DE19547656A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Überprüfung von Flüssigkeiten - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht auf eine Meßvorrichtung und ein Verfahren zur Ermittlung des biologischen Sauerstoffbedarfs und der Zusammensetzung von Flüssigkeiten, insbe­ sondere von 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 oxidativ abzubauen. Bei diesem aeroben Prozeß wird nicht nur Sauerstoff verbraucht, sondern es wird auch eine hierzu proportionale Menge an Biomasse und Wärme erzeugt.

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 ist. 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.

Zur Bestimmung des biologischen Sauerstoffbedarfs sind Meßvorrichtungen bekannt, die einen Bioreaktor aufweisen in dem Mikroorganismen in Form von Bakterien ge­ halten werden. Zur Bestimmung des biologischen Sauerstoffbedarfs wird eine be­ stimmte Menge des zu untersuchenden Abwassers in diesen Bioreaktor eingeleitet. Während die Bakterien die organischen Substanzen im Abwasser abbauen wird Sau­ erstoff verbraucht. Dieser Sauerstoffverbrauch wird von einer Sauerstoffelektrode er­ faßt und dient als Maß für die Menge der im Abwasser enthaltenen biologisch abbau­ baren Substanzen. Toxische Stoffe werden mit dieser Vorrichtung nicht erkannt. Die Überprüfung ist zudem sehr zeitaufwendig.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren aufzuzeigen, mit dem die Zusammensetzung von Abwässern und deren biologischer Sauerstoffbedarf exakter als bisher ermittelt werden kann, sowie eine Vorrichtung zu schaffen, mit der dieses Verfahren schnell und zuverlässig durchführbar ist.

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

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren können nacheinander alle in einer Flüssig­ keit beispielsweise in Abwasser enthaltenen organischen Substanzen ermittelt wer­ den. Zusätzlich kann mit diesem Verfahren der biologische Sauerstoffbedarf des Ab­ wassers exakter als bisher bestimmt werden. Ferner kann mit dem Verfahren festge­ stellt werden, ob in dem Abwasser toxische Stoffe enthalten sind, und ob durch diese das Untersuchungsergebnis verfälscht wird.

Weitere erfinderische Merkmale sind in den abhängigen Ansprüchen gekennzeichnet.

Die Erfindung wird nachfolgend an Hand von schematischen Zeichnungen näher er­ läutert.

Es zeigen:

Fig. 1 eine erfindungsgemäße Meßvorrichtung,

Fig. 2 einen Meßreaktor der Meßvorrichtung gemäß Fig. 1,

Fig. 3 eine Variante des in Fig. 2 gezeigten Meßreaktors.

Fig. 1 zeigt eine Meßvorrichtung 1, die drei in Reihe geschaltete Meßreaktoren 2, 3 und 4, einen Behälter 5 für einer Pufferlösung 6 sowie eine Belüftungseinrichtung 7 aufweist. Die Anzahl der verwendeten Meßreaktoren 2, 3 und 4 ist nicht auf drei be­ schränkt. Sie kann bei Bedarf auch beliebig erhöht werden. Die Meßreaktoren 2, 3, 4 sind zum Weiterleiten von Flüssigkeiten 6, 7 und 10 über Leitungen 2L, 3L mitein­ ander verbunden. Der letzte Meßreaktor 4 der Reihe weist eine Abflußleitung 4A auf, während der erste Meßreaktor 2 der Reihe mit einer Zuleitung 2Z versehen ist, in die eine Pumpe 2P eingebaut ist. Die Zuleitung 2Z ist an den Behälter 5 angeschlossen, der die Pufferlösung 6 enthält. Diese besteht bei dem hier dargestellten Ausführungs­ beispiel aus reinem Wasser. Es kann jedoch auch eine andere hierfür geeignete Flüssigkeit verwendet werden. Die Zuleitung 2Z mündet in die Belüftungseinrichtung 7. Dieser ist über eine Leitung 7L, in die ein Ventil 7V eingebaut ist, eine Standardlö­ sung 9 oder Abwasser 10 zuführbar. Die Standardlösung 9 enthält bei dem hier dar­ gestellten Ausführungsbeispiel organische Substanzen F, G und L. Die verwendeten Meßreaktoren 2, 3 und 4 weisen Signalausgänge 25, 35 und 45 auf, die über elektri­ sche Leitungen 20, 30 und 40 an einen Prozeßrechner 50 mit Anzeigevorrichtung (hier nicht dargestellt) angeschlossen sind. Mit Hilfe der Meßreaktoren 2, 3 und 4 sollen der biologische Sauerstoffbedarf und die Bestandteile des Abwassers 10 exakt bestimmt werden. Die Meßreaktoren 2, 3 und 4 sind so ausgebildet, daß mit ihnen entweder der Sauerstoff gemessen wird, der bei aeroben Prozessen verbraucht wird, oder die Menge an Wärme erfaßt wird, die bei solchen Prozessen erzeugt wird.

Fig. 2 zeigt einen Meßreaktor 2, bei dem die Bakterien (hier nicht dargestellt) auf ei­ ner Membran 55 immobilisiert sind. Darunter ist eine Sauerstoffelektrode 56 ange­ ordnet, die den Sauerstoffverbrauch während der oxidativen Umsetzung organischer Substanzen erfaßt. Wird der verbrauchte Sauerstoff gemessen, so sind alle zu der Meßvorrichtung 1 gehörenden Meßreaktor 2. 3 und 4 in dieser Weise ausgebildet.

An Stelle des verbrauchten Sauerstoffs kann auch die Menge der Wärme gemessen werden, die bei der oxidativen Umsetzung einer organischen Substanz (hier nicht dargestellt) erzeugt wird. In diesem Fall sind die Meßreaktor 2, 3, 4 so ausgebildet wie der in Fig. 3 dargestellte Meßreaktor 2. Im Inneren dieses Meßreaktors 2 ist ein Wärmeflußsensor 60 angeordnet. Dieser weist eine Thermosäule (hier nicht darge­ stellt) auf. Auf der ersten Oberfläche des Wärmeflußsensors 60 ist eine Beschichtung 60B in Form von immobilisierten Bakterien angeordnet. Die Wärme, die von diesen Bakterien bei aeroben Prozessen erzeugt wird, wird von der ersten Oberfläche des Wärmesensors 60 durch seinen Innenbereich zur zweiten Oberfläche geleitet. Die zweite Oberfläche ist nicht beschichtet. Diese Wärme wird von der Thermosäule in ein Spannungssignal gewandelt, das als Meßsignal genutzt wird.

Für die Messungen werden bei dem hier beschriebenen Ausführungsbeispiel drei Gruppen von Bakterien A, B und C eingesetzt. Die Erfindung ist nicht auf diese An­ zahl von Gruppen beschränkt. Vielmehr kann sie beliebig erhöht werden. Die Bakte­ rien A, B und C jeder Gruppe A, B und C sind so konditioniert, daß von ihnen nur eine definierte organische Substanz F, G, C oder eine definierte organische Substanz­ klasse (FF, GG, LL) oxidativ in Wärme und Biomasse umgesetzt werden kann. Die Anzahl der verwendet Gruppen von Bakterien A, B und C richtet sich hier nach der Anzahl der verwendeten Meßreaktoren 2, 3, 4. Erfindungsgemäß wird in jedem Meß­ reaktor 2, 3, 4 nur eine Gruppe von Bakterien A, B und C angeordnet. Bei dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel sind die in dem Meßreaktor 2 enthaltenen Bakte­ rien A so konditioniert, daß sie nur Fructose, die Gruppe B im Meßreaktor 3 nur Glucose und die Gruppe C im Meßreaktor 4 nur Lactose oxidativ in Wärme und Bio­ masse umsetzten können. Ist davon auszugehen, daß in dem zu untersuchenden Abwasser mehr als drei organische Substanzen enthalten sind, so kann die Anzahl der Meßreaktoren in der Reihe beliebig erweitert werden. In jedem dieser zusätz­ lichen Meßreaktoren (hier nicht dargestellt) ist dann in entsprechender Weise eine weitere Gruppe von Bakterien anzuordnen, die auf die Umsetzung einer organischen Substanz konditioniert ist, welche von den bereits eingesetzten Gruppen A, B und C nicht umgesetzt wird.

Ist bei Abwasser, das einer Kläranlage (hier nicht dargestellt) zugeführt wird, der biologische Sauerstoffbedarf und die Bestandteile an organischen Substanzen zu er­ mitteln, wird in den Meßreaktor 2 zunächst eine Standardlösung 9 gefüllt, die z. B. Fructose, Glucose und Lactose enthält. Die Standardlösung 9, wird zuvor durch die Belüftungseinrichtung geleitet und mit Sauerstoff angereichert. Die Bakterien A, die auf Fructose konditioniert sind, setzen diese in Wärme und Biomasse um, wobei Sauerstoff verbraucht wird. Je nach dem wie der Meßreaktor 2 ausgebildet ist, wer­ den der dabei verbrauchte Sauerstoff oder die dabei erzeugte Wärme gemessen, das Meßsignal S21 dem Prozeßrechner 50 zugeführt und dort für die Auswertung gespei­ chert. Nach einer Verweilzeit von drei bis fünf Minuten wird die Standardlösung 9 in den Meßreaktor 3 weitergeleitet. Dieses kann dadurch erfolgen, daß in den Meßreak­ tor 2 von der Pufferlösung 6 gepumpt und die Standardlösung 9 damit in den Meßre­ aktor 3 gedruckt wird. Nach einer Verweilzeit von weiteren drei bis fünf Minuten wäh­ rend derer die Bakterien B in dem Meßreaktor 3 die in der Standardlösung 9 enthal­ tene Glucose G umgesetzt haben, und das dabei ermittelte Meßsignal S31 in dem Prozeßrechner 50 gespeichert ist, wird die Pufferlösung 6 aus von dem Meßreaktor 2 in den Meßreaktor 3 weitertransportiert. Das kann dadurch erfolgen, daß in den Meß­ reaktor 2 zusätzlich Pufferlösung gepumpt wird. Nach weiteren drei bis fünf Minuten, in denen die Bakterien C in dem Meßreaktor 3 die in der Standardlösung 9 enthaltene Lactose umgesetzt haben und das dabei ermittelte Meßsignal S41 ebenfalls in dem Prozeßrechner 50 gespeichert ist, werden die drei Meßreaktoren 2, 3 und 4 vollständig geleert, wobei die Pufferlösung 6 über die Abflußleitung 4A aus den drei Meßreaktoren 2, 3 und 4 gepumpt wird. In den leeren Meßreaktor 2 wird nun das zu untersuchende Abwasser 10 gepumpt. Es wird zuvor ebenfalls durch die Belüftungseinrichtung 7 geleitet und mit Sauerstoff angereichert. Zusätzlich wird das Abwasser 10 noch mit Pufferlösung so verdünnt, daß im Abwasser 10 nur eine solche Menge an organi­ schen Substanzen F, G, und L enthalten ist, die vollständig von den Bakterien A bzw. B bzw. C umgesetzt werden kann. Damit wird auch sichergestellt, daß die dem Ab­ wasser zugesetzte Menge an Sauerstoff für die Umsetzung dieser organischen Sub­ stanzen F, G und L ausreicht. Das im Meßreaktor 2 bei der Umsetzung ermittelte Meßsignal A1 wird ebenfalls in dem Prozeßrechner 50 gespeichert. Das Abwasser 10 wird nach drei bis fünf Minuten mit Hilfe der Pufferlösung 6 aus dem Meßreaktor 2 in den Meßreaktor 3 gedruckt. Nach der Ermittlung und Speicherung des Meßsignals A3 wird das Abwasser 10 in den Meßreaktor 4 weitergeleitet und das dort ermittelte Meß­ signal A4 ebenfalls an den Prozeßrechner 50 weitergeleitet. Im Anschluß wird das Abwasser 10 auch aus dem Meßreaktor 4 mit Hilfe der Pufferlösung 6 entfernt. An­ schließend wird auch die Pufferlösung 6 über die Ableitung 4A aus den Meßreaktoren 2, 3 und 4 vollständig entfernt. Nun wird den Meßreaktoren 2, 3 und 4 nacheinander nochmals, wie bereits oben beschrieben, Standardlösung 9 zugeführt. Die dabei er­ mittelten Meßsignale S22, S32, S42 werden wiederum in dem Prozeßrechner 50 ge­ speichert. Die Meßreaktoren 2, 3 und 4 werden daraufhin wieder geleert. In dem Pro­ zeßrechner 50 werden die gespeicherten Meßsignale S21 und S22, S31 und S32 sowie die S41 und S42 miteinander verglichen. Sind diese Werte gleich oder weisen sie nur geringe Abweichungen auf, so enthält das Abwasser keine toxischen Bestand­ teile. Sind die Abweichungen <1%, so enthält das Abwasser 10 neben organischen Substanzen auch toxische Stoffe. Diese töten die Bakterien A, B und C ab oder min­ dern ihre Atmungsaktivität, so daß in einem solchen Fall die Werte der Meßsignale S22, S32 und S42 kleiner sind als die der Meßsignale S21, S31 und S41. Sind keine toxischen Stoffe in Abwasser 10 enthalten, so ergibt die Summe aus den Werten der Meßsignale A1, A2 und A3 eine exakte Aussage über den biologischen Sauerstoff­ bedarf des Abwassers 10. Sind die Meßsignale A1, A2 und A3 zudem alle ungleich null, so sind in dem Abwasser 10 Fructose, Glucose und Lactose enthalten. Ist eines der Meßsignale A1, A2, A3 null, so ist die hierzu gehörige organische Substanz F, G, L nicht im Abwasser enthalten.

Claims (8)

1. Meßvorrichtung zur Ermittlung des biologischen Sauerstoffbedarfs und der Zusammensetzung von Flüssigkeiten, insbesondere von Abwässern mit wenigstens einem Meßreaktor (2, 3, 4), der Mikroorganismen (A, B, C) für die Durchführung aero­ ber Prozesse enthält, dadurch gekennzeichnet, daß zwei oder mehrere Meßreaktoren (2, 3, 4) so hintereinander geschaltet sind, daß eine dem ersten Meßreaktor (2) zu­ führbare Flüssigkeit (6, 9, 10) dem letzten Meßreaktor (4) der Reihe entnehmbar ist, und daß mit jedem Meßreaktor (2, 3, 4) die bei aeroben Prozessen entstehende Wärme und/oder der Sauerstoffverbrauch meßbar ist.

2. Meßvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Meßreaktor (2, 3, 4) mit wenigstens einer Sauerstoffelektrode (56) und/oder einem Wärmesensor (60) ausgerüstet ist, und daß die Signalausgänge (2S, 3S und 4S) der Meßreaktoren (2, 3, 4) über elektrische Leitungen (20, 30, 40) an einen Prozeß­ rechner (50) angeschlossen sind.

3. Meßvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ net, daß in jedem Meßreaktor (2, 3, 4) nur jeweils eine definierte organische Substanz (F, G, L) oder eine definierte organische Substanzklasse (FF, GG, LL) von den im Meßreaktor (2, 3, 4) enthaltenen Mikroorganismen in Form von Bakterien (A, B, C) in Wärme und Biomasse umsetzbar ist, und daß die Bakterien (A, B, C) auf einer Mem­ bran (55) oder als Beschichtung (60B) innerhalb des Meßreaktors (2, 3, 4) ange­ ordnet sind.

4. Meßvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeich­ net, daß jeweils zwei benachbarte Meßreaktoren (2 und 3 bzw. 3 und 4) über eine Zuleitung (2L, 3L) miteinander verbunden sind, und daß der letzte Meßreaktor (2, 3, 4) der Reihe mit einer Abflußleitung (4A) versehen ist.

5. Meßvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeich­ net, daß die Zuleitung (2Z) des ersten Meßreaktors (2) der Reihe, in die wenigstens eine Pumpe (2P) integriert ist, an einen Behälter (5) mit Pufferlösung (6) und eine Be­ lüftungseinrichtung (7) angeschlossen ist, und daß in die Belüftungseinrichtung (7) über eine Zuleitung (7L) in die ein Ventil (7V) eingebaut ist, Abwasser (10) oder eine Standardlösung (9) einleitbar ist.

6. Verfahren zur Ermittlung des biologischen Sauerstoffbedarfs und der Zu­ sammensetzung von Flüssigkeiten insbesondere von Abwässern, wobei zur Umset­ zung der organischen Substanzen Mikroorganismen in Form von Bakterien (A, B, G) verwendet werden, die bei der Umsetzung Sauerstoff verbrauchen und Wärme und Biomasse erzeugen, dadurch gekennzeichnet, daß zwei oder mehrere Gruppen von Bakterien (A, B, C), von denen jede nur auf die Umsetzung einer definierten orga­ nischen Substanz (F, G, L) oder einer definierten organischen Substanzklasse (FF, GG, LL) in Wärme und Biomasse konditioniert ist, zunächst nach einander dieselbe mit Sauerstoff durchmischte Standardlösung (9) zugeführt wird, daß der Sauerstoff­ verbrauch und/oder die von jeder Gruppe von Bakterien (A, B, C) erzeugte Wärme gemessen und diese Meßsignale (S21, S31, S41) gespeichert werden, daß anschlie­ ßend jeder Gruppe von Bakterien (A, B, C) nacheinander dasselbe mit Sauerstoff durchmische Abwasser (10) zugeführt und wieder der Sauerstoffverbrauch und/oder die von jeder Gruppe von Bakterien (A, B, C) erzeugte Wärme gemessen und diese Meßsignale (A1, A2, A3) gespeichert werden, daß jeder Gruppe von Bakterien (A, B, C) daraufhin nochmals nacheinander mit Sauerstoff durchmischte Standardlösung (9) zugeführt und wiederum der Sauerstoffverbrauch und/oder die von jeder Gruppe von Bakterien (A, B, C) erzeugte Wärme gemessen und diese Meßsignale (S22, S32, S42) gespeichert werden, daß die aus der zweimaligen Zuführung von Standardlö­ sung (9) resultierenden Meßsignale (S21 und S22, S31 und S32, S41 und S42) ver­ glichen und bei Gleichheit oder nur geringer Abweichung jedes aus dem Abwasser ermittelte Meßsignal (A1, A2, A3) für sich als Mengenangabe für eine im Abwasser (10) enthaltene organische Substanz (F, G, L) oder Substanzklasse (FF, GG, LL) an­ gezeigt und die Gesamtsumme der aus diesen Meßsignalen (A1, A2 und A3) ermittel­ ten Werte den biologischer Sauerstoffbedarf des Abwassers (10) bildet und ebenfalls angezeigt wird, und daß bei einer Abweichung von <1% zwischen den Werten der Meßsignale (S21 und S22, S31 und S32, S41 und S42) das Vorhandensein toxischer Bestandteile im Abwasser (8) angezeigt wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens zwei Gruppen von Bakterien (A, B, C) verwendet werden, von denen jeder auf die Umsetzung einer definierten organischen Substanz (F, G, L) oder einer definierten organischen Substanzklasse (FF, GG, LL) konditioniert ist, und daß eine Standardlö­ sung (9) verwendet wird, die für jede Gruppe von Bakterien (A, B, C) wenigstens eine umsetzbare organische Substanz (F, G, L) oder organische Substanzklasse (FF, GG, LL) enthält.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Menge der den Bakterien (A, B, C) mit der Standardlösung (9) oder dem Ab­ wasser (10) zugeführten organischen Substanzen (F, G, L) oder definierten organi­ schen Substanzklassen (FF, GG, LL) nur so groß ist, daß alle zugeführten orga­ nischen Substanzen (F, G L) oder definierten organischen Substanzklassen (FF, GG, LL) vollständig in Wärme und Biomasse umgesetzt werden.