DE2445852A1

DE2445852A1 - Verfahren und vorrichtung zur fotometrischen messung des gehaltes an schwebestoffen in fluessigen medien

Info

Publication number: DE2445852A1
Application number: DE19742445852
Authority: DE
Inventors: Hans Olof Theodor Wiksell
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1973-09-27
Filing date: 1974-09-26
Publication date: 1975-04-10
Also published as: JPS5062094A; SE7313156L; FR2245945A1; SE382116B

Description

Patent- und

Gebrauchsmus terhilfsanmeldung

Hans Olof Theodor Wiksell

Axvägen 4

S-175 45 Järfälla, Schweden

Verfahren und Vorrichtung zur fotometrischen Messung des Gehaltes an Schwebestoffen in flüssigen Medien.

Bei der Reinigung von Abwässern bilden die Ausscheidung und Konzentrierung von Schwebestoffen besonders wichtige Verfahrensschritte. Der Abbau lockerer Stoffe wird oft in der Weise durchgeführt, daß zunächst das Abwasser in eine Suspension umgewandelt wird, beispielsweise durch chemisches Ausfällen von Phosphaten und Oxidation organischer Stoffe, sodaß ein bio'logis'cher Schlamm entsteht. Dabei ist die Entwicklung einfacher und

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zuverlässiger Instrumente unbedingt erforderlich, um fortlaufend den Gehalt an Schwebestoffen messen zu können, da der größte Teil der Verfahrensschritte bei der Reinigung von Abwässern unbedingt kontrolliert und gesteuert werden muß.

Pur diesen Zweck wurden bereits zahlreiche Verfahren vorgeschlagen, wie beispielsweise die Verwendung von Viskositätsmessern, die Partikelbestrahlung, Ausnutzung der elektrischen Leitfähigkeit, thermische Verfahren und die Verwendung von Zentrifugen (Downing u.a. I965, Änon, I967 und Setter, 1935). Bei einem bekannten Verfahren zur Messung des Peststoffgehaltes bei einem Schlamm wird davon ausgegangen, daß der Anteil einer Substanz im Schlamm konstant ist und eine Analyse dieser Substanz infolgedessen ein Maß des Sohlammgehaltes bildet. Dieses bekannte Verfahren wurde von Bradley und Krone I97I angewendet, welche den Behalt an Polysacchariden in einer aktiven Schlammsuspension auf diese Weise analysierten.

Es wurde festgestellt, daß fotometrische Verfahren wesentlich bessere Resultate ergeben. Eine fotometrische Bestimmung des Gehaltes an Schwebestoffen setzt ein einfaches Verhältnis zwischen emittiertem Licht, durchfallendem Licht und dem Gehalt an Schwebestoffen voraus oder auch zwischen emittiertem Licht, Streulicht und dem Gehalt an Schwebestoffen. Die Intensität des emittierten Lichtes muß dabei extrem stabil sein, da sonst sehr kostspielige Ausgleichsanordnungen vorgesehen werden müssen. Außerdem darf die Färbung der Abwässer die Messung nicht stören. Dies trifft insbesondere beispielsweise für Schlachthöfe mit ständig schwankender Abwasserabgabe in das öffentliche Abwassernetz zu. Experimente von Krawczyk und Gonglewski 1959 zeigten,

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daß die Farbempfindlichkeit bei der fotometrischen Bestimmung des Gehaltes an Schwebestoffen bei Wellenlängen von über etwa 9000 S verschwindet. Mit zunehmenden Wellenlängen wird auch der Einfluß der Kornverteilung geringer. Bei Messung des Lichtdurchfalls muß die Durchdringungsfähigkeit des emittierten Lichtes gut sein. Außerdem" muß die Gefahr berücksichtigt werden, daß die Meßinstrumente beschmutzt werden, wenn der Gehalt an Schwebestoffen fotometrisch bestimmt werden soll.

Die bisher bekannten Verfahren und Instrumente zur fotometri- ' sehen Messung der Schlammgehalte erfüllen diese Anforderungen nicht. Entweder arbeiten die Instrumente mit weißem Streulicht, welches sie farbempfindlich macht, oder aber es müssen kostspielige Einrichtungen verwendet werden, um Licht innerhalb eines speziellen Wellenlängenbereiches zu erzeugen und aufzuzeichnen. Das weiße Licht wird gesättigt, um über lange Zeitabschnitte hinweg eine Stabilität zu ergeben.

Die Erfindung hat sich daher die Aufgabe gestellt, ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur fotometrischen Messung des Gehaltes an Schwebestoffen in flüssigen Medien zu schaffen, welches bezw. welche die vorgenannten Schwierigkeiten ausschaltet und die Möglichkeit ergibt, ein stetiges Licht innerhalb eines speziellen Wellenlängenbereiches zu erzeugen, um somit eine einfache und zuverlässige farbunempfindliche Messung zu erreichen.

Gekennzeichnet ist ein erfindungsgemäßes Verfahren, bei welchem das flüssige Medium mittels einer Lichtquelle erhellt wird und

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die Lichtintensität nach dem Durchgang durch das flüssige Medium fotoelektrisch aufgezeichnet wird, im wesentlichen dadurch, daß als Lichtquelle ein von lichtemittierenden Halbleiterdioden erzeugtes Infrarotlicht verwendet wird.

Vorzugsweise werden lichtemittierende Halbleiterdioden verwendet, welche extrem gute Langzeitstabilität besitzen und das Licht innerhalb eines schmalen Wellenbereiches emittieren. Dabei eignet sich insbesondere eine lichtemittierende GaAs-Diode, Welche eine Wellenlänge von 9500 S und eine Bandbreite von etwa 200 S besitzt. Zur Erzielung einer guten Durchdringungsfähigkeit des Lichtes läßt sich eine höhere Lichtausbeute erreichen, wenn die Diode zum Schwingen gebracht wird. Dieses Schwingen hat auch den Vorteil, daß die Null-Operation des Empfängers ausgeschaltet wird und das Fotometer gegenüber Streulicht unempfindlich wird.

Eine genauere Erläuterung der Erfindung ergibt sich aus der nachfolgenden Beschreibung anhand der beiliegenden Zeichnungen; es zeigen:

Figur 1 ein Schaltschema für ein erfindungsgemäßes Fotometer;

Figur 2 die kolorimetrische Extinktion für Polysaccharide in aktivem Schlamm als Funktion des Feststoffgehaltes; und

Figur 3 die Lichtabsorption bei aktivem Schlamm von einer Reinigungsanlage als Meßwerte eines erfindungsgemäßen Infrarot-Fotometers.

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Figur 1 zeigt ein mit Infrarotlicht arbeitendes Fotometer, welches mit einer GaAs-Diode arbeitet. Die Wellenlänge beträgt -9500 S und die Bandbreite 200 S. Bei stetigem Betrieb kann der verwendete Halbleiter l600/uA fotoelektrischen Strom bei 100 mA Diodenstrom emittieren. Um eine höhere Lichtausbeute zu erhalten, wird die Diode zum Pulsieren gebracht, wobei sich Impulse von 0,1 ms ergeben. Der Bötriebsstrom kann dann auf 1,2 A gehalten werden, d.h. auf einem um das 12-fache höheren Wert als bei stetigem Betrieb. Durch das Pulsieren kann auch die Null-Operation des Empfängers ausgeschaltet werden und das Fotometer wird gegenüber Streulicht unempfindlich. Außerdem kann, da von außen her auf den Fotodetektor fallendes Licht die Messung nicht sturen kann, die Diode nicht übermoduliert werden. Allerdings ist, da der Sättigungspunkt extrem hoch liegt, diese Gefahr bei der wahrscheinlich auftretenden Intensität des Streulichtes nicht vorhanden. Die Emitterimpulse werden durch einen Multivibrator erzeugt. Die Art der verwendeten Halbleiter-Lichtquelle hat extrem gute Langzeitstabilität.

Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel besteht der Detektor zweckmäßigerweise aus einer Schottky Barrier Siliziumdiode mit einer aktiven Oberfläche von 0,08 cm . Um eine hohe Linearität zu erhalten, wird die Detektordiode 'fotogalvanisch an den ersten Operationsverstärker des Empfängers angeschlossen. Die Verstärkung der Impulse erfolgt in zwei Stufen, woraufhin das Signal einem Gleichrichter und einem Integrator zugeführt wird. Die so erhaltene Gleichspannung wird einem magnetelektrischen oder Drehspulinstrument zugeleitet. Durch Veränderung der Verbindung und des Brückenabgleiches können der Maximalpunkt und der

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Nullpunkt unabhängig voneinander eingestellt werden. Eine derartige Konstruktion des Instrumentes mit veränderlichem Maximal- und Nullpunkt erlaubt es, den gewünschten Meßbereich innerhalb der gesamten Dynamik zu eichen, sodaß die gesamte Gehäuselänge des Instrumentes ausgenutzt werden kann. Das elektronische System wird über eine stabilisierte Gleichstromeinrichtung vom Netz gespeist.

Das Fotometer mit dem pulsierenden Infrarotlicht wird zweckmäßigerweise in einem Kasten angeordnet, welcher außerdem eine Testrohreinrichtung aufweist, welche z.B. aus normalen Teströhr chen mit einer Länge von jeweils l8o mm und einem Durchmesser von jeweils 17 mm besteht. Die Glastype, Duran 50, hat durchaus ausreichende optische Eigenschaften. Während des Meßvorganges wird das leströhrchen mit der Schlammprobe in ein durchbohrtes PVC-Rohr eingesetzt. Dieses Rohr besitzt Bohrungen χUr die Lichtquelle und den Fotodetektor. Die Proben werden vom Deckel des Kastens aus eingesetzt. Eine außenljqgende Meßzelle, beispielsweise eine Durchflußküvette kann ebenfalls über einen Schalter angeschlossen werden. Andererseits kann das Fotometer naturgemäß auch auf verschiedenste andere Weise ausgebildet werden, beispielsweise in Form einer Tauchsonde.

Um die Meßwerte oder die Verfahrenssteuerung usw. aufzuzeichnen, wird zweckmäßigerweise ein fortlaufend arbeitendes Instrument mit einer entsprechend ausgewählten Zeitkonstante vorgesehen. Zum Aufzeichnen auf einen Drucker kann beispielsweise unter Berücksichtigung der geeigneten Papiergeschwindigkeit und der Ausschlagweite ein alle 5-10 min aufgezeichneter Durchschnittswert als geeignet angesehen werden (Wiksell 1973)·

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Nachstehend sollen einige Meßbeispiele die Erfindung weiter ' erläutern.

Von den Durchlüftungsbeoken verschiedener Reinigungsanlagen wurde für die Versuche aktiver Schlamm entnommen. Hauptsächlich wurde der Schlamm untersucht von der Reinigungsnlage Loudden in DjurgSrden, Stockholm, ferner von der Käppala-Reinigungsanlage bei Lidingö sowie von der Eolshäll- und Nockeby-Reinigungsanlagen in Stockholm, um Vergleiche durchführen zu können. Die Lichtabsorption, der Feststoffgehalt und der Schlammindex wurden für die verschiedenen Schlämme festgelegt, ebenso wie in einigen Fällen der Polysaccharid-Gehalt.

Die Trockensubstanz wurde durch Eindampfen und Trocknen bei 105⁰C in 50 ml-Proben bestimmt. Der Gehalt an Schebestoffen wurde als Differenz des Trockensubstanzgehaltes bei ungefilterten und gefilterten Proben erhalten.

Ein Sediment bildende Stoffe wurden dadurch bestimmt, daß man den Schlamm j50 min in einem 1/1-Meßglas aus Plexiglas mit einem Durchmesser von 6j5 mm absetzen ließ. Durch Division der Volumen der sedimentierten Stoffe in ml/1 durch den Gehalt an Schwebestoffen in g/l erzielt man den Wert für den Schlammindex in ml/g.

Die Messung des Gehaltes an Polysacchariden wurde in der von Bradley und Krone I971 beschriebenen Weise durchgeführt. Hierbei wurden 2 ml einer aktiven Schlammsuspension mit einem Gehalt unter etwa 500 mg/l in ein Testrohr eingefüllt, woraufhin 1 ml 5#-iges Phenol in Wasser zugesetzt wurde. Dann wurden 5 ml konzentrierte Schwefelsäure zugesetzt, und nach schneller Durch-

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mischung und Abkühlung auf Raumtemperatur wurde die Absorption der Mischung bei einer Wellenlänge von 4850 S gemessen. Zur Bestimmung des Polysacoharid-Gehaltes des Schlammes wurden nur zwei Meßreihen durchgeführt. Figur 2 zeigt die erzielten Resultate, wobei in dieser Figur auch die Resultate der Versuche von Bradley und Krone 1971 eingezeichnet sind. Aus der Figur zeigt sich deutlich, daß eine geradlinige Beziehung zwischen der kolor!metrischen Extinktion für den Polysaccharid-Gehalt und den Feststoffgehalt erhalten wurde. Diese Beziehung läßt sich annähernd folgendermaßen ausdrücken:

Kolorimetrische Extinktion = 0,032 χ Feststoffgehalt (mg/l).

Der Versuch zeigt, daß der Polysaccharidgehalt als Maß für den Feststoffgehalt verwendet werden kann, zumindest bei ein und derselben Reinigungsanlage.

Figur 3 zeigt die Lichtabsorption bei aktivem Schlamm von einer Loudden-Reinigungsanlage als Funktion des Feststoffgehaltes, gemessen mittels des Infrarot-Fotometers. Die erhaltene Kurve gehorcht folgender Gleichung:

Absorption = a^ χ Feststoffgehalt + a₂ ,

wobei a^ und Ig Konstanten bedeuten, deren Werte auch von der Art des Instrumentes abhängen.

Die mit dem Infrarot-Fotometer durchgeführten Versuche zeigten bei während eines Monats durchgeführten Messungen eine Maximal-

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abweichung von -24 bis +J52 %. Diese Maximalabweichung schließt Analysen-Fehler bei Bestimmung des Peststoffgehaltes durch Eindampfen ein. Bei etwa 2/j5 der Meßwerte betrug die Abweichung weniger als + 10$. Ein deutlicher Vorteil bei Verwendung des Infrarot-Fotometers besteht darin, daß ein höherer Feststoffgehalt gemessen werden kann und daß die Lichtquelle extrem stabil ist.

Während die Erfindung vorstehend anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung erläutert wurde, sind selbstverständlich im Rahmen der Erfindung die verschiedensten Abwandlungen möglich, wie sie jedem Fachmann bekannt sind.

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Claims

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Patentansprüche

[I.) Verfahren zur fotometrischen Messung des Gehaltes an Schwebestoffen in flüssigen Medien, bei welchem das flüssige Medium mittels einer Lichtquelle erhellt wird und die Lichtintensität nach dem Durchgang durch das flüssige Medium fotoelektrisch aufgezeichnet wird, dadurch gekennzeichnet, daß als Lichtquelle ein von lichtemittierenden Halbleiterdioden erzeugtes Infrarotlicht verwendet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Lichtquelle pulsierendes Infrarotlicht von Halbleiterdioden verwendet wird.
2· Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Lichtquelle eine lichtemittierende GaAs-Diode mit einer Wellenlänge von etwa 9500 fi und einer Bandbreite von etwa 200 fi verwendet wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Messung in einem frei herabfallenden Flüssigkeitsstrom durchgeführt wird.
5. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine aus einer lichtemittierenden Halbleiterdiode bestehende Lichtquelle mit einer Wellenlänge von etwa 9500 S und einer Bandbreite von etwa 200 Ä aufweist.

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6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiterdiode aus einer lichtemittierenden GaAs-Diode besteht.
7. Vorrichtung nach Anspruch 5* dadurch gekennzeichnet, daß sie eine Anordnung aufweist, mittels welcher die Emitterimpulse zum Pulsieren bringbar sind.
8. Vorrichtung nach Anspruch 5* dadurch gekennzeichnet, daß sie einen derart ausgelegten Verstärker aufweist, daß die Maximal- und Nullpunkte unabhängig einstellbar und dadurch ein willkürlich ausgewählter Teil der gesamten Dynamik ausnutzbar ist.

Patentanwalt.

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