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"Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung des biologischen Sauerstoffbedarfs
von Abwässern Die Erfindung betrifft ein Verfdhren und eine Vorrichtung zur Bestimmung
des biologischen Sauerstoffbedarfs von Abwässern, bei dem Abwasser in einem geschlossenen
Klärgefäß geholten werden und der Sauerstoffverbrauch Uber eine bestimmte Zeitspanne
gemessen wird.
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Gereinigte und ungereinigte Abwässer, die in Gewässer geleitet werden
sollen, müssen vor dem Einleiten darauf geprüft werden, wie hoch ihr Sauerstoffbedarf
beim Abbau der Verunreinigungen durch Kleinlebewesen ist. Dieser Sauerstoffbedarf
ist ein wichtiges Indiz dafUr, wie stark die Abwässer das jeweilige Gewässer belasten,
da Abwässer mit hohem Sauerstoffbedarf auch eine hohe biologische Regenerationskraft
des jeweiligen Gewässers erfordern.
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Als Maß fUr den Sauerstoffbedarf ist der sogenannte BSB 5-Wert
als
Maß definiert. Dieser Wert stellt den Sauerstoffbedarf dar, den eine Abwasser-Menge
innerhalb von fünf Tagen verbraucht. Das Maß für den BSB-Wert ist mg/l.
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Bei der Messung des Sauerstoffbedarfs sind im wesentlichen zwei Methoden
gebräuchlich: 1. Die "Flaschenmethode" oder Titrationsmethode, 2. die manometrische
Methode.
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Bei der Flaschenmethode wird Abwasser in eine verschließbare Flasche
gefüllt, der Sauerstoffgehalt bei Beginn des Versuches titrimetrisch gemessen, dann
wird die verschlossene Flasche fUnf Tage stehengelassen'. Nach dieser Zeit ist der
Versuch beendet, der Sauerstoffgehalt wird erneut gemessen. Aus der Differenz der
Werte ergibt sich der Sauerstoffverbrauch. Obwohl dieses Verfahren relativ einfach
aussieht, hat es doch schwerwiegende Nachteile: 1. Das Abwasser steht während des
Versuches nicht unter vollem Sauerstoffdruck wie in der Natur; 2. alle praktisch
vorkommenden Abwässer mUssen verdUnnt werden.
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Wasser kann nur 7 mg/l Sauerstoff enthalten; nach Vorschrift mUssen
jedoch bei dem o.g. Versuch nach Beendigung des fUnften Tages noch zwei mg/l Sauerstoff
im Wasser enthalten sein.
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Daher kannen nur Abwässer mit einem BSB 5-Wert von höchstens 5 mg/l
unverdünnt verwendet werden. Ein Abwasser mit beispielsweise 500 .l BSB5 könnte
soviel Giftstoff enthalten, daß der Abbau durch Kleinlebewesen stark gehemmt ist.
Durch die hohe Verdünnung wird daher das Bild des biologischen Gleichgewichts stark
verfälscht.
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3. Nach Ablauf des Versuchs hat man keine behandelte Abwasserprobe
vorliegen, aus der man ersehen kann, wie sich das Abwasser beim Abbau verhält, sondern
nur eine verdünnte wAbwasserlösung1; 4. (Ur die Bestimmung sind besonders hochqualifizierte
Fachkräfte notwendig, um reproduzierbare Werte zu erhalten.
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Bei der anometrischen Methode wird der BSB 5-Wert nach folgender
Formel bestimmt: BSB 5= 1,429 [(a1-b1) (273.V + A. c1)-(a2-b2) 760 273*t1 (273*V
+ A . c2)] mg/l 273*t2 Dabei ist: a Druck im Gefaß in mm Hg b Wasserdampfdruck bei
Ablesetemperatur t Ablesete.peratur V Volumen der Luft
A Volumen
des Abwassers und sonstiger FlUssigkeit im Raum (z.B. Kalilauge) c Löslichkeit des
Sauerstoffes bei Ablesetemperatur 1 Wert am Anfang des Versuches 2 Wert am Ende
des Versuches Wird die Bestimmung bei 20°C durchgeführt, so reduziert sich die Formel
zu: BSB 5 = 1,429 (a1-a2) (273.V 20 + A c) 760 273*20 Bei der manometrischen Methode
muß demnach einmal der Druck am Anfang und am Ende bestimmt werden und die Temperatur
möglichst konstant gehalten werden. Nachteilig bei diesem Verfahren ist, daß die
Atmosphäre oberhalb des Klärgefäßes je nach Beschaffenheit des Abwassers sich ständig
verändert, wobei der Verbrauch des Sauerstoffes nicht in reproduzierbaren Werten
erfaßt werden kann. Deshalb wird in den bekannten Vorschriften gefordert, von Zeit
zu Zeit Sauerstoff hinzuzufügen, um die natürliche Atmosphäre wieder herzustellen.
Die Notwendigkeit der Zugabe ist aber für die jeweilige Bedienung nicht erkennbar;
außerdem ist die hinzugefügte Sauerstoffmenge nicht zu erfassen. Die Zugabemenge
müßte sich an leicht ablesbaren Meßwerten orientieren, die aber bei dem bekannten
Verfahren nicht gegeben sind.
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Zur Verbesserung dieser bekannten Verfahren stellt sich demnach die
Aufgabe, die Messung unter möglichst natürlichen Bedingungen, also unter vollem
Sauerstoffdruck, durchzuführen.
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Das Abwasser sollte nicht verdünnt werden, so daß sich die Probe praktisch
wie in der Natur verhält und das Verfahren sollte so weit zu vereinfachen bzw. zu
automatisieren sein, daß auch wenig ausgebildete Fachkräfte es durchführen könnten.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren, bei dem ein dem verbrauchten
Sauerstoff entsprechender Parameter gemessen wird, der ohne Wechselwirkung des Klärgefäßes
mit der Umgebung zustande kommt. Während nämlich bei dem bekannten Verfahren praktisch
davon ausgegangen wurde, den Verbrauch an Sauerstoff über den Luftdruckwert gegenüber
der Atmosphäre zu bestimmen, wird bei dem neuen Verfahren ein Druckwert gegenüber
einem von Anfang des Versuches an mit dem Klärgefäß verbundenen zweiten Gefäß bestimmt,
so daß der Druckwert sich nur auf das Versuchssystem bezieht. Je nach den Ablesewerten
kann zusätzlich Sauerstoff eingegeben werden, wobei diese Menge leicht bestimmt
oder gemessen werden kann.
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Es wird daher vorgeschlagen, das Verfahren in folgenden Schritten
ablaufen zu lassen:
Einfüllen einer Abwasserprobe in ein Klärgefäß
und Halten bei einer konstanten Zimmertemperatur; Messen der Druckdifferenz zwischen
dem Gasvolumen Uber dem Klärgefäß und dem Druck in einer geschlossenen Kammer, die
zu Beginn der Messung den gleichen Druck aufweist, wie das Gasvolumen über dem Klorgefäß.
Mit Hilfe einer solchen Vorrichtung kann einmal leicht die verbrauchte Sauerstoffmenge
bestimmt werden (vorausgesetzt, daß das entstehende Kohlendioxid absorbiert wird).
Eine solche Manometermessung kann aber auch dazu dienen, die Sauerstoffzufuhr zu
steuern. Beispielsweise kann je nach dem Manometerstand reiner Sauerstoff in das
Klärgefäß eingeleitet werden.
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Der Sauerstoff kann auf chemischem Wege erzeugt werden, beispielsweise
dadurch, daß Wasserstoffperoxid mit Kaliumpermanganat zur Reaktion gebracht wird.
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Der Sauerstoff kann aber auch in einem elektrolytischen Verfahren
hergestellt werden, wobei als Elektrolyten sich Salzlösungen von Metallen eignen,
die in der Spannungsreihe oberhalb des Wasserstoffs stehen. Beispielsweise können
Kupfersulfat- oder Quecksilbersulfat-Lösungen verwendet werden.
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Durch die Messung des Druckes wird dabei jeweils der Strom an den
Elektroden an- oder abgeschaltet, d.h. die entstandene Menge
des
Sauerstoffs steht unmittelbar in Beziehung mit der Menge an abgeschiedenem Kupfer
bzw. Quecksilber. Wird der Strom konstant gehalten, so kann auch die Messung der
Einschaltzeiten als Maß dienen. Um die erzeugte Menge an Sauerstoff und an abgeschiedenen
Metallen möglichst konstant zu halten, wird vorgeschlagen, daß die Elektrolyt-Konzentration
durch Zugabe einer unlöslichen, aber mit einer Elektrolyse-Produkte reagierenden
Stoff konstant gehalten wird, wobei bei der Reaktion wiederum der Elektrolyt gebildet
wird. Bei einer Kupfersulfatlösung bietet sich hierfür z. B. unlösliches Kupfercarbonat
an. Die entstehende Schwefelsäure verbindet sich mit dem Kupfercarbonat zu Kupfersulfat,
so daß die gleiche Konzentration des Elektrolyten erhalten bleibt.
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Weiterhin wird vorgeschlagen, das zu messende abwasser und den Sauerstoff
umzuwälzen, d. h. besonders intensiv in Kontakt zu brinnen, indem die Luft durch
das Abwasser hindurchgeblasen oder Abwasser in den Luftraum eingesprüht wird.
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Die Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens geht aus von einem
mehrfach unterteilten Gefdß, dessen größter Teil als Klärgefäß verwendet wird. Ein
weiterer Teil ist als CO2-Abt sorptionsgefäß und als Druckkammer zu verwenden. Bei
elektrolytischer Sauerstofferzeugung wird außerdem ein Elektrolyse-Gefäß benötigt.
Ein solches Gefäß kann relativ einfach aus
Kunststoff oder Glas
hergestellt werden.
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Insbesondere wird vorgeschlagen, die Klärgefäß-Abteilung des Gefäßes
zu schließen und über ein Manometer mit der Druckkammer zu verbinden. Durch Ablesung
des Manometers kann der Sauerstoffverbrauch gemessen werden. Wird als Manometer
ein Druckmeßfühler eingesetzt, so kann ein solches Gerät die Zugabe von Sauerstoff
dosiert steuern. Die Zufuhrsteuerung des Sauerstoffes kann auch durch An- und Abschalten
des Stroms durch einen Elektrolyten erfolgen.
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Um den Bewuchs des Gef6ßes durch Algen und ähnliches zu verhindern,
wird vorgeschlagen, das Gefäß wenigstens teilweise abzudunkeln. Das kann beispielsweise
dadurch geschehen, daß das Gefäß insgesamt in einen Schrank gestellt wird. Zur Durchführung
der Luft-Wasser-Umwälzung wird vorgeschlagen, eine Luft- und/oder Wasserumwölzpumpe
am Gefäß zu befestigen.
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Variationen und Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Verfahrens
werden anhand der Zeichnung erläutert. Die Figuren der Zeichnung zeigen: Fig. 1
ein Analysegefäß in auseinandergezogener Darstellung; Fig. 2 einen Schnitt gemäß
der Linie 2-2 in Fig. 1 Fig. 3 das Manometer und die Steuerung in schematischer
Darstellung.
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Das Meßgefdß 1 ist etwa zylinderförmig und steht auf einer Bodenplatte
2. Das Gefäß 1 enthält drei Abteilungen: das Kldrgefdß 3, den Druckkolben 4 und
das Elektrolytgeföß 5.
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Im Klärgefäß 3 befindet sich eine Abwasserprobe 7; der Raum oberhalb
der Probe 7 ist mit Luft gefüllt. Im freien Raum neben dem Klörgefäß befindet sich
ein C02-absorbierendes Mittel 6, beispielsweise KOH. Die Elektrolytkammer 5 enthält
ein Elektrolyt, beispielsweise eine Kupfersulfat-Lösung, bei der sich am Boden ungelöstes
Kupferoxid befindet. Im freien Raum zwischen dem Kldrgefäß und der Gefäßwand 10
hangt der Druckkolben 4.
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Auf das Gefäß 1 wird ein Deckel 8 aufgelegt und mit ihm fest und abgedichtet
(Dichtung 9) verbunden. Dazu dienen die Gewindestangen 11, die mit Flügelmuttern
12 angezogen werden und den Deckel 8 zur Bodenplatte 2 hinabziehen. Der Deckel 8
besitzt vier AnschlUsse, die folgende Funktionen erfüllen: 1. Anschluß 14 und 15
liefern und entziehen Druckluft für das umwölzsystem, 2. Anschluß 16 ist am Druckkolben
4-angeschlossen, der vor Beginn des Versuches offen ist und dann geschlossen wird,
3. Anschluß 17 leitet offen an die Deckelunterseite, so daß jeweils der im Gefäß
herrschende Druck anliegt.
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Uber die Anschlüsse 14 und 15 wird über eine Pumpe 19 dauernd oder
von Zeit zu Zeit Luft durch die Probe gedrückt, so daß ein besonders guter Kontakt
zwischen reagierender Luft und der Probe nnerhalb des Systems hergestellt ist.
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Über die Anschlüsse 16 und 17 wird der Druckunterschied zwischen dem
geschlossenen Kolben 4 und der Atmosphäre über der Abwasserprobe gemessen. Hierzu
sind zwei Leitungen 21 und 22, die an den AnschlUssen 16 und 17 anliegen, mit einem
steuernden Manometer 23 verbunden. Das Manometer 23 besteht im wesentlichen aus
einem quecksilbergefüllten U-Rohr (siehe Fig. 3).
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Ein Schenkel des U-Rohrs 24 ist mit zwei Spulen 25, 26 umwickelt.
Die eine Spule 25 liegt in der Nähe des Quecksilber-Spiegels, die andere (26) etwas
darUber. Die Spulen sind über eine Brückenschaltung 27 gekoppelt. Bei Veränderung
des induktiven Widerstandes durch Steigen des Quecksilberspiegels in den Raum der
Spule 25 wird die Brücke 27 unabgeglichen und ein Relais 28 ausgelöst.
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Das Relais 28 wird also dann ausgelöst, wenn der Druck im Klärgefäß
abnimmt, während der Druck im Kolben 4 konstant bleibt, denn dadurch wird das Quecksilber
in Richtung des Klärgefäßes angezogen und verändert die Induktivität in der Spule
25.
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Der durch das Relais 28 ausgelöste Strom fließt durch AnschlUsse 32
und durch Elektroden 30,31,die in das Elektrolyt-Gefdß 5 eintauchen.
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Bei Stromdurchgany
scheidet sich an der einen Elektrode
(Kathode) Kupfer ab; an der Anode entsteht Sauerstoff, der über die Wand zwischen
den Kammern 3 und 5 zur Probe 7 wandern kann und dort absorbiert wird bzw. den Druck
über der Probe erhöht.
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Ist der alte Druck wieder hergestellt, so wird das Relais 28 und damit
der Strom durch die Elektroden abgeschaltet, bis ein erneuter Unterdruck den Vorgang
sich wiederholen läßt.
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Der Sauerstoffverbrauch kann gemessen werden, wenn ein bestimmter,
geeichter Gleichstrom bei jedem Einschalten durch das Elektrodensystem fließt, denn
Strommenge und abgeschiedene Sauerstoffmenge sind direkt proportional. In diesem
Falle wird ein Zeitmess-System benötigt, das die Einschaltzeit mißt und am Anfang
und am Ende des Versuches abgelesen wird. Je nach erforderlichem Sauerstoffbedarf
sind drei Stromstärken vorgesehen, die im Verhältnis 1:10:100 stehen. Damit kann
praktisch für jede vorkommende Abwasserprobe genügend Sauerstoff zur Klärung hergestellt
werden.
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Das vorliegend beschriebene Verfahren und Gerät hat aber noch weitere
Vorteile: Bei Aufzeichnung der Einschaltzeiten und Integration des Sauerstoffverbrauchs
durch Addition des Gesamtstromverbrauches bei der Elektrolyse können Meßkurven gewonnen
werden, die den Sauerstoffverbrauch Uber der Zeit angeben. Da die Reaktion der
Mikroorganismen
im Abwasser am Sauerstoffverbrauch ablesbar ist, können je nach Gestalt der oben
definierten Kurve verschiedene Abwassertypen unterschieden werden.
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Soll Abwasser von ähnlicher Beschaffenheit mehrfach gemessen werden,
so kann aus der Kurvenaufzeichnung nach dem ersten Tag auf das weitere Klärverhalten
der Probe geschlossen werden, so daß der ESE-Meßwert bereits schon nach einem Tag
extrapoliert werden kann.
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Die Vorrichtung kann aber noch vereinfacht werden, wenn auf das Zeitmeßsystem
und die Gleichstromquelle verzichtet werden soll. In diesem Falle werden die Elektroden
vor und nach der Messung gewogen. Das abgeschiedene Kupfer kann dadurch bestimmt
werden. Durch die entsprechende stöchiometrische Berechnung kann aus dem abgeschiedenen
Kupfer auf den aufgenommenen Sauerstoff geschlossen werden.
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Es ist auch möglich, mit Hilfe des Manometers 23 ein Ventil eines
Tropftrichters zu betätigen, durch den beispielsweise eine Wasserstoffperoxidlösung
in eine Kaliumpermanganatlösung einfließt und dabei eine genau bestimmbare Sauerstoffmenge
freigibt. Ebenso ist möglich, Sauerstoff direkt aus einer Gasflasche in genau dosierter
Form zu entnehmen und die
Entnahme durch das Manometer steuern
zu lassen.
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m das Gefäß möglichst von Algenbewuchs freizuhalten und in einer temperaturgesteuerten
Umgebung zu halten, sollte es in einem abgedunkelten Temperaturkasten während des
Versuches gehalten werden. Da die Versuche nach Vorschrift bei 200 C vorgenommen
werden, genügt zur KUhlung und Heizung eines solchen Temperaturkastens ein Peltier-Element.
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Mit dem Gerät gemäß der Erfindung ist eine weitere Möglichkeit der
Abwasseruntersuchung gegeben, die bisher unbekannt war und den Anwendungsbereich
des Gerätes bedeutend erweitert. Neben den statischen Meßverfahren ist auch eine
fortlaufende, "dynamischeR Messung des Abwasser-Verunreinigungswertes möglich.
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Beispielsweise kann dem Klärgefäß täglich, stündlich oder kontinuierlich
eine bestimmte Menge Abwasser entzogen und die gleiche Menge frisches Abwasser hinzugefügt
werden. Die erforderliche Sauerstoffmenge zum Abbau der jeweils zusätzlich hinzugefUgten
Menge Abwasser kann fortlaufend oder periodisch integriert gemessen werden. Durch
Versuche ist festgestellt worden, daß sich das Steigen und Fallen des Verschmutzungssrodes
qualitativ und quantitativ am Sauerstoffverbrauch ablesen läßt.
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Beispiel: Als eine besonders verläßliche und praktikable Meßmethode
ist gefunden worden, dem Klärgefäß mit 1000 ml Inhalt täglich 200 ml geklärtes Abwasser
zu entnehmen und 200 ml frisches Abwasser hinzuzufügen.
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Nach 20 Tagen fortlaufender Messung und periodischer Hinzufügung und
Entnqhme ist die Abwassermenge im Klärgefäß bei idealer Durchmischung wie folgt
zusammengesetzt: vom 19. Tag 20%, vom 18. Tag 18s, vom 17. Tag 12,8% usw. - jeweils
80% vom vorigen Wert.
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Bei üblichen Abwässern mit einem BSB-Wert von 100 mg/l werden am 1.
Tag 3(/ der Gesamtsauerstoffmenge verbraucht, am 2. Tag 24%, am 3. Tag 19%, am am
r Tag 15/o und am 5. Tag 12% (Summe 100%). Such nach dem 5. Tag wird jedoch noch
Sauerstoff verbraucht, z. e. am 6. Tag 1O"o, usw. Jedoch strebt der Verbrauch im
dem Grenzwert Null zu, der etwa nach 17 Tagen erreicht ist. Anhand der Tabelle lassen
sich die Verhältnisse veranschaulichen.
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Alter in Anteil d. Sauerstoffver- Beitrag der Tagen Abwassers im brauch
an einem jeweiligen Alter v. Tagen Tag (bez. auf Ab.menge zum 100) gemessenen BSB5-Wert
1 20,000 30 6,00 2 16,000 24 3,84 3 12,800 19 2,43 4 10,240 15 1,54 5 8,19 12 0,98
6 6,554 10 0,66 7 5,243 7 0,36 8 4,194 6 0,25 9 3,356 5 0,17 10 2,684 4 0,11 11
2,184 2,5 0,05 12 1,718 2,5 0,04 13 1,374 1,5 0,02 14 1,100 1,5 0,02 15 0,880 0,01
16 0;704 1,5 0,01 17 0,563 0,5 0,00 18 0,451 0,5 0,00 19 0,360 0,5 0,00 20 0,288
0,5 0,00 kälter 1,151 0,5 0,01 als 20 T. ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~ Tabelle
Nach
der Tabelle erhält man bei einer Messung, die sich Uber 1 Tag erstreckt, bei der
vorliegenden, stabil eingestellten Mischung, 16,50cm des wirklichen BSB-Wertes.
Plötzliche starke Abweichungen des BSB5-Wertes machen sich schon am 1. Tag bemerkbar,
da das frische Abwasser zu etwa 369t am Messwert beteiligt ist.
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Eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens ist schematisch in
Fig. 4 dargestellt. In das Klargefäß mUnden zwei Leitungen 34 und 35, durch die
Wasser aus dem Gefäß abgezogen bzw. in das Gefäß eingeleitet werden kann. Die Leitung
34 ist mit einer Ausgangsleitung eines Dreiwegeventils V 2 und die Leitung 35 mit
einer Ausgangsleitung des Dreiwegeventils V 4 verbunden. Die Eingangsleitungen 36
und 37 der Dreiwegeventile sind mit je einer Zylinderkammer K 1 bzw. K 2 des Zylinders
einer Doppelkammer-Pumpe K verbunden. Die Ausgänge der Zylinderkammern K 1 und K
2, die in die Leitungen 36 und 37 münden, sind außerdem durch Ventile V 1 und V
3 je nach Flußrichtung (wie aus Fig. 4 ersichtlich) verschließbar.
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Im Zylinder der Pump K ist ein Kolben 38 mit einer Durchbohrung 39
eingebaut, der an einer Kolbenstange hin- und herbeweglich ist.
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Die Bohrung 39 ist außerdem durch ein Klappenventil V 5 verschließbar.
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Die beiden Ausgangsleitungen 40, 41 der Ventile V 2 bzw. V 4 sind
mit
Einzugs- und Ausgangsrohren verbunden, die in einen zu Uberwachenden Abwasserkanal
43 runden.
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Die Wirkungsweise der Vorrichtung ist folgende: einmal a Tag (oder
in einer anderen gewUnschten Periode) bewegt sich der Kolben der Pulpe K hin und
her.
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1. Hub nach rechts; V 1, V 3 offen; V 2, V 4 nach links1 V 5 geschlossen.
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Frisches Abwasser wird in Koiuer K i gesaugt; K 2 leert sich in den
Abwasserkanal.
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2. Hub nach rechts; V 1, V 3 geschlossen; V 2, V 4 nach links; V 5
offen.
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Abwasser gelangt nach K 2.
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3. Sub nach rechts; V 1, V 3 offen; V 2, V 4 nach rechts; V 5 geschlossen.
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Frisches Abwasser aus K 2 gelangt in Klärgefuß 3. Frisches Abwasser
wird nach K 1 abgesaugt.
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4. Hub nach links; V 1, V 3 geschlossen; V 2, V 4 nach rechts; V 5
offen.
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Abwasser aus K 1 gelangt nach K 2. Anschließend wiederholt sich der
Zyklus vor 1. bis zui 4. Hub.
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Die beschriebene Vorrichtung läßt sich beispielsweise durch eine uhrwerkgesteuerte
Pulpe eit angeschlossene Doppel-Dreiwege-Magnet-Ventil realisieren, in dei die Ventile
v 2 und V 4 verbunden sind.
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Bei den Ventilen V 1, V 3 und V 5 handelt es sich im Prinzip um einfache
Klappen- oder Kugelventile, die sich selbsttotig steuern. Bei Bedarf kann auch eine
AußensteuerunF, vorgesehen werden.
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Abwandlungen von der vorliegenden Ausführungsform und den beschriebenen
Verfahren sind möglich, ohne daß der Rahmen der Erfindung verlessen wird.
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- Patentansprüche -