen gemessen und dieser Wert gespeichert. Anschließend wird einer weiteren Menge von Bakterien zu untersuchendes Abwasser zugeführt, der Sauerstoffverbrauch dieser Bakterien gemessen und dieser Wert gespeichert. Den zuletzt verwendeten Bakterien wird nach dem Entfernen des Abwassers wieder Stan­ dardlösung zugeführt und der Sauerstoffverbrauch dieser Bakterien dabei gemessen. Anschließend wird die Differenz zwischen dem Meßwert der ersten Messung und der letzten Messung gebildet. Ist die Differenz null oder kleiner 1%, so ist die Menge an verbrauchtem Sauerstoff, die bei der Untersuchung des Abwassers gemessen wurde, zu der Menge des biologischen Sauerstoffbedarfs in diesem Abwasser proportional. Ist die Differenz der Meßwerte jedoch größer 1%, so haben toxische Stoffe, die im Abwasser enthalten sind, die Atmungsaktivität der Bakterien reduziert oder diese ganz abgetötet. In diesem Fall wird angezeigt, daß toxische Stoffe im Abwasser ent­ halten sind.

Die zur Durchführung des Verfahrens verwendete Vorrichtung besteht einem Meßre­ aktor und einen Brutreaktor. In diesem werden die Bakterien gezüchtet und auf alle in Abwässern vorkommenden organischen Substanzen konditioniert. Für die Untersu­ chungen von Abwässern werden definierte Mengen dieser Bakterien aus dem Brutre­ aktor in den Meßreaktor eingeleitet.

Weitere erfinderische Merkmale sind in den abhängigen Ansprüchen gekennzeichnet.

Die Erfindung wird nachfolgend an Hand einer schematischen Zeichnung näher erläu­ tert.

Die einzige zur Beschreibung gehörige Fig. zeigt eine Vorrichtung, die im wesent­ lichen einen Meßreaktor 2 und einen Brutreaktor 3 umfaßt. Der Meßreaktor 2 ist mit einer Belüftungseinrichtung 4, einer Sauerstoffelektrode 5, einer Zuleitung 6 und ei­ nem Abfluß 7 versehen. Über die Zuleitung 6 kann dem Meßreaktor 2 Abwasser 8, Standardlösung 9 mit genau definierter Zusammensetzung oder eine Pufferlösung 13, die beispielsweise aus reinem Wasser besteht, zugeführt werden. Der Brutreaktor 3 weist eine Zuleitung 10 auf. Er ist über eine Leitung 11, in die eine Pumpe 11P und ein Separator 15 eingebaut ist, mit dem Meßreaktor 2 verbunden. In dem Brutreaktor 3 werden Bakterien 30 gehalten, die in der Lage sind, biologisch abbaubare orga­ nische Substanzen 12A in Biomasse und Wärme umzusetzen. Bei diesem aeroben Prozeß wird Sauerstoff verbraucht wird. Dieser kann dem Brutreaktor 3 über die Be­ lüftungseinrichtung 16 zugeführt werden. Der Brutreaktor 3 wird über die Zuleitung 10 mit einer Flüssigkeit 12 versorgt. Es handelt sich dabei um Wasser 12, das alle be­ kannten organischen Substanzen 12A enthält, die in Abwässern vorkommen können. Hierdurch wird erreicht, daß die Bakterien 30 sich nicht an eine bestimmte Abwasser­ zusammensetzung anpassen. Sie sind damit in der Lage, auf jede Abwasserzusam­ mensetzung zu reagieren.

Ist bei Abwasser 8, das beispielsweise in eine Kläranlage (hier nicht dargestellt) ein­ geleitet werden soll, der biologische Sauerstoffbedarf zu ermitteln und das Vorhan­ densein von toxischen Stoffen zu prüfen, so wird dem leeren Meßreaktor 2 eine de­ finierte Menge an Bakterien 30 aus dem Brutreaktor 3 über die Leitung 11 zugeführt. Mit Hilfe des Separators 15 werden die Bakterien 30 von Lösung 12 abgetrennt, die sich zusammen mit den Bakterien 30 in dem Brutreaktor 3 befindet, und dem Meßre­ aktor 2 zugeführt. Daraufhin wird der Meßreaktor 2 mit der Pufferlösung 13 soweit aufgefüllt, daß er etwa zu einem Viertel gefüllt ist. Anschließend wird dem Meßreaktor 2 über die Belüftungseinrichtung 4 Sauerstoff zugeführt. Daraufhin wird er mit der Standardlösung 9 vollständig aufgefüllt. Bei der Standardlösung 9 handelt es sich bei dem hier beschriebenen Ausführungsbeispiel um Abwasser mit einer genau definier­ ter Zusammensetzung. Es kann selbstverständliche auch eine andere Standardlö­ sung 9 verwendet werden. Mit Hilfe der Sauerstoffelektrode 5 wird der Sauerstoffver­ brauch in dem Meßreaktor 2 gemessen. Die hier verwendete Sauerstoffelektrode 5 arbeitet elektrochemisch. Es kann auch eine optisch arbeitende Sauerstoffelektrode verwendet werden. Beide Elektrodentypen werden hier nicht näher beschrieben da sie aus dem Stand der Technik bekannt sind. Das Meßsignal S1 der Sauerstoffelek­ trode 5 wird einem Prozeßrechner 20 zur Speicherung und Auswertung zugeführt. Zu diesem Zweck ist der Signalausgang der Sauerstoffelektrode 5 über einen Analog/Di­ gital-Wandler 18 an der Prozeßrechner 20 angeschlossen. Nach dieser Messung wird der Meßreaktor 2 vollständig geleert. Innerhalb von ein bis drei Minuten nach dieser Messung wird der Meßreaktor 2 wieder mit der gleichen Menge an Bakterien 30 und der gleichen Menge an Pufferlösung gefüllt und mit Sauerstoff versorgt, wie das bei der ersten Messung geschehen ist. Nun wird der Meßreaktor 2 mit dem zu untersuchenden Abwasser 8 aufgefüllt. Anschließend wird der biologische Sauerstoff­ bedarf des Abwassers 8 gemessen. Das Meßsignal B1 der Sauerstoffelektrode 5 wird im Prozeßrechner 20 gespeichert. Im Anschluß daran wird der Meßreaktor 2 soweit entleert, daß nur die Bakterien 30 zurückbleiben. Anschließend wird in den Meßreak­ tor 2 wieder die oben angegebene Menge an Pufferlösung 13 gefüllt und Sauerstoff eingeleitet. Daraufhin wird der Meßreaktor 2 mit der Standardlösung 9 vollgefüllt und der Sauerstoffverbrauch gemessen. Das Meßsignal S2 wird ebenfalls gespeichert und mit dem Meßsignal S1 verglichen, das bei der ersten Messung mit der Standard­ lösung ermittelt wurde. Besteht zwischen den Werten S1 und S2 keine oder nur eine geringe Differenz, so stellt der Wert des Meßsignals B1 den tatsächlichen biologi­ schen Sauerstoffbedarf des Abwassers 8 dar. Ist die Abweichung zwischen den Wer­ ten der beiden Meßsignale S1 und S2 größer als 1%, so enthält das untersuchte Ab­ wasser 8 neben organischen Substanzen 8A, die biologisch abbaubar sind, auch tox­ ische Stoffe (hier nicht dargestellt), welche die Atmungsaktivität der Bakterien 30 re­ duziert oder diese abgetötet haben. Deshalb weist das Meßsignal S2 einen kleineren Wert als das Meßsignal S1 auf. In diesem Fall wird angezeigt, daß in dem Abwasser 8 toxische Stoffe enthalten sind und die Messungen zu wiederholen sind.

Claims (7)

1. Vorrichtung zur Ermittlung des biologischen Sauerstoffbedarfs sowie toxischer Bestandteile in Flüssigkeiten, insbesondere in Abwässern (8) mit wenig­ stens einem Meßreaktor (2), dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein Bioreaktor (3) und mindestens ein Meßreaktor (2) mit einer Sauerstoffelektrode (5), vorgesehen sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Brutreak­ tor (3) zur Züchtung und Konditionierung von Bakterien (30) vorgesehen ist, die or­ ganische Substanzen unter Verbrauch von Sauerstoff in Wärme und Biomasse um­ setzen.

3. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß dem Brutreaktor (3) über eine Leitung (12) alle in Abwässern vorkommenden or­ ganischen Substanzen (12A) zuführbar sind, und daß in den Meßreaktor (2) definier­ te Mengen dieser Bakterien (30) über eine Leitung (11), in die eine Pumpe (11P) und ein Separator (15) eingebaut sind, einleitbar sind.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß dem Meßreaktor (2) Abwasser (8), eine Pufferlösung (13) und/oder eine Stan­ dardlösung (9) zuführbar sind, und daß der Signalausgang des Meßreaktors (2) an einen Prozeßrechner (20) angeschlossen ist.

5. Vorrichtung, nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßreaktor (2) und der Brutreaktor (3) mit mindestens je einer Belüftungsein­ richtung (4, 16) für die Zufuhr von Sauerstoff versehen sind.

6. Verfahren zur Ermittlung des biologischen Sauerstoffbedarfs sowie toxischer Bestandteile in Flüssigkeiten, insbesondere in Abwässern (8), dadurch ge­ kennzeichnet, daß für aerobe Prozesse verwendbare Bakterien (30) gezüchtet und auf alle in Abwässern (8) vorkommenden organischen Substanzen konditioniert wer­ den, daß einer definierten Menge dieser Bakterien (30) eine Standardlösung (9) zu­ geführt, der Sauerstoffverbrauch der Bakterien (30) gemessen und dieser Wert (S1) gespeichert wird, daß innerhalb von ein bis drei Minuten einer weiteren definierten Menge von Bakterien (30) Abwasser (8) zugeführt, der Sauerstoffverbrauch dieser Bakterien (30) gemessen und dieser Wert (B1) gespeichert wird, daß den zuletzt ver­ wendeten Bakterien (30) nach dem Entfernen des Abwassers wieder Standardlösung (9) zugeführt, der Sauerstoffverbrauch dieser Bakterien (30) gemessen und dieser Wert (S2) mit dem Wert (S1) verglichen und bei Gleichheit oder nur geringer Abwei­ chung der Wert (B1) als biologischer Sauerstoffbedarf des Abwassers (8) oder bei ei­ ner Differenz der Signale von größer 1% das Vorhandensein toxischer Bestandteile im Abwasser (8) angezeigt wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, das den Bakterien (30) als Standardlösung (9) Abwasser, das bekannte organische Substanzen (9A) enthält, zugeführt wird.