DE2634846C3 - Verfahren zur automatischen Kontrolle von unterschiedlich belasteten Abwässern vor oder in Kläranlagen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erkennung von Substanzen im Abwasser, die den biologischen Abbau in einer Kläranlage hemmen, bei dem die Sauerstoffaufzehrung eines aus der Kläranlage stammenden Belebtschlammes einerseits mit einer Standardnährlösung und andererseits mit dem zu überprüfenden Abwasser gemessen wird.

Die durch einen hemmenden oder toxischen »Abwasserstoß« in der Kläranlage hervorgerufene Störung führt im allgemeinen zu einer Minderung der Klärleistung, kann aber auch, bei länger anhaltenden toxischen »Abwasserstößen«, zu einem völligen Ausfall der Kläranlage führen. Die Biomasse, die für die biologischen Abbauvorgänge verantwortlich ist, kann dabei so geschädigt werden, daß die Kläranlage für mehrere Tage oder Wochen mit stark verminderter Klärleistung arbeitet In extremen Fällen, bei denen die Schädigungen sehr groß sind, bedeutet es sogar, daß die Kläranlage neu angefahren werden muß.

Eine Früherkennung solcher toxischen Abwasserstöße ist deswegen für den Betreiber einer Kläranlage von großer Wichtigkeit Voraussetzung hierfür sind automatische Warngeräte, sogenannte Respirometer, die zuverlässig hemmende bzw. toxische Abwässer registrieren und melden. Die toxischen Abwässer können bei frühzeitiger Erkennung, z. B. in dafür vorgesehene Tanks abgespeichert und geeignete Maßnahmen zur

schadlosen Beseitigung ergriffen werden.

Das allgemeine Prinzip und die Bedeutung der Respirationsmessung im Abwasser von Kläranlagen ist zum Beispiel in Veröffenüichongen wie »Vom Wasser« Bd. 34, S. 261-280 (1S68) oder den »Dechema Monographien«, Bd. 64 (1970) ausführlich beschrieben. Eine Zusammenstellung der verschiedenen Verfahren zur Bestimmung des biochemischen Sauerstoffbedarfes Findet sich in der Zeitschrift »Wasserwirtschaft« 55

(1965) Heft 7, Seiten 224 und 225. Auf der Basis der hier angeführten Vergleichsmessungen ist eine Erkennung von toxischen Abwasserinhaltsstoffen innerhalb einer relativ kurzen Meßzeit nicht möglich. Außerdem kann anhand der Messungen keine Aussage gemacht werden,

is ob es sich um ein Abwasser handelt, das auf den biologischen Abbau hemmend oder ob sich lediglich der Gehalt an biologisch abbaufähigen Stoffen im Abwasser geändert hat Sämtliche beschriebenen Respirationsmessungen beruhen auf dem gleichen Prinzip, nämlich der Messung der Atmungsaktivität (Sauerstoffverbrauch) pro Zeiteinheit von Belebtschlamm unter Einwirkung des zu prüfenden Abwassers, wobei der Sauerstoff, welcher beim biologischen Abbauvorgang benötigt wird, in gelöster Form zur Verfügung stehen muß. Es sind sowohl Meßverfahren bekannt, bei denen der Sauerstoffverbrauch durch die Abnahme der Sauerstoffkonzentration im Gas (LuIt) gemessen wird als auch Methoden, bei denen der Sauerstoffverbrauch direkt in der Flüssigkeit durch die Abnahme des gelösten Sauerstoffs im Belebtschlamm-Abwassergemisch gemessen wird.

Unter diesen bekannten Meßgeräten ist das sogenannte »Kreislaufbelüftungsgerät«, welches ausführlich in der Fachzeitschrift »Vom Wasser« Bd. 34 (1968)

^J5 beschrieben ist, als eines der einfachsten und betriebssichersten anzusehen. Bei diesem Respirationsmeßgerät wird der für die biologischen Abbauvorgänge notwendige Sauerstoff durch eine volumenmäßig definierte Luftmenge, die im Kreislauf als sogenanntes Kreisgas

■><> durch das Belebtschlamm-Abwassergemisch gepumpt wird, eingebracht Der Belebtschlamm verbraucht für die biologischen Abbauvorgänge Sauerstoff, wobei der Sauerstoffkonzentrationsabfall im Kreisgas (Luft) ein Maß für die Schlammaktivität unter dem Einfluß des zu

*5 prüfenden Abwassers ist Die Voraussetzungen sind, daß man bei jeder Messung von einer volumenmäßig definierten Menge des zu prüfenden Abwassers, einem ausreichenden Angebot an gelörtem Sauerstoff und einer konstanten Meßzeit ausgeht. Der entscheidende Parameter für die Respirationsmessung ist der Sauerstoffverbrauch pro Zeiteinheit. Der Sauerstoffverbrauch ist im wesentlichen von zwei Faktoren abhängig, welche die Inhaltsstoffe des Abwassers betreffen:

1. Der Konzentration an biologisch abbaubarem Material. Je höher bzw. je niedriger die Konzentration an biologisch abbaubarem Material ist, um so höher bzw. niedriger ist der Sauerstoffverbrauch.

2. Der Konzentration an hemmenden bzw. toxischen Stoffen. Je größer die Menge an hemmenden bzw. toxischen Stoffen ist, um so geringer ist die Schlammaktivität und damit der Sauerstoffverbrauch.

Methoden zur Erkennung von toxischen Substanzen im Abwasser wurden bereits in der Literatur beschrieben. In der AT-PS 3 30 687 ist zum Beispiel ein Verfahren angegeben, bei dem Mikroorganismen unter konstanten Bedingungen kontinuierlich gezüchtet und

mit dem ebenfalls konstant strömenden zu untersuchenden Abwasser unter Einhaltung einer definierten Verweilzeit vermischt werden. Eine eventuell vorhandene Toxizität des Abwassers kann dann an einer Wachstumsschädigung bzw. an dem Stoffwechsel der Mikroorganismen erkannt werden. Des weiteren ist durch die britische Patentschrift H 26 786 ein Verfahren bekannt, bei dem die Sauerstoffaufzehrung von einzelligen Organismen, die mit Abwasser inkubier* werden und solchen, die überhaupt nicht belastet werden, verglichen wird. Bei der Zehrungsmessung wird außerdem eine anaerobe Stufe eingeschaltet Abgesehen davon, daß diese Methoden relativ kompliziert sind und die Züchtung von speziellen Mikroorganismen erforderlich machen, ergibt die Messung in beiden Fällen keine Aussage, ob es sich um ein Abwasser mit einer geringeren Konzentration an biologisch abbaufähigen Stoffen oder um ein Abwasser handelt, das auf den biologischen Abbau hemmend bzw. auf den Belebtschlamm toxisch wirkt

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, auf der Basis einer Respirationsmessung eine eindeutige Aussage darüber zu machen, ob es sich um ein hemmendes bzw. toxisches Abwasser oder lediglich um ein Abwasser mit geringer Konzentration an biologisch abbaubarem Material handelt, das für die Kläranlage völlig unbedenklich ist Außerdem sollen aus der Respirationsmessung Rückschlüsse auf den biologischen Sauerstoffbedarf des Abwassers gezogen werden können.

Diese Aufgabe wird, ausgehend von dem eingangs beschriebenen Verfahren, erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß in regelmäßigen Zeitabständen die Sauerstoffaufzehrungen eines ersten Gemisches aus dem Belebtschlamm, einem synthetischen Abwasser als Standardnährlösung und Trinkwasser und eines zweiten Gemisches, das bezüglich Belebtschlamm und Standardnährlösung die gleiche Zusammensetzung hat wie das erste Gemisch, bei dem jedoch der Trinkwasseranteil durch die gleiche Menge des zu überprüfenden Abwassers ersetzt ist, gemessen und die Meßwerte miteinander verglichen werden.

Ist die Zusammensetzung des Abwassers bekannt, so wird man vorzugsweise ein synthetisches Abwasser verwenden, das dieselben abbaubaren Komponenten enthält wie sie in dem zu prüfenden Abwasser vorliegen.

Eine Weiterentwicklung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet daß die zeitliche Abnahme der Sauerstoffkonzentration und die nach einer vorwählbaren Analysendauer noch vorhandene Restsauerstoffkonzentration in einem geschlossenen Reaktorkreislauf nebeneinander registriert werden. Bildet man fortlaufend die Differenz der Restsauerstoffkonzentrationen von dem ersten und zweiten Gemisch und weist diese Differenz als ein elektrisches Signal aus, so kann das elektrische Signal vorteilhaft für Regelzwecke oder zur Betätigung einer Alarmanlage benutzt werden, wenn die Differenz der Restsauerstoffkonzentrationen einen voreingestellten negativen Wert unterochreitet

Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt eine nahezu kontinuierliche Übf"-"»fung des Abwassers im Hinblick auf die Funkuunsianigkeit einer Kläranlage. Ist die Zusammensetzung des Abwassers im wesentlichen bekannt, so kann die Abbaufähigkeit des Belebtschlammes bei dem zu prüfenden Abwasser und der Standardnährlösung unmittelbar miteinander verglichen werden.

Ein wichtiger Vorteil ist ferner oknn zu sehen, daß bei der modifizierten Ausführung mit Registrierung der Restsauerstoffkonzentrationen im geschlossenen Reaktorkreislauf die Ansprechzeit der Messung so kurz ist daß der Klärwasserzulauf beim Vorhandensein von toxischen Substanzen noch rechtzeitig abgesoerrt werden kann. In jedem Falle läßt das erfindungsgemäße Verfahren im Gegensatz zu den bisher angewandten Meßverfahren die Aussage zu, ob es sich nur um ein Abwasser mit einer geringeren Konzentration an

ίο biologisch abbaufähigen Stoffen oder um ein Abwasser handelt, das auf den biologischen Abbau hemmend bzw. auf den Belebtschlamm toxisch wirkt

Im folgenden wird das erfindungsgemäße Verfahren anhand der Zeichnung beispielsweise näher erläutert Es zeigt

F i g. 1 den schematischen Aufbau und die Schaltfunktionen eines automatischen Respirometers zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens und
Fig.2 typische Zehrungskurven, die verschiedene Situationen in einer Kläranlage wiederspiegeln.

Meßprinzip

Es wird zuerst der Sauerstoffverbrauch eines Gemisches aus 100 ml Belebtschlamm, 5OmI synthetischem Abwasser, welches biologisch abbaubares Material enthält und 50 ml Trinkwasser bestimmt Dieser Sauerstoffverbrauch wird als sogenannter Grundsauerstoffverbrauch oder auch als Grundzehrung bezeichnet und auf einem Schreiber registriert Der Vorgang wird periodisch wiederholt, wobei der Zyklus vorgewählt werden kann. Bei der Abwasser-Analyse werden anstelle der 50 ml Trinkwasser, 50 ml des zu prüfenden Abwassers eingesetzt und der Sauerstoffverbrauch unter dem Einfluß des zu testenden Abwassers bestimmt Man erhält die sogenannte »Abwasserzehrung«, welche ebenfalls registriert wird. Enthält das Abwasser keine hemmenden bzw. toxischen Stoffe, muß bei der Abwasserzehrung der Wert der Grundzehrung mindestens erreicht oder überschritten werden. Wird ein geringerer Sauerstoffverbrauch registriert als bei der Grundzehrung, enthält d&s Abwasser den biologischen Abbau hemmende bzw. auf den Belebtschlamm toxisch wirkende Substanzen. Dadurch ist eine eindeutige Unterscheidung zwischen einem Abwasser mit geringe! er Belastung und einem Abwasser mit hemmenden bzw. toxischen Substanzen möglich.

Nachfolgend wird die Grundzehrung und die Überprüfung des Abwassers anhand von F i g. 1 beschrieben.

Grundzehrung

Die sogenannte Grundzehrung steht am Anfang des Programms. Von dem Vorratsgefäß für ein synthetisches Abwasser 1 und der Kühlwassereinspeisung (Trinkwasser) 2, die außerdem eine konstante Temperatur des synthetischen Abwassers gewährleistet wird über die Ventile 3,4 je 50 ml Probe in die Dosiergefäße 5 (synth. Abwasser) und 6 (Trinkwasser) abgemessen. Das synthetische Abwasser soüte möglichst die Hauptkomponenten, welche auch sonst in dem zu prüfenden Abwasser vorhanden sind, enthalten. Es kann auch ein synthetisches Abwasser verwendet werden, das biologisch leicht abbaubare Substanzen enthält (z.B. komplexe Nährlösungen: Pepton, Fleischextrakt, Hefeextrakt oder biologisch gut abbaubare organische Lösungsmittel: Äthanol, Isopropanol, Aceton). Im Vorratsgefäß 7 befindet sich Belebtschlamm, der der zu überwachenden Anlage entnommen wird. Der Belebt-

schlamm wird bei einer Konzentration von 1 mg/1 gelöstem Sauerstoff erhalten und wird nach ca. 8 Stunden erneuert Aus dem Vorratsgefäß 7 werden 100 ml Belebtschlamm über das Ventil 8 in das Dosiergefäß 9 eingebracht Nach dem Füllen der Dosiergefäße öffnen sich die Ventile 10, 11, 12 und lassen die entstehende Mischung in den mit Frischluft beschickten Reaktor 13 einlaufen. Mit Hilfe der Dosiervorrichtung 14 werden ca. 25 mg Antischaummittel in den Reaktor dosiert Grund dafür ist, eine eventuelle Schaumentwicklung bei der späteren Begasung auszuschließen. Die 3-Wege-Magnetventile 15,16 sind zu dieser Zeit so geöffnet, daß von der Membranpumpe 17 Frischluft angesaugt und nach dem Analysator Ϊ8 (z. B. Magnos, Firma Hartmann & Braun) ausgestoßen wird. Der Analysator dient zur prozentualen Bestimmung des Sauerstoffs im Gasgemisch. Nach einer Belüftungszeit von ca. 30 see der im Reaktor befindlichen Mischung bestehend aus: 50 ml synthetischem Abwasser, 50 ml Trinkwasser, 100 ml Belebtschlamm und 25 mg Antischaummittel werden die Magnetventile 15, 16 so umgeschaltet, daß ein geschlossener Gaskreislauf von der Membranpumpe 17 über Reaktor 13, Sicherheitstauchrohr 19, Strömungsmesser 20, Analysator 18 zur Membranpumpe 17 entsteht In der im Reaktor 13 befindlichen Mischung wird der Luftsauerstoff gelöst und von der Belebtschlamm-Biomasse verbraucht Der Verbrauch des gelösten Sauerstoffs durch die Belebtschlamm-Biomasse bewirkt eine Abnahme der Sauerstoffkonzentration im Kreisgas, die durch den Analysator 18 gemessen wird. Der im System zu CO2 und H2O umgesetzte Luftsauerston kann zu einem Unterdruck führen, der durch das Druckausgleichsgefäß 21, welches mit CO2 überlagert ist, kompensiert wird. Für einen konstanten Wasserdampfpartialdruck sorgt ein Wasserkühler im Reaktor. Die Analysendauer ist variabel, sie wird vorzugsweise auf 30—60 Minuten eingestellt Von dem Schreiber 22 wird sowohl die zeitliche Abnahme der Sauerstoffkonzentration im Kreisgas als auch die nach der Analyse im Kreisgas noch vorhandene Konzentration des Restsauerstoffs registriert (Grundzehrung). Die nachfolgenden Abwasserzehrung :n werden in der gleichen Weise registriert Der Restsauerstoffgehalt nach der Grundzehrung ist ein Parameter für die Atmungsaktivität des Belebtschlammes in Verbindung mit dem eingesetzten synthetischen Abwasser. Natürlich ist zu berücksichtigen, daß sich im Laufe der Zeit der Belebtschlamm in seiner Aktivität ändern kann. Die Atmungsaktivität wird daher alle 2—4 Stunden erneut bestimmt und registriert Es ist deshalb ein »Analysenzähler« eingebaut, der nach einem vorwählbaren Zeitprogramm die Bestimmung der Grundzehrung wiederholt Zwischen der Bestimmung der Grundzehrung erfüllt das Respirometer seine eigentliche Aufgabe: Die Überprüfung der Abwasser auf eine eventuelle toxische oder hemmende Wirkung auf den Belebtschlamm einer biologischen Kläranlage.

Überprüfung des Abwassers

Die Abwasserförderpumpe 23 füllt während einer Analyse (Grundzehrung oder Abwasserzehrung) das Sammelgefäß 24 mit dem zu prüfenden Abwasser. Nach Beendigung der Analyse wird der Reaktor über das Ablaufventil 25 und das mit der Dusche verbundene Ventil 26 gereinigt 50 ml des zu prüfenden Abwassers werden über das Ventil 27 in das Dosiergefiß 28 eingebracht Das zu prüfende Abwasser, welches biologisch abbaubares Material enthält, wird anstelle des bei Bestimmung der Grundzehrung zugesetzten Trinkwassers in den Reaktor dosiert Genau wie bei der Grundzehrung werden 100 ml Belebtschlamm und 50 ml synthetisches Abwasser über die Dosiergefäße 9 und 5 in den Reaktor' eingebracht Volumenmäßig sind damit dieselben Verhältnisse wie bei der Grundzehrung gegeben. Nachdem das Ansaugen der Frischluft — wie bei der Grundzehrung — beendet worden ist, werden nach einer Belüftungszeit von ca. 30 see der im Reaktor befindlichen Mischung die Magnetventile 15 und 16 so eingeschaltet, daß ein geschlossener Gaskreislauf von der Membranpumpe 17 über Reaktor 13, Sicherheitstauchrohr i9, Strömungsmesser 20, Analysator 18 zur Membranpumpe 17 entsteht Genau wie bei der Grundzehrung wird nach der eingestellten Analysenzeit der Restsauerstoffgehalt im Kreisgas durch den Analysator ermittelt und mit dem gespeicherten Wert der letzten Grundzehrung verglichen. Dieser Vergleich wird automatisch durchgeführt und ausgewertet indem man eine Zuordnung treffen kann, wie sie Fig.2 wiedergibt Das Diagramm zeigt Registrierkurven, wie sie mit dem Schreiber 22 gemessen wurden. Als Abszisse ist die Sauerstoffkonzentration im Reaktor 13 und als Ordinate die Zeit in Minuten aufgetragen. Die Kurve 1 zeigt die sogenannte Grundzehrung, Kurve 2 ein belastetes Abwasser, Kurve 3 ein schwach belastetes Abwasser, Kurve 4 ein Abwasser mit Hemmwirkung, Kurve 5 ein Abwasser mit toxischen Substanzen und Kurve 6 wieder die Grundzehrung. Bei einem Vergleich der Kurven fällt bei der Kurve 2 die schneilere Sauerstoffaufzehrung im Vergleich zur Grundzehrung auf, während bei dem schwach belasteten Abwasser (Kurve 3) die Aufzehrungsgeschwindigkeit etwa der Kurve 1 entspricht Bei einem Abwasser mit hemmenden Substanzen (Kurve 4) geht die Sauerstoffaufzehrung bedeutend langsamer vor sich. Das Vorhandensein von toxischen bzw. stark hemmenden Substanzen im

•Ό Abwasser erkennt man in Kurve 5 an dem Abknicken. Die Sauerstoffaufzehrung ist praktisch gestoppt

Da sowohl bei der Bestimmung der Grundzehrung als auch bei der Bestimmung der Abwasserzehrung immer gleiche Mengen synthetisches Abwasser zudosiert werden, muß die Konzentration des Restsauerstoffs im Gaskreislauf auch bei der Abwasserzehrung mindestens auf den Wert der Grundzehrung absinken, es sei denn, das zu prüfende Abwasser wirkt auf den Belebtschlamm toxisch oder hemmend. Die Konzentration des Restsauerstoffs im Gaskreislauf ist bei der Abwasserzehrung niedriger als bei der Grandzchrung, wenn das zu prüfende Abwasser biologisch abbaufähiges Material enthält Die Konzentration des Restsauerstoffs bei der Grundzehrung ist gleich der Abwasserzehrung, wenn das zu prüfende Abwasser weder biologisch abbaubares noch auf den Belebtschlamm stark hemmend wirkendes Material enthält Die Differenz der Konzentrationen des Restsauerstoffs im Kreisgas aus der Grundzehrung und der Abwasserzehrung ist daher ein gut geeigneter

ιό Parameter zur Kontrolle des Abwasserzulaufs zu einer biologischen Kläranlage. Zur Messung dieser Konzentrationsdifferenz kann eine elektronische Vergleichseinheit eingebaut werden, die so gewählt werden kann, daß bei einer bestimmten Konzentrationsdifferenz eine

^h" Alarmanlage betätigt wird bzw. elektrische Schalt- oder Regelimpulse abgegeben werden.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Erkennung von Substanzen im Abwasser, die den biologischen Abbau in einer Kläranlage hemmen, bei dem die Sauerstoffaufzehrung eines aus der Kläranlage stammenden Belebtschlammes einerseits mit einer Standardnährlösung und andererseits mit dem zu überprüfenden Abwasser gemessen wird, dadurch gekennzeichnet, daß in regelmäßigen Zeitabständen die Sauerstoffaufzehrungen eines ersten Gemisches aus dem Belebtschlamm, einem synthetischen Abwasser als Standardnährlösung und Trinkwasser und eines zweiten Gemisches, das bezüglich Belebtschlamm und Standardnährlösung die gleiche Zusammensetzung hat wie das erste Gemisch, bei dein jedoch der - Trinkwasseranteil durch die gleiche Menge des zu überprüfenden Abwassers ersetzt ist, gemessen und die Meßwerte miteinander verglichen werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das synthetische Abwasser dieselben abbaubaren Komponenten enthält, wie sie in dem zu prüfenden Abwasser vorliegen.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zeitliche Abnahme der Sauerstoffkonzentration und die nach einer vorwählbaren Analysendauer noch vorhandene Restsauerstoffkonzentration in einem geschlossenen Reaktorkreislauf nebeneinander registriert werden.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Differenz der Restsauerstoffkonzentrationen von dem ersten und zweiten Gemisch gebildet wird und ein Signal für Regelzwecke oder zur Betätigung einer Alarmanlage erzeugt wird, wenn diese Differenz einen voreingestellten negativen Wert unterschreitet