DE19547657A1 - 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 7.

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.

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 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 und schneller als bisher ermittelt werden kann, sowie eine Vorrichtung zu schaffen, mit der dieses Verfahren auf einfache Weise durchführbar ist.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der Patentansprüche 1 und 7 gelöst.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren können alle in einer Flüssigkeit beispiels­ weise in Abwasser enthaltenen organischen Substanzen einzeln und gleichzeitig ermittelt und auch gleichzeitig angezeigt werden. Für die Untersuchung werden etwa neun Minuten benötigt. In dieser Zeit wird neben den organischen Substanzen auch noch der biologisch Sauerstoffbedarf exakt ermittelt. Ferner kann mit diesem Ver­ fahren festgestellt werden ob in dem Abwasser toxische Stoffe enthalten sind, und ob durch diese das Untersuchungsergebnis verfälscht wurde.

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,

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

Fig. 1 zeigt eine Meßvorrichtung 1, die drei 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 beschränkt. Sie kann bei Bedarf auch beliebig erhöht werden. Jeder dieser Meßreaktoren 2, 3, 4 weist eine Zuleitung 2L, 3L, 4L auf, über die Flüssigkeiten 6, 9 und 10 in die Meßreaktor 2, 3 und 4 eingeleitet werden können. Jeder der Meßreaktoren 2, 3, 4 ist zudem mit einer Abflußleitung 2A, 3A, 4A versehen, über welche die Flüssigkeiten aus den Meßreak­ toren 2, 3, 4 entfernt werden. Die drei Zuleitungen 2L, 3L, 4L sind über eine gemein­ same Versorgungsleitung 8 in die eine Pumpe 8P eingebaut ist, an den Behälter 5, der die Pufferlösung 6 enthält, und die Belüftungseinrichtung 7 angeschlossen. Die Pufferlösung 6 besteht bei dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel aus reinem Wasser. Es kann jedoch auch eine andere hierfür geeignete Flüssigkeit verwendet werden. Der Belüftungseinrichtung 7 kann über eine Zuleitung 7L, in die ein Ventil 7V eingebaut ist eine Standardlösung 9 oder Abwasser 10 zugeführt werden. Die Standardlösung 9 enthält bei dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel organische Substanzen F, G und L. Die Meßreaktoren 2, 3 und 4 weisen Signalausgänge 2S, 3S und 4S auf, die über elektrische Leitungen 20, 30 und 40 an einen Analog-/Digital­ wander 45 angeschlossen sind, dem eine Signalverarbeitungseinheit 50 mit Anzeige­ vorrichtung (hier nicht dargestellt) zur Auswertung der Meßsignale nachgeschaltet ist. Die Signalverarbeitungseinheit 50 ist als neuronales Netze ausgebildet. Solche Netze sind aus dem Stand der Technik bekannt. Es handelt sich hierbei um die Anordnung von Prozessoren in verschiedenen Schichten. Die Prozessoren werden in Abhängig­ keit von Eingangssignalen aktiviert, wobei die Eingangssignale von außen oder von anderen Prozessoren kommen können. Jedes Signal trägt über seinen individuellen Gewichtsfaktor zur Aktivierung des Prozessors bei. Bei Erreichen eines definierten Schwellwerts gibt der Prozessor sein Ausgangssignal weiter. In Abhängigkeit von sei­ ner Funktion innerhalb des neuronalen Netzes und abhängig von den verschiedenen eingehenden Signalen kann der Prozessor eine die Ausgangssignale verstärkende oder abschwächende Wirkung haben. Mit Hilfe der Meßreaktoren 2, 3 und 4 werden der biologische Sauerstoffbedarf und die Bestandteile des Abwassers 10 bestimmt. Die Meßreaktoren 2, 3 und 4 sind so ausgebildet, daß mit ihnen entweder der Sauer­ stoff 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. Werden die Meßsignale aus dem verbrauchten Sauerstoff ermit­ telt so werden alle zu der Meßvorrichtung 1 gehörenden Meßreaktoren 2, 3 und 4 so ausgebildet wie der in Fig. 2 dargestellte Meßreaktor 2.

An Stelle des verbrauchten Sauerstoffs kann zur Ermittlung der Meßsignale auch die Menge der Wärme gemessen werden, die bei der oxidativen Umsetzung einer orga­ nischen Substanz (hier nicht dargestellt) erzeugt wird. In diesem Fall sind die Meßre­ aktor 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 dargestellt) auf. Auf der ersten Oberfläche des Wärmefluß­ sensors 60 ist eine Beschichtung 60B in Form von immobilisierten Bakterien angeord­ net. 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 Wär­ me 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 jeder Gruppe A, B und C sind so konditioniert, daß sie entweder nur eine defi­ nierte Gruppe organischer Substanzen FF, GG, CC oder nur jeweils eine definierte organische Substanz F, G, C oxidativ in Wärme und Biomasse umsetzen können. Die Anzahl der verwendeten 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 beliebig erhöht werden. Es muß nur sichergestellt werden, daß je­ dem zusätzlichen Meßreaktor gleichzeitig mit den anderen Meßreaktoren 2, 3, 4 Standardlösung, Abwasser oder Pufferlösung zuführbar ist. 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.

Sind bei dem Abwasser 10, daß einer Kläranlage (hier nicht dargestellt) zugeführt wird, der biologische Sauerstoffbedarf und die Zusammensetzung zu ermitteln, wird zuerst in alle Meßreaktoren 2, 3 und 4 gleichzeitig eine Standardlösung 9 gefüllt, die z. B. Fructose, Glucose und Lactose enthält. Die Menge an Fructose, Glucose und Lactose ist so gewählt, daß je eine dieser organischen Substanzen in je einem der Meßreaktoren 2, 3, 4 vollständig umgesetzt werden kann, wenn die Aktivität der Bak­ terien A, B, C nicht durch toxische Stoff reduziert ist. Die Standardlösung 9, wird zu­ vor durch die Belüftungseinrichtung 7 geleitet und mit einer für die aeroben Prozesse erforderlichen Menge an Sauerstoff angereichert. Die Bakterien A im Meßreaktor 2 setzen die Fructose, die Bakterien B im Meßreaktor 3 setzen die Glucose und die Bakterien C im Meßreaktor 4, die auf Lactose konditioniert sind, setzen diese in Wärme und Biomasse um, wobei Sauerstoff verbraucht wird. Je nach dem wie die Meßreaktor 2, 3 und 4 ausgebildet sind, werden der dabei verbrauchte Sauerstoff oder die erzeugte Menge an Wärme gemessen. Die Meßsignale S21, S31 und S41 werden an das neuronale Netz 50 zur Auswertung weitergeleitet. Falls es erforderlich ist, kann wie Fig. 1 zeigt zwischen die Signalausgänge 2S, 3S und 4S der Meßreak­ toren 2, 3 und 4 und das neuronale Netz 50 ein Analog-/Digitalwandler 45 geschaltet werden. Nach etwa zwei bis drei Minuten werden die drei Meßreaktor 2, 3 und 4 ent­ leert. Damit keine Reste der Standardlösung 9 zurückbleiben werden die Meßreak­ toren 2, 3 und 4 mit Pufferlösung 6 vollgepumpt und dann wieder geleert.

In die leeren Meßreaktoren 2, 3 und 4 wird nun das zu untersuchende Abwasser 10 gepumpt. Dieses 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 organischen Substanzen enthalten ist, die vollständig von den Bakterien A bzw. B bzw. C umgesetzt werden können. Damit wird auch sichergestellt, daß die dem Abwasser zugesetzte Menge an Sauerstoff für die Umsetzung dieser organischen Substanzen ausreicht. Die in den Meßreaktoren 2, 3 und 4 jetzt ermittelten Meßsignale A2, A3 und A4 werden ebenfalls zur Auswertung an das neuronale Netz 50 weitergeleitet. Nach etwa zwei bis drei Mi­ nuten werden die Meßreaktoren 2, 3 und 4 wieder geleert und mit Pufferlösung 6 ge­ reinigt.

Nun wird in die Meßreaktoren 2, 3 und 4 noch einmal wie bereits oben beschrieben, Standardlösung 9 eingefüllt. Die dabei ermittelten Meßsignale S22, S32, S42 werden auch wieder an das neuronale Netz 50 zur Auswertung weitergeleitet. Die Meßreak­ toren 2, 3 und 4 werden daraufhin wieder geleert und gereinigt.

Mit Hilfe des neuronalen Netzes 50 werden die Meßsignale ausgewertet. Das neuro­ nale Netz 50 wird vor den Messungen und Auswertungen darauf trainiert, aus be­ stimmten Mustern den jeweiligen Betrag des biologischen Sauerstoffbedarfs und die Anteile der einzelnen organischen Substanzen F, G, C, bzw. der Substanzklassen FF, GG, CC, zu ermitteln. Hierfür werden entweder Testwerte oder die Signaldifferenzen S21-A2, S31-A3, S41-A4, die aus den Meßsignalen S2, S3, S4 und A2, A3, A4 der ersten und zweiten Messung gebildet werden, verwendet. Die Methode wie ein neu­ ronales Netz durch eine Reihe von Kalibriermessungen während einer sogenannten Einlernphase trainiert wird, und wie mit seiner Hilfe dann aus den Eingangssignal­ mustern die zu bestimmenden Ausgangssignale erzeugen werden, ist aus dem Stand der Technik bekannt und wird hier nicht näher beschrieben.

Sind die Signaldifferenzen S21-S22, S31-S32, S41-S42 null oder sind die Abwei­ chung kleiner 1%, so ist die Funktionstüchtigkeit der Bakterien A, B, C gegeben und die Meßergebnisse der Abwasseruntersuchung sind gültig. Im anderen Falle steht fest, daß im untersuchten Abwasser toxische Stoffe enthalten sind, welche die At­ mungsaktivität der Bakterien A, B, C in einem oder allen Meßreaktoren 2, 3, 4 redu­ ziert oder die Bakterien A, B, C in allen Meßreaktoren 2, 3, 4 abgetötet haben.

Sind keine toxischen Stoffe in Abwasser 10 enthalten, so stellen die Werte der Meß­ signale A2, A3, und A4 die Einzelbeträge des biologischen Sauerstoffbedarf dar, die in den jeweiligen Meßreaktoren 2, 3 und 4 ermittelten wurden. Die Summe aus diesen Werten gibt eine exakte Aussage über den biologischen Sauerstoffbedarf des Ab­ wassers 10 wieder.

Sind die Meßsignale A1, A2 und A3 zudem alle ungleich null, so sind in dem Ab­ wasser 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 (9)

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) gleichzeitig dieselbe Flüssigkeit (6, 9, 10) zuführbar und in jedem Meßreaktor (2, 3, 4) die bei aeroben Prozessen entstehende Wärme und/oder der Sauerstoffver­ brauch 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 wenigstens eine Si­ gnalverarbeitungseinheit (50) angeschlossen sind.

3. Meßvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch jeder Meßre­ aktor (2, 3, 4) mit wenigstens einer Sauerstoffelektrode (56) und/oder einem Wärme­ sensor (60) ausgerüstet ist, und daß die Signalausgänge (2S, 3S und 4S) der Meßre­ aktoren (2, 3, 4) über elektrische Leitungen (20, 30, 40) an ein neuronales Netz (50) angeschlossen sind.

4. Meßvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeich­ net, daß in jedem Meßreaktor (2, 3, 4) nur jeweils eine definierte organische Substanz (F, G, L) oder nur 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.

5. Meßvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeich­ net, daß jeder Meßreaktor (2, 3, 4) über eine Zuleitung (2L, 3L, 4L) an eine Belüf­ tungseinrichtung (7) und an einen Behälter (5) mit Pufferlösung (6) angeschlossen ist, und daß jeder Meßreaktor (2, 3, 4) mit einer Abflußleitung (2A, 3A, 4A) versehen ist.

6. Meßvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeich­ net, daß zwischen die Zuleitungen (2L, 3L, 4L) und den Behälter (5) bzw. die Belüf­ tungseinrichtung (7) eine Versorgungsleitung (8) mit integrierter Pumpe (8P) geschaltet 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.

7. Verfahren zur Ermittlung des biologischen Sauerstoffbedarfs und der Zusammen­ setzung von Flüssigkeiten, insbesondere von Abwässern, wobei zur Umsetzung der organischen Substanzen Mikroorganismen in Form von Bakterien (A, B, C) verwendet werden, die bei der Umsetzung Sauerstoff verbrauchen und Wärme und Biomasse er­ zeugen, dadurch gekennzeichnet, daß zwei oder mehrere Gruppen von Bakterien (A, B, C), von denen jede nur auf die Umsetzung einer definierten organischen Substanz (F, G, L) oder Substanzklasse (FF, GG, LL) in Wärme und Biomasse konditioniert ist, gleichzeitig dieselbe mit Sauerstoff durchmischte Standardlösung (9) zugeführt wird, daß der Sauerstoffverbrauch und/oder die von jeder Gruppe von Bakterien (A, B, C) erzeugte Wärme gemessen und diese Meßsignale (S21, S31, S41) zur Auswertung weitergeleitet werden, daß jeder Gruppe von Bakterien (A, B, C) anschließend gleich­ zeitig 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 aus den hierbei ermittelten Meßsignalen (A1, A2, A3) und den Meßsignalen (S21, S31, S41) der ersten Messung die Signaldifferenzen (S21-A2, S31-A3, S41-A4) gebildet und hieraus der jeweilige Betrag des biologischen Sauer­ stoffbedarfs und die Anteile der einzelnen organischen Substanzen (F, G, C) bzw. der Substanzklassen (FF, GG, CC) ermittelt werden, daß jeder Gruppe von Bakterien (A, B, C) daraufhin nochmals gleichzeitig 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 anschließend die Sig­ naldifferenzen (S21-S22, S31-S32, S41-S42) zwischen den jetzt ermittelten Meßsig­ nalen (S22, S32, S42) und den Meßsignalen (S21, S31, S41) der ersten Messung ge­ bildet werden, daß die Meßergebnisse der Abwasseruntersuchung als exakt einge­ stuft und angezeigt werden, wenn die einzelnen Signaldifferenzen (S21-S22, S31-S32, S41-S42) null oder kleiner 1% der Werte der Meßsignale (S21, S31, S41) sind, und daß bei Abweichungen der Werte dieser Signaldifferenzen (S21-S22, S31-S32, S41-S42) um mehr als 1% eine Anzeige erfolgt, daß toxische Stoffe im Abwasser ent­ halten sind.

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

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 oder 8, 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 Substanzklasse (FF, GG, LL) nur so groß ist, daß alle zugeführten organischen Substanzen (F, G, L) oder Substanzklassen (FF, GG, LL) vollständig in Wärme und Biomasse umgesetzt wer­ den.