DE2106825C3 - Gerät zur volumetrischen Bestimmung des biochemischen Sauerstoffbedarfs von Wasser, z.B. Abwasser - Google Patents

Description

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Die Erfindung betrifft ein Gerät zur volumetrischen Bestimmung des biochemischen Sauerstoffbedarfs (BSB) von Wasser, z. B. Abwasser, mit einem Reaktionsgefäß und einem CO₂-Absorptionsgefäß, welche in einem Kreislaufsystem angeordnet sind, sowie Mitteln zur Konstanthaltung des O₂-Partialdruckes.

(gwf, Wasser-Abwasser, 99. Jahrgang, Heft 36, 1958, S. 897 bis 902.)

Bei diesem bekannten Verfahren wird die Messung der Menge an verbrauchtem Sauerstoff durchgeführt, indem der Druck des Systems zurück auf die ursprünglichen Bedingungen gebracht wird. Hierzu wird ein Niveaugefäß, das mit einer Bürette verbunden ist, in geeigneter Weise bewegt, wobei die Kontrolle an Hand eines Manometers vorgenommen wird. Dies ist nur möglich, indem die Rückführung der Gase zur Vorrichtung unterbrochen wird, da sonst die beiden Arme des Manometers sich immer auf der Niveaudifferenz auf Grund eines Druckes entsprechend demjenigen befinden würden, der durch die in dem Tauchrohr enthaltene Flüssigkeitssäule ausgeübt wird.

Da bei dieser bekannten Maßnahme nun aber das Prinzip darin besteht, den Druck vor der Ablesung auszugleichen, um zu einer korrekten Messung zu kommen, kann während der Kreislaufrückführung des Gases und der Absorption des Sauerstoffes auf Grund der Mikroorganismen der Druckzustand nicht konstant gehalten werden. Dieses diskontinuierlich messende Gerät gibt also Meßwerte, die wirklichkeitsfremd sind. Auch ist es hierbei unmöglich, die Druckkorrekturen und Messungen sehr häufig vorzunehmen, da sonst die Vorrichtung niemals arbeiten könnte. Auf die durch häufige Messungen rückzuführenden Meßverfälschungen soll nicht gesondert eingegangen werden.

Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, den Sauerstoffbedarf (BSB) in Wasser und Abwasser ohne Unterbrechung des Reaktionsablaufs auf kontinuierlichem Wege zu bestimmen und damit gleichzeitig die Entnahme von Proben für andere Analysenzwecke, ebenfalls ohne Beeinflussung des Reaktionssystems, unter optimalen Gleichgewichtsbedingungen zu ermöglichen.

Erreicht wird dies bei einem Gerät der eingangs genannten Art dadurch, daß ein Gefäß vorgesehen ist, in dem sich Sauerstoff unter einem konstanten Druck befindet, welcher durch eine dem Atmosphärendruck ausgesetzte, in einem Überlaufgefäß sich befindende Wassersäule ausgeübt wird; das (^-enthaltende Gefäß mit dem Reaktionsgefäß über einen hydraulischen Verschluß derart in Verbindung steht, daß der O₂-Verbrauch im Reaktionsgefäß automatisch kompensiert wird; in dem Kreislaufsystem zusätzlich ein Probenahmegefäß angeordnet ist und eine mit dem Reaktionsgefäß verbundene Kolben- und Zylinderanordnung vorgesehen ist zur Kompensation der durch die Probeentnahme eintretenden Volumenminderung des Reaktionsgemisches.

Zweckmäßig sind im Kreislauf Ventilpaare derart angeordnet, daß Öffnen bzw. Schließen je eines Ventilpaares ohne Drehrichtungsumkehr eines Gebläses die Phase des CO2-Auswaschens der vom Reaktionsgefäß abgezogenen Gase auf die Probenahmephase umschaltet.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Patentansprüchen 3 bis 5 beschrieben.

Praktisch zum ersten Mal wird es möglich, den Sauerstoffbedarf in Abwasser kontinuierlich zu messen und dabei gleichzeitig Proben für die verschiedensten Analysenzwecke ohne Beeinflussung des Reaktionssystems zu nehmen. In sämtlichen Phasen des Verfahrens wird kontinuierlich ohne irgendeine negative Beeinflussung, auch bei noch so häufiger Messung, gearbeitet.

Dieser Erfolg ließ sich auch nicht nach einer anderen bekannten Maßnahme (DT-AS 10 27 431) erzielen.

wobei der verbrauchte Sauerstoff in bestimmten Zeitabständen diskontinuierlich ersetzt wurde. Hierbei wurde zur Konstanthaltung des O₂-Partialdrucks und Messung des O₂ Verbrauchs der Verbrauch des Sauerstoffs nur in bestimmten zeitlichen Abständen ersetzt Unabhängig davon war hierbei auch noch Vorbedingung, daß ein Überdruck im Gefäß sich einstellte, damit das Niveau einer Flüssigkeit sich überhaupt ändern konnte. Erst bei einer Verdünnung der Atmosphäre konnte im übrigen die Flüssigkeit aufsteigen und erneut das zur Sauerstofferzeugung eingesetzte Elektrolyseverfahren in Gang setzen. Zudem wurde noch Ozon erzeugt. Da freie Energie von Sauerstoff und Ozon voneinander differieren, war auch der Verbrauch an elektrischer Energie unterschiedlich, so daß dessen Messung nicht repräsentativ für die Menge an durch das System im Gefäß absorbiertem Sauerstoff war.

Die Bedeutung der kontinuierlichen Messung nach der Erfindung wird demgegenüber deutiich. Zum ersten Mal ergibt sich eine wirklichkeitsnahe Messung. Die kontinuierliche Messung des Sauerstoffbedarfs bei gleichzeitiger Probenahme und/oder Umschaltung des Systems ohne Beeinflussung der Gleichgewichtsbedingungen stellt offensichtlich einen beachtlichen technisehen Fortschritt dar.

Ein Gerät, wie es erfindungsgemäß vorgeschlagen wird, eignet sich vor allen Dingen auch als Pilotanlage, insbesondere auch für die spätere Auslegung eines industriellen Reaktors. Mit besonderem Vorteil wird ein solches Gerät für Laboranalyse verwendet.

Sämtliche Schritte im Verfahrensablauf einschließlich der Probenahme erfolgen ohne jeglichen Luftkontakt, wodurch das unkontrollierbare Einschleichen von Fehlern bei der Bestimmung der Sauerstoffbedarfsmenge vermieden Wird.

Beispielsweise Ausführungsformen der Erfindung sollen nun an Hand der Zeichnungen näher erläutert werden, in denen

F i g. 1 ein Fließbild einer Anlage und F i g. 2 ein Fließbild einer anderen Anlage zeigt.

Nach F i g. 1 wird einem Gefäß 3 über eine Leitung 1 Sauerstoff zugeführt; hierin herrscht dann ein Druck gleich dem atmosphärischen plus der Druckhöhe zwischen dem Wasserniveau in einem Behälter 6, in den Wasser kontinuierlich über eine Leitung 2 einläuft und einem im Gefäß 3 enthaltenen Überlaufgefäß 4. Das Wasserniveau im Behälter 6 wird mittels eines Überlaufrohres 7 konstant gehalten; eine Leitung 5 stellt die Verbindung zwischen Behälter 6 und Überlaufgefäß 4 her.

Das Gefäß 3 ist auch mit dem Reaktionsgefäß (Reaktor) 13 durch einen aus Leitungen 8, 10, einem hydraulischen Verschluß 11 und einer Leitung 12 bestehenden Kreis verbunden. Der hydraulische Verschluß ergibt sich durch die in diesem eingeschlossene Wassersäule, die eine Druckhöhe gleich der zwischen den beiden genannten Überläufen erzeugt. Zwischen dem Gefäß 3 und dem Gefäß bzw. hydraulischen Verschluß 11 befindet sich eine Drechselflasche 9, deren Funktion es ist, ein mögliches Fließen von Wasser von 11 nach 3 zu verhindern. Die Verbindung des hydraulischen Verschlusses 11 mit dem Reaktionsgefäß 13 erfolgt über eine Leitung 12. Die Gruppe von Behältern 3, Il und 13 bilden eine Art Steuersystem, wodurch die Messung jeder Schwankung über die Zeit des Volumens des in 13 enthaltenen Reaktionssauerstoffs möelich wird. Der in 3 enthaltene Sauerstoff ist also dem atmosphärischen Druck pius dem Druck ausgesetzt, der durch die Wassersäule zwischen den freien Flächen der Überläufe 6 und 4 ausgeübt wird. 11 befindet sich unter atmosphärischem Druck, deswegen befindet sich das in 3 enthaltene Gas in Gleichgewicht nur dann, wenn die in 11 enthaltene Wassersäule, die zwischen der freien Wasserfläche und dem untersten Punkt der Leitung 10 gebildet ist, gle»ch der Druckhöhe wird, die erzeugt wird durch das zwischen 6 und 4 enthaltene Wasser.

Dadurch nimmt der Sauerstoff unter dem durch 6 erzeugten hydrostatischen Druck den gesamten durch das Rohr 10 in 11 begrenzten Raum ein, und auf diese Weise liegt die Trennfläche zwischen den Phasen F!üssigkeit/Gas am freien Ende dieses Rohres.

Da das Niveau bei 6 konstant bleibt, kann das Gleichgewicht unbegrenzt aufrechterhalten werden, vorausgesetzt, daß der Druck auf die freie Fläche 11 konstant bleibt. Wie bereits gesagt, 11 steht in Verbindung mit dem Reaktor 13 wodurch während der Biooxidations-Reaktion Sauerstoff verbraucht und Kohlendioxid erzeugt wird. Die im Reaktor enthaltenen Gase läßt man kontinuierlich mittels der Pumpe 26 über die Leitungen 15, 23, 25, 27, 28, 22 und zurück nach 13 über 14 zirkulieren.

Auf ihrem Weg durchströmen sie ein oder mehrere Drechselflaschen 24, welche geeignete Mengen an einer titrierten Alkalilösung sowie einen geeigneten Indikator enthalten. Die Anordnung 24 sorgt für die Absorption des im Gasgemisch enthaltenen Kohlendioxids und ermöglicht es weiter, die Geschwindigkeit einer solchen Absorption zu berechnen, indem die zeitlichen Perioden zwischen dem Einschalten einer der Drechselflaschen und der Farbänderung des hierin enthaltenen Indikators genommen werden oder noch besser, indem unter konstanten zeitlichen Perioden Drechselflaschen eingeführt werden und der Überschuß nicht in Salze überführten Alkalis titriert wird, sobald ausgeschaltet ist.

Das Gas, welches durch die Pumpe 26 bei Betriebsbedingungen nach 13 zurückkehrt, enthält keinerlei Kohlendioxid. Die resultierende atmosphärische Verdünnung der Reaktionsgase, die, wie gesagt, auch auf das Sauerstoff bildende Wasser, welches in den Schlämmen fixiert ist, zurückzuführen ist, sorgt für einen Druckabfall, der bei Durchgang durch 12 leicht das Gleichgewicht des in 3 enthaltenen Gases stört. Auf diese Weise tritt Sauerstoff aus 3 nach 13 mit einem Volumen gleich dem durch die Reaktion verbrauchten; um dies zu erreichen, muß der Druck bei 3 konstant gehalten werden, und das Gefäß 6 sorgt hierfür.

Es ist tatsächlich ein Transport von Wasser von 6 nach 3 solange vorhanden, bis das in 3 eintretende Wasser ein Volumen gleich dem des abgezogenen nassen Sauerstoffs einnimmt.

Das Instrument 37 dient dazu, das Steigen des Wasserspiegels im Gefäß 3 zu messen. Während des Ablaufs der genannten Operationen, welche als Betriebsphase bezeichnet werden können, sind die Ventile 31 und 29 geöffnet, die Ventile 30 und 32 geschlossen.

Die Funktionen der anderen Ventile werden weiter unten erläutert.

Zur Probennahme (Inversionsphase) werden die Ventile 30 und 32 geöffnet, die Ventile 31 und 29 geschlossen. Auf diese Weise tritt ein Teil der Probe in den Behälter 21 ein, die Gasströmung in diesem Fall geht über die Leitungen 14, 22, 23, 25, 27, 38; nach

Erreichen eines gewissen Niveaus werden die Ventile 31 und 29 geöffnet und die Ventile 30 und 32 wieder geschlossen; die Flüssigkeit fließt nach 13 zurück bis auf einen konstanten Teil zwischen dem Boden des Behälters 21 und dem untersten Teil des Tauchrohres 14; diese konstante Menge wird bei 34 über die Öffnung 33 abgezogen. Die genannten Operationen werden jedesmal dann durchgeführt, wenn es ratsam ist, die Probenzusammensetzung zu analysieren.

Um zu verhindern, daß das vergrößerte, nunmehr den Gasen zur Verfügung stehende Volumen eine Saugwirkung gegenüber weiterem Sauerstoff ausübt, der jedoch durch die Reaktion nicht verbraucht würde, wird dieses Volumen mittels des Kolbens 39 konstant gehalten. Durch Analyse der genommenen Proben wird es möglich, z. B. die Wachstumsgeschwindigkeit der aktivierten Schlämme, die relevante Konzentration, die Geschwindigkeit der BSB-Entfernung, den Verbrauch an als Nährstoff eingesetzten Elementen und die Schwankung im chemischen Sauerstoffbedarf (englisch COD) zu ermitteln, und es wird so im allgemeinen möglich, die Werte für die Konzentration sämtlicher in flüssiger Phase vorhandener Substanzen zu bestimmen.

Besonders wichtig beim erfindungsgemäßen Verfahren ist die Tatsache, daß die konstante und kontinuierliehe Zirkulation des Wassers von 6 nach 16 benutzt werden kann, um di·^ Temperatur des Reaktors konstant zu halten. Tatsächlich kann das Wasser, welches kontinuierlich von 6 nach 16 geführt wird, über 20 teilweise im Bypass geleitet werden, um den Ablauf 18 zu entleeren, indem das Ventil 19 mehr oder weniger weit geöffnet wird, wodurch auf diese Weise der Fluß bei 16 variiert wird; hierdurch ist es möglich, innerhalb gewisser Grenzen die Temperatur zu variieren, der die Reaktionszone ausgesetzt ist. Das Überlauf rohr 17 trägt in den Ablauf 18 aus.

Das Ventil 35 dient dazu, Wasser in das Gefäß 3 über die Leitung 36 zu führen, die auch mit dem Meßinstrument 37 in Verbindung steht.

Zum Durchlaufen der verschiedenen Betriebs- und Inversionsphasen ist es bei der dargestellten Ausführungsform nicht notwendig, die Drehrichtung der Pumpe 26 umzukehren; es genügt vielmehr, die Ventilpaare 29; 31 und 30; 32 zu schließen.

Eine andere gegenüber der Darstellung nach F i g. 1 modifizierte Ausführungsform ist in F i g. 2 gegeben, wo die Operationsfolge durch ein System von zwei Taktgebern 43 und 44 gesteuert wird.

Ein weiterer Unterschied ist die Automation der Messung des Sauerstoffes mittels des Elements 47, dessen Betätigung durch von dem Element 50 erhaltene Signale erfolgt, der Messung des pH-Wertes des Reaktionsgemisches mittels des ansprechenden Elementes 49, welches Signale dem Element 45 zuführt, der Ablesung des Wasserniveaus bei 3 mittels des ermittelnden und übertragenden Elementes 51, wodurch Daten an den Aufzeichner 48 geliefert werden, und der Bestimmung des im Gefäß 24 absorbierten CO₂ mittels des Elementes 46. Die Phasenfolge, welche vorher Betriebs- und Inversionsfolge genannt wurde, wird durch zwei Dreiwegventile 40 und 41 gesteuert, die durch das gleiche Signal betätigt werden sowie durch das Ventil 42, welches in der lnverstonsphase geschlossen ist.

Der Taktgeber 44 regelt über das Ventil 33 bzw. das Ventil 52 jeweils die Probennahme bei 21 und die entsprechende Bewegung des Kolbens 39, um das für die zirkulierenden Gase zur Verfügung stehende Volumen konstant zu halten. Dieser Kolben läßt sich durch unter Druck stehendes N₂ beaufschlagen, welches das Ventil 52 über die Leitung 53 erreicht. Unabhängig vom Niveau des im Reaktor 13 zur Reaktion kommenden Gemisches muß die Dauer der Inversionsphase derart sein, daß wenigstens das Füllen des Teils des Gefäßes 21 bis zum freien Querschnitt der Leitung 14 möglich wird.

Die Dauer der Betriebsphase vor der Entleerung de< Probenahmegefäßes 21 muß derart sein, daß es möglich wird, daß das dort zwischen den freien Querschnitter der Leitungen 14 und 22 enthaltene Flüssigkeitsvolumer in den Reaktor 13 zurückgeführt wird.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Gerät zur volumetrischen Bestimmung des biochemischen Sauerstoffbedarfs (BSB) von Wasser, z. B. Abwasser, mit einem Reaküonsgefäß und einem COz-Absorptionsgefäß, welche in einem Kreislaufsystem angeordnet sind, sowie Mitteln zur Konstanthaltung des O₂-Partialdruckes, dadurch gekennzeichnet, daß

a) ein Gefäß (3) vorgesehen ist, in dem sich Sauerstoff unter einem konstanten Druck befindet, welcher durch eine dem Atmosphärendruck ausgesetzte, in einem ÜDerlaufgefäß (6, 4) sich befindende Wassersäule ausgeübt wird;

b) das Orenthaltende Gefäß (3) mit dem Reaktionsgefäß (13) über einen hydraulischen Verschluß (11) derart in Verbindung steht, daß der O₂-Verbrauch im Reaktionsgefäß (13) automatisch kompensiert wird;

c) in dem Kreislaufsystem zusätzlich ein Probenahmegefäß (21) angeordnet ist und

d) eine mit dem Reaktionsgefäß (13) verbundene Kolben- und Zylinderanordnung (39) vorgesehen ist zur Kompensation der durch die Probeentnahme eintretenden Volumenminderung des Reaktionsgemisches.

2. Gerät nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die Anordnung von Ventilpaaren im Kreislaufsystem derart, daß öffnen bzw. Schließen je eines Ventilpaares (30; 32 bzw. 31; 29) ohne Drehrichtungsumkehr eines Gebläses (26) die Phase des CO₂-Auswaschens (bei 24) der vom Reaktionsgefäß (13) abgezogenen Gase auf die Probenahmephase umschaltet.

3. Gerät nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Steuerung der Ventilpaare (30; 32 bzw. 31; 29) für die verschiedenen Prozeßphasen zwei Taktgeber (43; 44) vorgesehen sind, die das öffnen und Schließen der Ventile, die Probennahme und die Regelung des für die zirkulierenden Gase verfügbaren Raumes zu festen Zeitpunkten regeln.

4. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Probenahmegefäß (21), durch seinen Kopf geführt, ein Tauchrohr (14) und eine Leitung (22) für den Ketrieb in zwei Richtungen bis auf einen konstanten Teil zwischen dem Boden des Probenahmegefäßes (21) und dem untersten Ende des Tauchrohres (14) aufweist.

5. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gtkennzeichnet, daß ein das Überlaufgefäß (4) beaufschlagendes, einen konstanten hydrostatischen Druck erzeugendes Gefäß (6) kontinuierlich das Reaktionsgefäß (13) speisend ausgebildet ist und, um die Temperatur des Reaktionsgefäßes (13) konstant zu halten, ein Bypass (20) des Reaktionsgefäßes (13) mit Ventil (19) vorgesehen ist.