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Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung von Abwasser-
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parametern Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung von
Abwasserparametern aus dem Sauerstoffverbrauch eines Abwassers, insbesondere zum-Zwecke
der Betriebssteuerung und/oder Uberwachung einer biologischen Kläranlage, sowie
eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
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Biologische Kläranlagen wurden bisher häufig in der Weise betrieben,
daß eine einmal gewählte, der angenommenen maximalen Abwasserfracht angepaßte Einstellung
der Kläranlage über lange Zeit beibehalten wurde, ohne in den Ablauf des Klärprozesses
regelnd einzugreifen. Die Uberwachung beschränkt sich häufig auch heute noch auf
eine stichprobenartige Kontrolle des Abwasserzulaufs und der Qualität des geklärten
Abwassers.
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Mittlerweile setzt sich jedoch zunehmend die Erkenntnis durch, daß
die Leistung einer biologischen Kläranlage wesentlich besser nutzbar ist, vor allen
Dingen aber eine bessere Betriebssicherheit der Anlage erreicht werden kann, wenn
man die biologische Kläranlage in einer kontrollierten und geregelten Weise betreibt.
Man hat nämlich erkannt, daß sich in dem Klärbecken ein empfindliches Gleichgewicht
einstellt, welches im wesentlichen von der zulaufenden Abwasserfracht, dem Trockensubstanz-Gehalt
(TS-Gehalt), der Rückführrate, mit der Belebtschlamm aus dem nachgeschalteten Trennbecken
in das Klärbecken zurückgeführt wird und von der Sauerstoffversorgung des Klärbeckens
abhängt. Für eine möglichst gute Klärwirkung
bei geringer Uberschußschlammproduktion
wäre es beispielsweise günstig, eine möglichst hohe Belebtschlammkonzentration (TS-Gehalt)
in dem Becken aufrecht zu erhalten.
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Dies führt jedoch zu einer erhöhten durchschnittlichen Aufenthaltsdauer
des Schlammes im Becken, des sogenannten Schlammalters. Ein zu hohes Schlammalter
wiederum resultiert in einer Zersetzung der Schlammflocken, wodurch die Trennwirkung
zwischen Schlamm und geklärtem Abwasser im nachgeschalteten Trennbecken verschlechtert
wird.
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Auf Einzelheiten möglicher regelnder Eingriffe in das Gleichgewicht
einer biologischen Kläranlage soll hier nicht weiter eingegangen werden, da dies
nicht Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist. Man erkennt jedoch leicht, daß
zum Zwecke einer Regelung ein Verfahren und eine entsprechende Vorrichtung zur Bestimmung
der für die Regelung wichtigen Abwasserparameter notwendig sind. Die Bestimmung
muß hinreichend schnell erfolgen und praxisnahe Werte ergeben, um eine rechtzeitige
Gegensteuerung im Falle der Abweichung vom idealen Gleichgewicht zu ermöglichen.
Außerdem sollte sie so einfach wie möglich sein, damit sie auch von weniger geschultem
Personal durchgeführt werden kann. Der wichtigste zu bestimmende Abwasserparameter
ist die Abwasserfracht, üblicherweise gemessen als CSB-Wert ( chemischer Sauerstoffbedarf)
und umrechenbar in EGW-Einheiten (Einwohnergleichwerte). Ergänzend wäre es wünschenswert,
auch den TS-Gehalt des Klärbeckens, sowie das Abbauverhalten des Abwassers (Vorliegen
einer Hemmung, einer Überlastung oder einer Toxizität) schnell, einfach und zuverlässig
bestimmen zu können.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Verfahren und
eine Vorrichtung zur Verfügung zu stellen, die zur schnellen und einfachen quantitativen
Bestimmung von zur
Steuerung (bzw. Regelung) und Überwachung von
biologischen Kläranlagen geeigneten praxisnahen Parametern dienen. Erfindungsgemäß
wird diese Aufgabe bei einem Verfahren der eingangs näher bezeichneten Art durch
die im kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 wiedergegebenen Merkmale gelöst.
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Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens muß eine ausgezehrte
Belebtschlammsuspension verwendet werden, d.h.
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die organischen Verunreinigungen des Abwassers müssen durch die Bakterien
praktisch vollständig aufgezehrt sein. Die Belebtschlammsuspension in einem Klärbecken
ist bekanntlich unter normalen Betriebsbedingungen diesem Zustand relativ nahe,
da das Klärbecken stark durchmischt und deshalb im wesentlichen homogen ist. Der
gesamte Klärbeckeninhalt hat deswegen die Qualität des ablaufenden Wassers. Praktisch
genügt es daher zur Herstellung des ausgezehrten Zustandes, die Probe, gegebenenfalls
unter Belüftung, kurze Zeit stehen zu lassen, bevor die weiteren Verfahrensschritte
durchgeführt werden. Für das erfindungsgemäße Verfahren ist es notwendig, die ungefähre
Dauer des Abwasserabbaues, also die Dauer einer normalen Zehrungskurve, unter den
Bedingungen der betreffenden Kläranlage zu kennen. Diese kann auf verschiedenerlei
Weise bestimmt werden. Ein besonders geeignetes Verfahren ist aus der DE-OS 28 43
074 bekannt. Für die vorliegende Erfindung ist jedoch keine genaue Kenntnis des
Verlaufs der Zehrungskurve nötig, vielmehr genügt die Kenntnis, nach welcher Zeit
normalerweise die organischen Verunreinigungen in der betreffenden Kläranlage praktisch
vollständig abgebaut sind. Diese Bestimmung ist auch mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung
möglich, wie im folgenden noch beschrieben werden wird.
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Während der Meßphase a) des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die
sogenannte Grundatmung der Meßprobe bestimmt, die dem zur Arterhaltung notwendigen
Sauerstoffverbrauch der Bakterien des Belebtschlammes entspricht. Es ist wichtig,
daß der Sauerstoffgehalt des Ansatzes unterhalb der Sättigungsgrenze (ca. 7 mg/l)
und oberhalb eines Wertes gehalten wird, bei dem eine ausreichende Sauerstoffversorgung
der Bakterien nicht mehr gewährleistet ist. Zur Bestimmung des Sauerstoffverbrauches
sind verschiedene Verfahren bekannt.
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Besonders bewährt hat sich jedoch das weiter unten eingehender beschriebene
im Rahmen der vorliegenden Erfindung gefundene Verfahren.
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Die Meßphase b) entspricht im wesentlichen der Meßphase a), wobei
jedoch zu Beginn dieser Meßphase eine Probe Abwasser zugegeben wird, dessen Abwasserfracht
zu bestimmen ist. Das Volumen dieser Probe muß bekannt sein. Weiter ist wichtig,
daß dieses Volumen zu dem Volumen der Belebtschlammsuspension in einem Verhältnis
steht, welches näherungsweise dem Verhältnis zwischen dem während des Zeitraumes
To dem Klärbecken zufließenden Abwassers und dem Klärbeckenvolumen entspricht. Dies
ist notwendig, weil die Abwasserbelastung in dem Probegefäß in etwa der in dem Klärbecken
herrschenden Belastung entsprechen sollte, um vergleichbare, praxisnahe Bedingungen
sicherzustellen. Praktische Versuche haben aber ergeben, daß zuverlässige Meßwerte
auch durchaus noch erzielt werden, wenn das Volumenverhältnis zwischen Abwasserprobe
und Belebtschlammansatz in dem Probegefäß etwa zehn mal so groß ist wie das Verhältnis
zwischen der während der Zeit To eingeleiteten Abwassermenge und dem Volumen des
Klärbeckens.
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Auch während der Meßphase b) müssen insbesondere die gleichen Grenzen
der Sauerstoffkonzentration und auch im übrigen die gleichen Randbedingungen eingehalten
werden, wie bei der Meßphase a).
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Da der Sauerstoffverbrauch während der Meßphase b) der Summe der Grundatmung
und der zur Oxidation der organischen Verunreinigungen im Abwasser notwendigen Atmung
entspricht, erhält man letztere durch Subtraktion des Meßergebnisses der Meßphase
a) von dem der Meßphase b).
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Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wurde nun erkannt, daß man in
der Praxis sehr gut verwendbare und mit klassischen Bestimmungsmethoden unter Normalbedingungen
einwandfrei korrelierbare Meßergebnisse für die Abwasserfracht der Abwasserprobe,
ausgedrückt in CSB-Einheiten oder als Einwohnergleichwerte (EGW) erhält, wenn man
die zitierte Differenz ins Verhältnis setzt zu einem entsprechend an einem Abwasser
bekannter Abwasserfracht bestimmten Wert. Dabei bedeutet der Begriff entsprechend
zunächst, daß die gleichen Verfahrensbedingungen eingehalten werden müssen. Praktisch
wird man ein Abwasser bekannter Abwasserfracht verwenden und mit einer Reihe verschiedener
Konzentrationen das erfindungsgemäße Verfahren durchführen, um eine Eichkurve zu
erhalten. Mit Hilfe dieser Eichkurve können dann bei späteren Bestimmungen unbekannter
Abwässer aus den Differenzen der Sauerstoffverbrauchswerte der Meßphasen a) und
b) die entsprechenden Abwasserbelastungen der Probe bestimmt werden.
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Um dabei in der Praxis richtige Werte zu erhalten, muß selbstverständlich
auch ein entsprechendes Volumenverhältnis zwischen den Probevolumina bei der Eichung
und bei der Messung eingehalten werden. Dabei ist zu berücksichtigen, daß in der
Praxis zur Messung der Abwasserfracht sowohl Einheiten üblich sind, die sich auf
das Volumen Abwasser beziehen (CSB oder BSB biologischer Sauerstoffbedarf in S Tagen
7in Milligranun pro 5 Liter) als auch auf die Gesamtfracht in 24 Stunden bezogene
Größen (EGW oder CSB / bzw. BSB, Jesamtfracht in Gramm bzw.
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Kilogramm). Soweit in der betreffenden Kläranlage
mit
den erstgenannten Größen gearbeitet wird, läßt sich ein"entsprechendes"Volumenverhältnis
im Sinne der Erfindung bevorzugt realisieren, indem sowohl bei der Eichung als auch
bei der späteren Messung gleiche Volumina an Abwasser zugegeben werden. Die Eichwerte
in mg/l sind dann unmittelbar auf die Meßergebnisse übertragbar. Im zweiten Fall
muß natürlich der Zulauf der Kläranalge innerhalb von 24 h bei der Ermittlung der
Abwasserfracht berücksichtigt werden.
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Bevorzugt geschieht dies dadurch, daß für ein bestimmtes mittleres
Zulaufvolumen ein praxisgerechtes Probevolumen bestimmt und für die Eichung verwendet
wird. Bei der Messung wird dann so verfahren, daß jeweils für die Meßphase b) eine
Abwasserprobenmenge zugegeben wird, die dem Abwasserzulauf der Kläranlage proprotional
ist, d.h. insbesondere in einem solchen Verhältnis zu dem Volumen der Eichprobe
steht, daß dem Verhältnis zwischen der aktuellen Zulaufmenge der Klåranlage und
der bei der Eichung zugrunde gelegten Zulaufmenge entspricht.
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Eine besonders zuverlässige Messung erhält man, wenn man die Sauerstoffkonzentration
während der Meßphasen zwischen 2 und 6 mg/l hält. Gemäß einer anderen bevorzugten
Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens läßt man vor Durchführung der Meßphase
a) einen Zeitraum To verstreichen, während dessen man den Sauerstoffgehalt des Ansatzes
in den Grenzen wie bei den Meßphasen hält. Dadurch wird sichergestellt, daß die
Belebtschlammsuspension vollständig ausgezehrt ist.
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Eine andere besonders wichtige bevorzugte Verfahrensmaßnahme sieht
vor, aus dem gemäß Meßphase a) gemessenen Sauerstoffverbrauch den TS-Gehalt der
Anlage zu bestimmen. Dies läßt sich einfach dadurch erreichen, daß man die gleiche
Bestimmung zu Eichzwecken an einer Belebtschlammsuspension durchführt,
deren
TS-Gehalt man nach bekannten Verfahren bestimmt hat. Wichtig ist, daß der zur Eichung
verwendete Belebtschlamm eine entsprechende Zusammensetzung hat, d.h. insbesondere
etwa das gleiche Verhältnis zwischen anorganischer und organischer Substanz aufweist,
wie der Belebtschlamm,dessen TS-Gehalt später zu bestimmen ist. Praktisch wird man
in der Regel den Belebtschlamm der gleichen Kläranlage auch für die Eichung verwenden.
Es hat sich gezeigt, daß die Relation zwischen organischer und anorganischer Substanz
im Belebtschlamm, die im wesentlichen die Genauigkeit des hier beschriebenen Verfahrens
zur Bestimmung des TS-Gehaltes aus der Grundatmung bestimmt, in Kläranlagen selbst
bei stark schwankender Abwasserzusammensetzung über relativ lange Zeiträume konstant
bleibt, so daß eine Nacheichung im Abstand von mehreren Wochen völliiausreichend
ist.
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Weitere bevorzugte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens
zur Bestimmung von Abwasserparametern, des zugehörigen Verfahrens zur Bestimmung
des Sauerstoffverbrauches eines Belebtschlammansatzes und der erfindungsgemäßen
Vorrichtung werden im folgenden anhand eines in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispieles
sowie anhand von Diagrammen der entsprechenden Eichkurven näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, Fig. 2
eine schematische Darstellung der Büretten der Vorrichtung gemäß Fig. 1 mit der
entsprechenden Anbringung der Skalen, Fig. 3 ein Diagramm einer Eichkurve für die
Bestimmung des TS-Gehaltes in einer Belebtschlammsuspension,
Fig.
4 ein Diagramm einer Eichkurve für die Bestimmung der organischen Fracht einer Abwasserprobe.
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In Fig. 1 erkennt man ein Reaktionsgefäß 10, das in einem Thermostatisierungsbad
12 auf einem Ständer 14 steht. Unter dem Ständer 14 befindet sich ein Magnetrührer
16, der mit einem in dem Reaktionsgefäß 10 befindlichen Rührstab-18 in bekannter
Weise zusammenwirkt. Das Reaktionsgefäß 10 besteht aus einem Unterteil 20 und einem
Deckel 22, der fünf öffnungen aufweist. Die zentrale öffnung 24 dient dazu, das
Reaktionsgefäß 10 mit einer Belebtschlammsuspension, einer Abwasserprobe oder mit
einem synthetischen Abwasser zu beschicken. Zwei weitere öffnungen 26 und 28 dienen
der Zufuhr und Abfuhr von Stickstoff. Die öffnung 26 ist über eine Leitung 30 mit
einer Stickstoffquelle verbunden, wobei ein nur schematisch dargestellter bekannter
Druckregler 32 dafür sorgt, daß der Stickstoff mit geringer Geschwindigkeit durch
das Gasvolumen des Reaktionsgefäßes 10 strömt und aus der öffnung 28 über die Ableitung
34 wieder austritt.
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Eine weitere öffnung 36 ist über eine Leitung 38, eine als Dosiereinrichtung
wirkende Dosierpumpe 40 und eine Leitung 42 mit einem Vorrat an Sauerstoffträgerflüssigkeit
verbunden, der sich im dargestellten Falle in fünf Büretten 1 bis 5 befindet, die
jeweils mit einem Ventil 51 bis 55 verschlossen sind. Die Büretten dienen im vorliegenden
Fall als Meßeinrichtung für die von der Dosierpumpe 40 in das Reaktionsgefäß 10
eindosierte Sauerstoffträgerflüssigkeit.
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Schließlich weist der Deckel 22 eine fünfte öffnung 56 auf, durch
die eine Sauerstoff-Meßelektrode 58 in das Reaktionsgefäß dergestalt eingetaucht
ist, daß sie in die Flüssigkeit 60 eintaucht. Die Sauerstoff-Meßelektrode 58 ist
über eine elektrische
Leitung 62 mit einer Regeleinheit 64 verbunden.
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Diese ist wiederum über eine elektrische Leitung 66 mit der Dosierpumpe
40 verbunden.
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Die öffnungen 26, 28, 36 und 56 sind gegenüber der Außenwelt abgedichtet,
so daß durch sie kein Gas in das Reaktionsgefäß 10 gelangen kann. Die zentrale öffnung
24 ist durch einen Stopfen verschlossen, der lediglich zur Beschickung mit einer
der erwähnten Flüssigkeiten geöffnet wird. Dadurch wird die Gasatmosphäre oberhalb
der Flüssigkeit 60 in dem Reaktionsgefäß 10 ständig mit Stickstoff durchspült. Da
der Stickstoff gegenüber der Flüssigkeit inert ist, wird die Flüssigkeit 60 durch
die darüber befindliche Gasatmosphäre nicht beeinflußt.
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(Selbstverständlich führt der Stickstoff bei strenger Betrachtungsweise
ständig die aus der Flüssigkeit hervortretenden Dämpfe ab. Dies ist jedoch für die
vorliegende Messung ohne praktische Bedeutung). Die Stickstoffspülung dient insbesondere
dazu, atmosphärische Luft von dem Reaktionsgefäß 10 fernzuhalten. Dies ließe sich
selbstverständlich auch durch einen vollkommen geschlossenen Deckel realisieren,
wobei sich aber dann unter dem Deckel ein C02-Absorber befinden müßte, um das sich
bei den verschiedenen Verfahrensschritten entwickelnde CO2 zu entfernen.
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Die in Fig. 1 dargestellte Vorrichtung dient, abgesehen von den verschiedenen
Büretten 1 bis 5, im wesentlichen der erfindungsgemäßen Bestimmung des Sauerstoffverbrauches
eines Belebtschlammansatzes einer biologischen Kläranlage.
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Zu diesem Zweck wird in das Reaktionsgefäß ein Belebtschlammansatz
eingefüllt, der eine reine ausgezehrte Belebtschlammsuspension oder auch ein Gemisch
einer solchen Suspension mit einer Flüssigkeit, deren Einfluß auf den Sauerstoffverbrauch
des
Ansatzes bestimmt werden soll, sein kann. Soll nun über einen bestimmten Zeitraum
der Gesamtsauerstoffverbrauch des Belebtschlammansatzes bestimmt werden, so wird
während dieses Zeitraumes durch die Dosierpumpe 40 jeweils so viel Sauerstoffträgerflüssigkeit
in das Reaktionsgefäß 10 durch die Leitung 38 zudosiert, daß während des gesamten
Zeitraumes T die Sauerstoffkonzentration in dem Belebt-0 schlammansatz zwischen
0,5 mg/l und 6,5 mg/l bleibt. Bevorzugt sollte sie in Grenzen zwischen 2 und 6 mg/l
gehalten werden. Dies wird im dargestellten Ausführungsbeispiel erreicht durch die
Regeleinheit 64, die hier als sogenannter O2-Stat ausgebildet ist. Im dargestellten
Beispiel hat der 72, 74 und 76 O2-Stat drei Kontakte} beispielsweise bei 2, 4 und
6 mg/l.
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Wenn die Anzeige 78 des O2-Stat, gesteuert durch das Signal der Sauerstoffmeßelektrode
58 über die Leitung 62, unter 4 mg/l fällt, wird durch die Dosierpumpe 40 Sauerstoffträgerflüssigkeit
in das ReaktionsgefåB eindosiert. Diese Dosiergeschwindigkeit ist relativ gering,
so daß der Sauerstoffverbrauch in dem Reaktionsgefäß möglicherweise höher ist als
die Sauerstoffzufuhr durch die Sauerstoffträgerflüssigkeit.
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In diesem Fall sinkt die Anzeige 78 des O2-Stat weiter ab, bis der
Kontakt 72 bei 2 mg/l erreicht wird. In diesem Moment erhält die Dosierpumpe 40
über die Leitung 66 ein Signal mit einer erheblich höheren Geschwindigkeit zu fördern,
so daß die Sauerstoffkonzentration in dem Reaktionsgefäß 10, auch bei hohem Sauerstoffverbrauch
durch die darin ablaufende biochemische Reaktionrweder ansteigt.
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Wird umgekehrt der Kontakt 76 bei 6 mg/l überschritten, so wird die
Dosierpumpe 40 angehalten und somit die Sauerstoffzufuhr zum Reaktionsgefäß 10 unterbrochen.
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Im dargestellten Ausführungsbeispiel wird die Sauerstoffträgerflüssigkeit,
die dem Reaktionsgefäß 10 zugeführt wird,
einer der Büretten 1
bis 5 entnommen, deren Ventil 51-55 jeweils (wie im folgenden noch näher beschrieben
wird) geöffnet ist.
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Aus dem Verbrauch an Sauerstoffträgerflüssigkeit während der Zeit
T läßt sich mit Hilfe bekannter Formeln sehr einfach 0 der Sauerstoffverbrauch der
Flüssigkeit in- dem Reaktionsgefäß ermitteln. Wichtig ist dabei, daß die Dosierpumpe
so gesteuert wird, daß am Ende des Zeitraumes T wieder die An-0 fangskonzentration
eingestellt wird.
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Eine wesentliche Besonderheit des erfindungsgemäßen Verfahrens zur
Bestimmung des Sauerstoffverbrauches eines Belebtschlammansatzes ist, daß der während
des Reaktionszeitraumes verbrauchte Sauerstoff mit Hilfe einer Sauerstoffträgerflüssigkeit
zudosiert wird. Besonders bevorzugt ist hierzu H202, das sich in der Praxis überraschenderweise
sehr gut bewährt hat. Für ähnliche Anwendungen ist bisher stets der Sauerstoff in
gasförmiger Form zugeführt worden, weil in der Fachwelt offenbar die Meinung verbreitet
war, daß eine Trägerflüssigkeit für den Sauerstoff und insbesondere H202 nicht dazu
geeignet sei, den Sauerstoff in einer quantitativ meßbaren Form zuzuführen. Diese
Auffassung war wohl dadurch begründet, daß man glaubte, ein unkontrollierbarer und
von Fall zu Fall verschiedener Anteil des H202, welches ein starkes Oxidationsmittel
ist, werde in dem Belebtschlammansatz zur Oxidation verbraucht. Dies würde eine
quantitative Messung unmöglich machen, da hierzu Bedingung ist, daß der gesamte
in der Sauerstoffträgerflüssigkeit zugeführte Sauerstoff oder zumindest ein reproduzierbarer
Anteil davon in dem Belebtschlammansatz in freien Sauerstoff umgewandelt wird, der
von den Bakterien verarbeitet werden kann. Es war zwar bekannt, daß H202 zur Sauerstoffversorgung
eines Belebtschlammansatzes geeignet ist, weil der Sauerstoff in dem Belebtschlamm
aufgrund einer enzymatischen Reaktion
in freien Sauerstoff umgewandelt
wird. Neu ist jedoch die Erkenntnis, daß sich diese Reaktion für eine quantitative
Messung verwenden läßt, weil entgegen der weitverbreiteten Meinung nur ein unwesentlicher
Anteil des H202 für andere Oxidationsprozesse verbraucht wird.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens
zur Bestimmung des Sauerstoffverbrauches eines Belebtschlammansatzes einer biologischen
Kläranlage ist die Regeleinheit, im dargestellten Ausführungsbeispiel also der O2-Stat,
so ausgebildet, daß, beispielsweise durch kontinuierliche Regelung der Dosierpumpe,
die Sauerstoffkonzentration der Flüssigkeit in dem Reaktionsgefäß 10 während der
Zeit To ständig in relativ engen Grenzen konstant gehalten wird. Bei einer solchen
Ausführungsform ist die jeweilige Geschwindigkeit der Zudosierung des Sauerstoffes,
also die Pumpgeschwindigkeit der Dosierpumpe, ein Maß für den jeweiligen momentanen
Sauerstoffverbrauch. Dadurch ist mit dieser Einrichtung auch die Messung des Verlaufes
einer Zehrungskurve möglich, wenn man zu Beginn des Meßzeitraumes To die entsprechende
Probe in das Reaktionsgefäß 10 gibt und den Verlauf der Dosiergeschwindigkeit, die
zur exakten Konstanthaltung der Sauerstoffkonzentration in der Flüssigkeit 60 notwendig
ist, während der Zeit To aufschreibt.
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Selbstverständlich kann das gesamte Volumen an Sauerstoffträgerflüssigkeit,
das während des Zeitraumes To in das Reaktionsgefäß 10 eindosiert wurde, auch mit
Hilfe der Dosierpumpe 40 bestimmt werden, indem deren Umdrehungszahl beispielsweise
elektronisch registriert wird. Die dargestellte Ausführungsform mit Büretten ist
dagegen für eine einfachere, weitgehend manuell betriebene erfindungsgemäße Vorrichtung
besonders geeignet.
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Bevorzugt dient die zuvor beschriebene Messung des Sauerstoffverbrauches
während des Zeitraumes To dazu, gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren Abwasserparameter,
insbesondere zum Zwecke der Betriebssteuerung und/oder überwachung einer biologischen
Kläranlage, zu bestimmen. Zu diesem Zweck befindet sich bei der in Fig. 1 dargestellten
Vorrichtung der Vorrat an Sauerstoffträgerflüssigkeit in fünf Büretten 1 bis 5,
welche über die Ventile 51 bis 55 wahlweise zur Zufuhr der Sauerstoffträgerflüssigkeit
herangezogen werden können.
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Die Funktion dieser Büretten im Zusammenhang mit dem beschriebenen
Gerät wird im folgenden anhand von Fig. 2 unter Zugrundelegung eines praktischen
Beispiels erläutert.
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Zunächst ist bei einer den Verhältnissen im Klärbecken näherungsweise
entsprechenden Belastung der Verlauf einer normalen Zehrungskurve zu bestimmen.
Dies kann, wie erwähnt, mit Hilfe des in der DE-OS 28 43 074 beschriebenen Gerätes
erfolgen. Im übrigen eignet sich dazu aber auch jede andere Einrichtung, mit deren
Hilfe man feststellen kann, wie lange es dauert, bis nach Zugabe einer Abwasserprobe
in einer den Klärbeckenverhältnissen in etwa entsprechenden Mengenrelation zu einer
ausgezehrten Belebtschlammsuspension der Sauerstoffverbrauch wieder praktisch auf
den Wert der Grundatmung der Bakterien zurückgefallen ist. In vielen Fällen ist
diese Zeitdauer für eine bestimmte Kläranlage ohnehin bekannt. Im Beispiel sei angenommen,
daß die maximale Dauer der Zehrungskurve unter normalen Bedingungen bei etwa 20
Minuten liegt.
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Ausgehend von dieser Annahme wird der Zeitraum To, der den folgenden
Verfahrensschritten zugrundegelegt wird und größer sein muß, als der normale maximale
Zehrungskurvenverlauf, auf 30 Minuten festgelegt. Dadurch besteht eine Sicherheitsreserve
von 50 %.
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Zur eigentlichen Bestimmung der Abwasserparameter wird nun ein bestimmtes
Volumen an Belebtschlammsuspension, beispielsweise ein Liter, aus dem zu untersuchenden
Klärbecken in das Reaktionsgefäß 10 gefüllt. Danach wird der Deckel verschlossen
und die Stickstoffspülung eingeschaltet. Nun wird die Bürette 1 durch öffnen des
Ventils 51 mit der Dosierpumpe verbunden und der 02-Stat in Betrieb gesetzt. Dieser
dosiert nun während 30 Minuten, dem gewählten Zeitraum To, aus der Bürette 1 H202
zu der Flüssigkeit 60 in dem Reaktionsgefäß 10 zu. Dieser erste Verfahrensschritt
dient dazu, sicherzustellen, daß danach ein wirklich ausgezehrter Belebtschlamm
in dem Reaktionsgefäß 10 vorliegt. Der Verbrauch an H202 in der Bürette 1 wird nicht
für die weitere Auswertung verwendet.
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Danach wird das Ventil 51 geschlossen und das Ventil 52 geöffnet,
so daß für den nunmehr folgenden Zeitraum To das H202 der Bürette 2 entnommen wird.
Diese Meßphase dient der Bestimmung der Grundatmung der ausgezehrten Belebtschlammsuspension,
die als Blindwert für die folgenden Bestimmungen bekannt sein muß. Befindet sich
in dem Reaktionsgefäß 10 eine Belebtschlammsuspension mit bekanntem TS-Gehalt, so
erlaubt diese Meßphase die Eichung für künftige TS-Bestimmungen. Fig. 3 zeigt eine
Eichkurve, wie sie sich auf diese Weise mit Hilfe mehrerer Suspensionen bekannten
TS-Gehaltes bestimmen läßt. Dargestellt ist der TS-Gehalt in Gramm pro Liter Belebtschlammsuspension
in Abhängigkeit von dem Verbrauch an 0,22 %-iger H202-Lösung in Milliliter. Die
dargestellten Meßpunkte wurden mit Suspensionen mit einem bekannten TS-Gehalt von
8, 6, 4,5 und 3 g/l bestimmt. Wie man sieht, liegen die Meßpunkte in guter Näherung
auf einer Geraden. Diese Linearität zeigt, daß das H 202 überraschenderweise offenbar
im wesentlichen nur zur
Oxidation der Biomasse verwendet wird.
Aus dieser Erkenntnis folgt, daß man umgekehrt bei einer Suspension mit unbekanntem
TS-Gehalt den Verbrauch an H202 als Maß für die in der Suspension befindliche Biomasse
verwenden kann. Es sollte aber darauf hingewiesen werden, daß die Eichgerade nicht
durch den O-Punkt geht. Dies ist wahrscheinlich darauf zurückzuführen, daß ein geringer
Teil des H202 zunächst anderweitig verbraucht wird und der Biomasse demzufolge nicht
als nutzbarer freier Sauerstoff zur Verfügung steht. In der Praxis führt dies jedoch
zu keinen relevanten Meßfehlern in dem für biologische Kläranlagen üblichen Bereich
von Belebtschlammkonzentrationen.
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Aufgrund der Eichung kann man die Bürette 2 unmittelbar mit einer
entsprechenden Skala versehen, die in der Fig. 2 mit dem Bezugszeichen 72 bezeichnet
ist. Während dieses zweiten Meßzyklus läßt sich somit der TS-Gehalt einer Belebtschlammsuspension
einfach und schnell bestimmen, soweit, wie weiter oben bereits erwähnt wurde, die
zur Eichung verwendete Belebtschlammsuspension näherungsweise die gleiche Relation
zwischen organischer und anorganischer Substanz aufweist, wie die später bestimmte.
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Nach dieser zweiten Meßphase wird das Ventil 52 geschlossen und das
Ventil 53 geöffnet, so daß während der nächsten, ebenfalls 30 Minuten (To) dauernden
Meßphase das H202 aus der Bürette 3 zudosiert wird. Danach wird eine Abwasserprobe
durch die öffnung 24 in das Reaktionsgefäß zugegeben.
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Der Sauerstoffverbrauch während der folgenden Meßphase entspricht
somit der Summe aus der Grundatmung, wie sie in der zweiten Meßphase bestimmt wurde
und dem zusätzlichen, auf die zugeführte Verunreinigung zurückzuführenden biologischen
Sauerstoffbedarf.
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Die Menge der zugegebenen Abwasserprobe wird so festgelegt, daß ihr
Verhältnis zu dem Volumen der Belebtschlammsuspension etwa dem Verhältnis zwischen
der während des Zeitraumes To in das Klärbecken einlaufenden Abwassermenge und dem
Volumen des Abwassers entspricht. Fließen beispielsweise 720 m3 Abwasser pro 24
h in die Kläranlage, so sind dies 15 m3 in 30 min. Bezogen auf ein Klärbecken von
1500 m3 entspricht dies 1 %. Für einen derartigen Fall hat es sich bewährt, ein
Probevolumen von ca. 50 ml zu verwenden. Daraus resultiert im Vergleich zu dem Volumen
der Belebtschlammsuspension von 1 1 eine Konzentration von 5 %.
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Auch für diese Meßphase ist eine Eichung notwendig. Für den Fall,
daß die spätere Verunreinigung in EGW angegeben werden soll, muß dabei in geeigneter
Weise berücksichtigt werden, daß sich diese Größe auf den Zulauf innerhalb von 24
h bezieht. Die Eichung kann beispielsweise so durchgeführt werden, daß man den CSB-Wert
einer Abwasserprobe nach einer klassischen Methode, beispielsweise nach der DEV-Methode
bestimmt. Daraus läßt sich für ein bestimmtes Einlaufvolumen der EGW-Wert in bekannter
Weise berechnen. Beispielsweise wurde für eine Eichprobe der CSB-Wert zu 2,398 mg/ml
bestimmt.
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Ein Probevolumen von 41,70 ml Abwasser enthält dann 100 mg CSB. Bezieht
man dies auf ein Einlaufvolumen von 600 m3/24 h, so errechnet sich daraus mit Hilfe
der in der Industrie üblichen Definition von 1 EGW = 60 g CSB/24 h eine Abwasserbelastung
von 23 975 EGW. Weitere Eichproben lassen sich durch Abmessung entsprechend verminderter
Volumina mit entsprechend vermindertem CSB-Gehalt ermitteln. So entsprecheh z.B.
17,39 ml des gleichen Abwassers 10 000 EGW-Einheiten, wenn man der Berechnung eine
Verdünnung auf 41,7 ml und wiederum 600 m3 Einlauf berücksicht. Fig. 4 zeigt eine
mit insgesamt sechs derartig hergestellten Eichproben gemessene Eichkurve,
wobei
die Abwasserbelastung in EGW-Einheiten gegen den Verbrauch an 0,22 %-iger H202-Lösung
in ml aufgetragen ist. Man erkennt, daß auch hier in sehr guter Näherung ein linearer
Zusammenhang zwischen dem Verbrauch an H202 während der Meßzeit To und der Abwasserlast
besteht. Aufgrund dieser Eichkurve läßt sich die Skala 73 für die Bürette 3 herstellen,
die unmittelbar in EGW-Einheiten geeicht ist. Der O-Punkt der Skala liegt dabei
bei einem H2O2-Verbrauch, der der endogenen Atmung, also dem in der zweiten Meßphase
bestimmten Blindwert entspricht. Dadurch wird bei der Bestimmung der Abwasserlast
nur der H2O2-Verbrauch berücksichtigt, der die Grundatmung der Biologie übersteigt.
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Wie bereits weiter oben erwähnt wurde, muß bei einem derartigen Meßverfahren
der Einlauf zur Kläranlage berücksichtigt werden. Weicht dieser von dem der Eichung
zugrundeliegenden Zulauf ab, so läßt sich dennoch die gleiche Skala verwenden, wenn
man die Probenmenge entsprechend ins Verhältnis zu der der Eichung zugrundeliegenden
Probenmenge setzt. Im dargelegten Beispiel ist dann bei einer Zulaufmenge von 720
m3/24 h beispielsweise ein Probevolumen von 50 ml zu wählen, bei einer Zulaufmenge
von 144 m3/24 h ergibt sich ein Probevolumen von 10 ml.
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Selbstverständlich kann der Zulauf zur Kläranlage auch in anderer
Weise berücksichtigt werden. Bei einem aufwendigeren Gerät zur Durchführung des
erfindungsgemäßen Verfahrens wird der jeweilige Verbrauch an Sauerstoffträgerflüssigkeit
beispielsweise in geeigneter Weise in ein elektrisches Signal umgewandelt, welches
einer zentralen Registrier-, Speicher-und Recheneinheit zugeführt wird. In dieser
werden durch Vergleich mit zuvor bestimmten und abgespeicherten Eichwerten die Meßwerte
elektronisch errechnet. Bei einer solchen Einrichtung
kann es
vorteilhaft sein, jeweils das gleiche Abwasservolumen unabhängig vom Zulauf der
Kläranlage zu verwenden und die Zulaufmenge ebenfalls in elektronisch verschlüsselter
Form in das Gerät einzugeben. Das Gerät ist dann in der Lage, aus dem jeweiligen
Verbrauch an Sauerstoffträgerflüssigkeit während der dritten Meßphase und der Zulaufmenge
in bekannter Weise die Abwasserlast in EGW-Einheiten zu berechnen.
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Für den Fall, daß die Abwasserfracht nicht in EGW-Einheiten, sondern
als volumenspezifische Abwasserfracht in mg CSB/ ml oder auch als BSt-Wert angegeben
werden soll, ist es, wie weiter oben bereits dargelegt wurde, sinnvoll, während
der dritten Meßphase zur Eichung und zur Messung jeweils gleiche Volumina von Abwasserproben
zu verwenden.
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Der TS-Gehalt und die organische Abwasserfracht sind die wichtigsten
Basisbestimmungen bei der Regelung oder Überwachung einer biologischen Kläranlage.
Darüber hinaus erlauben bevorzugte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens
und der entsprechenden Vorrichtung die Bestimmung einer Hemmung oder Überlastung
der Kläranlage sowie einer eventuellen Toxizität des zugeführten Abwassers.
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Zur Bestimmung der Hemmung oder Überlastung der Anlage wird anschließend
an die dritte Meßphase eine vierte Meßphase durchgeführt, wozu das Ventil 54 der
Bürette 4 geöffnet und das Ventil 53 der Bürette 3 geschlossen wird. Wenn keine
Überlastung oder Hemmung vorliegt, sollte während der vierten Meßphase, die wiederum
30 min (To) dauert, der Sauerstoffverbrauch genau dem während der zweiten Meßphase,
also der Grundatmung oder endogenen Atmung der Biologie entsprechen.
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Auch die vierte Bürette hat eine entsprechende Skala, deren
0-Punkt
diesem Grundatmungswert entspricht. Ist der H202-Spiegel in der vierten Bürette
nach dem Zeitraum T über 0 diesen Wert abgesunken, so liegt entweder eine Hemmung
des Abbaus durch schwer abbaubare Stoffe oder eine überlastung der Anlage vor. Beide
Fälle lassen sich insoweit unterscheiden, als eine Überlastung der Anlage, d.h.
eine Zufuhr zu großer Mengen an normal abbaubaren organischen Verunreinigungen bereits
während der dritten Meßphase zu einem sehr hohen Meßwert geführt haben muß. Das
Meßergebnis der vierten Meßphase ist dem der dritten Meßphase hinzuzurechnen, um
die Gesamtbelastung zu erhalten.
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Wenn dagegen in dem untersuchten Abwasser schwer abbaubare Substanzen
vorhanden waren, jedoch die Menge der Verunreinigungen normal ist, spricht man von
einer Hemmung. In diesem Fall hat die Messung während der dritten Meßphase einen
normalen Verunreinigungswert ergeben, der innerhalb der Kapazität der betreffenden
Kläranlage liegt. Wenn dennoch der H202 -Verbrauch während der vierten Meßphase
über der Grundatmung liegt, so kann man folglich auf das Vorliegen schwer abbaubarer
Substanzen in dem Abwasser schließen.
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Zur Bestimmung einer eventuellen Toxizität wird eine fünfte Meßphase
durchgeführt, wobei das Ventil 55 der Bürette 5 geöffnet und das Ventil 54 der Bürette
4 geschlossen wird.
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Gleichzeitig wird durch die öffnung 24 des Reaktionsgefäßes 10 eine
definierte Menge eines Abwassers zugegeben, dessen Abbauverhalten bekannt ist. Geeignet
ist für viele Zwecke beispielsweise Äthanol. Gibt man beispielsweise 50 mg CSB Äthanol
zu, so wird das zugesetzte Äthanol in 6 min total in einer steilen Abbaukurve abgebaut,
wenn keine toxischen Verunreinigungen vorliegen. Sind dagegen toxische Stoffe in
dem während der dritten Meßphase zugeführten Abwasser vorhanden,
so
tritt eine Hemmung des Äthanolabbaus auf. Um hier zwei interessante Fälle unterscheiden
zu können, wird der H2O2-Verbrauch bei der dargestellten Ausführungsform zu zwei
verschiedenen Zeitpunkten bestimmt, nämlich nach 6 min und nach 30 min. Entsprechend
sind an der Bürette 5 zwei Skalen 75 und 76 angebracht, deren 0-Pankte jeweils dem
bei normalem Abbau des zugegebenen Äthanols zu erwartenden Verbrauch an H202 entsprechen.
Bei Vorliegen einer Toxizität wird entsprechend weniger Äthanol abgebaut, die entsprechenden
Mindermengen sind auf den Skalen in Prozent angegeben. Durch die neuartige Differenzierung
zwischen zwei verschiedenen Meßzeitpunkten ist es möglich, nähere Aufschlüsse über
die Art der Schädigung der Biomasse durch das zugeführte Abwasser zu gewinnen.
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Selbstverständlich können statt der fünf Büretten andere geeignete
Maßeinrichtungen zur Bestimmung des ff2O2-Verbrauchs während der verschiedenen Meßphasen
verwendet werden. Dies ist insbesondere bei automatisierten Geräten sinnvoll. Bevorzugt
kommt eine programmierbare automatisch arbeitende Kolbenbürette hierfür in Betracht,
die sich nach jeder Meßphase wieder auf Null einstellt. Sie kann mit einer Registrier-,
Speicher- undRecheneinheit verbunden sein, die aus abgespeicherten Eichwerten und
den jeweiligen Meßergebnissen die gesuchten unbestimmten Eigenschaften des Abwassers
bestimmt.
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Insgesamt erlaubt das erfindungsgemäße Gerät aufgrund des entsprechenden
erfindungsgemäßen Verfahrens in einfacher Weise eine schnelle und hinreichend genaue
Bestimmung folgender Größen:
Bestimmung der TS-Gehaltes in der
Biologie; Bestimmung der organischen Fracht des zugeführten Abwassers in kg Sauerstoffbedarf
(BSB oder CSB) oder EGW; Feststellung einer Hemmung oder überlastung der Anlage;
Feststellung, ob toxische Inhaltsstoffe sich in dem Abwasser befinden und in welcher
Weise sie das Abbauverhalten beeinflussen.
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In der Tabelle 1 wird das Ergebnis von Vergleichsuntersuchen an einem
Industrie-Abwasser eines mit einer Vielzahl verschiedener Lösungsmittel arbeitenden
biochemischen Betriebes dargestellt, wobei die- Abwässer jeweils nach dem deutschen
Einheitsverfahren (DEV) und nach dem erfindungsgemäßen Verfahren bestimmt wurden.
Wie aus der Tabelle zu ersehen ist, stimmen die nach DEV bestimmten TS-Gehalte mit
den erfindungsgemäß bestimmten mit einer maximalen Abweichung von 2,5 % überein.
Etwas größer ist die Abweichung bei einigen Messungen der organischen Abwasserfracht.
Die maximale Abweichung liegt hier in einem Fall bei ca. 10,8 %.
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Auch eine derartige Genauigkeit ist jedoch für die Praxis völlig ausreichend,
wenn es darum geht, eine Kläranlage entsprechend den Abwasserwerten zu regeln. Dabei
ist das erfindungsgemäße Verfahren erheblich einfacher und schneller durchzuführen
und erlaubt zusätzliche Aussagen über das Vorliegen einer Hemmung oder einer Toxizität
des Abwassers.
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Soweit eine Abweichung gegenüber den nach DEV bestimmten Meßwerten
festzustellen ist, sind die erfindungsgemäß bestimmten Meßwerte als für die Regelung
einer biologischen Kläranlage geeigneteren Meßwerte anzusehen, weil sie den Sauerstoffbedarf
der Biologie, d.h. die für eine biologische Kläranlage entscheidende Meßgröße, zur
Grundlage haben.
Tabelle 1 : Vergleiche der Untersuchung von Industrie-Abwasser
wechselnder Zusammensetzung nach bekannten und erfindungsgemäßen Methoden 2. Mcßphase
3 Meßphase 4.Meßphase 5.Meßphase
| TS-Gehalt in = % CSB-Fracht in EGW (Überlast) CSB- Summe EGW
% Abwei- Tox. I Tox. II |
| der Biologie Abwei- Tracht in EGW Phase 3 + 4 chung Sum- (6')
(30') B e m e r k u n g e n |
| nach erfin- chung nach erfin- erfindungs- EGW (erfin- me Phase
% Hem- % Hem- |
| DEV dungs- vom DEV dungs- gemäß dungsgomäß 3 + 4 vom mung mung |
| gemäß DEV gemäß DEV-Wert |
| Im Abwasser waren schwer |
| .04.80 4 4,1 + 2,5 20.611. 18.667 2.000 20.667 + 0.27 11,91
0 abbaubare, teilweise to - |
| xisch wirkende Substanzen |
| überlastet. |
| 04.80 6,7 6,8 + 1,5 14.368 14.667 0 14.667 + 2.08 0 0 |
| 04.48 6,0 6,1 + 1,7 22,251 22.016 0 22.016 - 1,06 0 0 Teilweise
schwer abbauba- |
| re substanzen im Abwasser |
| enthalten. |
| 04.80 6,3 6,3 0 17.673 17.916 1.667 19.583 + 10,81 0 0 |
| 0.480 6,3 6,3 0 12.950 12.943 583 13.526 + 4,45 0 0 |
| 04.80 6,3 6,25 - 0,8 12.100 12.167 0 12.167 + 0,55 0 0 |
| 05.80 5,8 5,85 + 0,8 7.863 7.667 0 7.667 - 2,49 0 0 |
| 05,80 5,6 5,7 + 1,8 16.658 13.617 2.258 15.875 - 4,7 0 0 dto. |
| Anlage ist überlastet. |
| Schwer abbaubare zum Te@@ |
| toxisch wirkende Substa@@ |
| 05.8 6,8 6,7 - 1,5 24.992 22.667 3.333 26.000 + 4,3 26 zen
enthalten. ARA war # |
| Berdem organisch überla@@ |
* ARA = Abwasserreinigungsanlage