DE3221966A1 - Verfahren und einrichtungen zur messung des biologisch aktiven schlammgehalts in waessrigen loesungen, z.b. belebtschlamm - Google Patents

Verfahren und einrichtungen zur messung des biologisch aktiven schlammgehalts in waessrigen loesungen, z.b. belebtschlamm

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Description

-S· ■
Die Erfindung betrifft Verfahren und Einrichtungen zur Messung des biologisch aktiven Schlämmgehaltes in wässrigen Lösungen wie z.B. des Belebtschlammes in Kläranlagen, bei dem dem zu untersuchenden Belebtschlamm ein Teilstrom entnommen wird, der mit Sauerstoff durchlüftet und kontinuierlich durch einen Reaktionsbehälter hindurchgeleitet wird, wobei der Sauerstoffgehalt vor Eintritt in den Reaktionsbehälter sowie nach Verlassen des Behälters gemessen wird.
' Die Bestimmung des biologisch aktiven Belebtschlammgehalts wird bisher im wesentlichen mit einem standardisierten Stichprobenverfahren durchgeführt. Das Ergebnis wird in gTS/1 oder g orgTS/1 angegeben.
Eine Zusammenfassung über kontinuierlich arbeitende Meßgeräte zur Erfassung des Belebtschlammes ist im Arbeitsbericht des ATV-Fachausschuß 2.13 (4/1981) zusammengefaßt und beurteilt Nach diesem Bericht haben sich bisher zur Bestimmung des belebten Schlammes nur optische und Ultraschall-Meßgeräte bewährt. Keines dieser Verfahren berücksichtigt die vorhandene Aktivität des Schlammes.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Verfahren und Einrich-t-ungen zu· schaffen, mit denen-sich kontinuierliche ': Messungen des biologisch aktiven Belebtschlammgehaltes in wässrigen Lösungen durchführen lassen.
Bei dem zu untersuchenden Belebtschlamm besteht ein linearer Zusammenhang zwischen der organischen Trockensubstanz pro Volumen, gemessen in g org TS/1, und deren Sauerstoffverbrauch, gemessen in mg 0?/l.Min, solange folgende Bedingungen eingehalten sind:
a) Die Nährstoffversorgung der Organismen während der Messungen muß gleichbleibend sein.
. b) Die Umweltbedingungen (Temperatur und pH-Wert) im Meßgerät müssen den Bedingungen der Organismen vor der Messung
angepaßt sein.
c) Der Sauerstoffgehalt im Belebtschlamm darf nicht limitierender Faktor werden.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß der Teilstrom mit biologisch neutralem Wasser verdünnt wird, und daß die Verdünnung des Teilstromes durch die Messung des Sauerstoffgehalts:vor dem Reaktionsbehälter und Vergleich mit dem Meßergebnis des Restsauerstoffgehalts nach dem Reaktionsbehälter derart geregelt wird, daß bei konstantem Volumenstrom durch den Reaktionsbehälter die Differenz der Meßwerte im wesentlichen bei einem vorgegebenen Wert konstant bleibt, wobei der Verdünnungsgrad zur Anzeige des biologisch aktiven Schlammgehaltes dient.
Für den Anwendungsfall geringfügiger Schwankungsbreiten wird die Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Teilstrom mit biologisch neutralem Wasser verdünnt wird und das Verdünnungsverhältnis bei Über- oder Unterschreiten zweier Grenzwerte um einen vorgegebenen Faktor erhöht oder verringert wird und das Mischungsverhältnis und die gemessene Sauerstoffdifferenz zur Anzeige des biologisch aktiven Schlammgehaltes dient. Die Grenzwerte sind Sauerstoffwerte im Zu-und Ablauf.
Der Sauerstoffgehalt des konstanten Volumenstromes - Belebtschlamm und Verdünnungswasser - wird also am Zu- und Ablauf des Reaktionsbehälters gemessen und die Differenz in einer geringen Schwankungsbreite konstant gehalten, indem bei kleiner werdender Sauerstoffdifferenz der zugesetzte Anteil an Verdünnungswasser verringert, bei größer werdender Differenz erhöht wird. Dadurch wird eine konstante Sauerstoffzehrung der Mikroorganismen im Reaktionsbehälter sichergestellt.
Das heißt auch, daß eine konstante Organismenmenge unabhängig vom Schlammgehalt der Flüssigkeit eingeregelt wird.
COPY
Bei erfindungsgemäßer Ausführung mit stufenweiser Änderung des Verdünnungsverhältnisses wird das Mischungsverhältnis von Probenstrom und Verdünnungswasser beim Über-oder Unterschreiten zweier Grenzwerte des Sauerstoffgehaltes jeweils um einen konstantenFaktor erhöht oder erniedrigt.
Diese Verfahrensweise bietet sich an, wenn sich die Schlammkonzentration über einen längeren Zeitraum in der gleichen Größenordnung bzw. geringfügigen Schwankungsbreiten bewegt. Sauerstoffdifferenz und Schlammgehalt sind dann proportional.
' Die Aussage, daß bei gleicher Sauerstoffzehrung und gleichem Mischungsverhältnis auch eine konstante Organismenmenge eingeregelt wird, impliziert die unter a) formulierte Bedingung ständig gleicher Nährstoffbedingungen für die Organismen. Im Belebtschlamm eines Belebungs- oder Nachklärbeckens bei Kläranlagen bewegen sich die Konzentrationsschwankungen dieses Nährstoffangebotes in der Regel zwischen 10 und 50 mg BSB^/l, d.h. zur Erfüllung der vorgenannten Bedingung muß dem Belebtschlamm-Wasser-Gemisch ein leicht abbaubares Substrat zudosiert werden, sodaß die Bedingung
- -V = V — T - -La + Lsub __ ) > (. Lb + Lsub
max K +L +K ,+ L, max K , + L. + K ,+L m.va a m,sub sub m,b b m,sub sub
(Gleichung 2) (erweiterte Michaelis-Menten-Gleichung)
erfüllt ist.
(Zeichenerklärung siehe Anhang)
Bei der erfindungsgemäßen Ausführung des Verfahrens soll dem konstanten Volumenstrom oder einem der beiden Teilströme eine leicht abbaubare Nährsubstanz zugeführt werden. Nach eigenen Messungen und Literaturauswertungen ist davon auszugehen, daß es sich bei den noch im Wasser gelösten Stoffen um schwerer abbaubare Restverschmutzungen mit kleinen K -Werten (1,7 - 3,7 mg/1) handelt (ESSER). Bei der zugeführten leicht abbaubaren Nährsubstanz kann ein K -Wert von 60 - 150 mg/1 angesetzt werden (ESSER). Bei zu erwartenden Restverschmutzunga-
Schwankungen im Belebtschlamm zwischen 10 und 100 mg BSB /1 und einer Erhöhung der Gesamtnährstofffracht im konstanten Volumenstrom um ca. 1000 mg BSB /1 ist mit einem Fehler von ca. 0,5 % vom Meßwert aufgrund der angenommenen unterschiedliehen Restschmutzkonzentrationen im Belebtschlamm zu rechnen (Rechnung siehe Anhang).
Die Organismen reagieren sehr empfindlich auf Veränderungen ihrer Lebensbedingungen. Um Störungen, hervorgerufen durch unterschiedliche Temperaturen des Belebtschlammes und des Verdünnungswassers, zu vermeiden, wird bei erfindungsgemäßer Ausführung des Verfahrens die Temperatur des zu untersuchenden Belebtschlammes oder des Teilstromes gemessen und die Temperatur des Verdünnungswassers oder des konstanten Volumenstromes auf die Temperatur des zu untersuchenden Belebtschiammei oder eine vorgegebene Temperatur eingeregelt.
Um Störungen, hervorgerufen durch unterschiedliche pH-Werte des Belebtschlammes und des Verdünnungswassers, zu vermeiden, wird bei erfindungsgemäßer Ausführung des Verfahrens der pH-Wert des zu untersuchenden Belebtschlammes oder des Teilstromes gemessen und der pH-Wert des Verdünnungswassers oder des konstanten Volumenstromes auf den pH-Wert des zu untersuchenden Belebtschlammes oder einen vorgegebenen pH-Wert eingestellt.
Die Erfindung bezieht sich ferner auf Einrichtungen zum Messen des biologisch aktiven Schlammgehaltes in wässrigen Lösungen wie z.B. des Belebtschlammes in Kläranlagen.
Die Einrichtung zur Ausführung des Verfahres mit einem Reaktionsbehälter durch den der Probenstrom hindurchfließt und je einer Sauerstoffelektrode im Zu-und Ablauf, kennzeichnet sich nach der Erfindung dadurch, daß die Probenstromleitung mit der Verdünnungswasserleitung zusammen geführt wird und dann die Luftleitung mit einer weiteren Leitung zusammengeführt wird und als Kontaktleitung im Entgasungsgefäß endet, wobei die Probenstromleitung
mit der Durchfluß-Regelvorrichtung des Probenstrom und die Verdünnungswasserleitung mit der zweiten Durchfluß-Regelvorrichtung und dem Entspannungsbehälter verbunden ist und das vom Auslauf des Entgasungsbehälters eine leitung, eine Suaerstoffelektrode, das Reaktionsgefäß und eine weitere Sauerstoffelektrode miteinander verbunden und bis zum Auslauf des Gerätes weitergeführt werden und die Durchfluß- Regelvorrichtungen sowie die Sauerstoffelektroden mit einer Steuerung verbunden sind, wobei die Steuerung einen Vergleicher und einen Stellsignalgeber für die Durchfluß-Regelvorrichtungen enthält.
Zur Nährstoffversorgung der Microorganismen wird -.
·—-—« ^—-.———■ an die Verdünnungswasserleitung
eine Nährstoffversorungseinrichtung bestehend aus einem Vorratsbehälter einer Dosierpumpe und einer Zuleitung angeschlossen ..
Die Temperatur und der pH-Wert werden durch entsprechende Meß-und Regeleinrichtungen kontrolliert und eingestellt. Es ist dabei ratsam diese Meßgrößen bereits vor der Abnahme des Probenstromes zu erfassen. Die Regelung wird durch eine solche Maßnahme vergleichmäßigt.
Bei der Durchfluß-Regelvorrichtung im Auslauf des Entgasungsbehälters handelt es sich um eine Drosselvorrichtung die die Summe der Reibungsverluste -die der Drosselvorrichtung und die des nachgeschalteten Leitungssystems- konstand hält. Das heißt, bei großen Reibungsverlusten im Leitungssystem wird durch den erhöhten Wasserstand im Entgasungsbehälter die Drosselstrecke in geringerem Maße beansprucht als bei kleinen Reibungs-Verlusten.
Bei einem Gesamtdurchfluß durch das System von 1-Liter/Min.
haben sich folgende Werte von Drosselstab und -rohr bewährt:
Drosselstab 0 6 mm
Drosselrohr 0 innen 7mm, Länge 200 mm Eintauchlänge 0 bis 200 mm je nach den Reibungsverlusten
Theoretische Fehlerabschätzung bei noch im Belebtschlamm vorhandener Restverschrnutzung und gleichzeitiger Nährstoffaufstockung mit leicht abbaubaren Substanzen:
In vereinfachter Form wird der Aktivitäts-Nährstoff-Zusammen-. hang durch die MICHAELIS-MENTEN-Gleichung
max K + L m
(Gleichung l)
dargestellt. Für die hier erforderliche Abschätzung wird Gleichung 1 auf die Form
TT ι L, + L .
L + L , ! b sub
max K +L + K *+ L -^ max K . + L1+ K , +L m, a a m, sub sub m, b b m, sub sub
(Gleichung 2) erweitert.
Beispiel:
Restkonzentration a = 10 mg BSB /1 Restkonzentration b = 50 mg BSB^/l Der Anteil des Verdünnungswassers, der ausgleichend auf die unterschiedlichen Konzentrationen a und b wirkt, wird vernachlässigt.
Km,a = 2
Km,b = 15
Km,sub= 120 mg/1
Substratkonzentration = 3^O - mg/1
10 + ' 300
V = Vmax (U -) = Vmax 0,717
V-V ( 50 + 30° ^^_) - V 0 721
" max ^ 15 + 120 + 50 + 300 ' ~ max u'/£:j-
Theoretischer Fehler = 0,6 %
COPY
* fa.
In Vorversuchen stellte sich bei einem Trockensubstanzgehalt von 1,0 g/l und einer Substrat-Zudosierung von 300 mg BSB /Min eine Sauerstoffzehrung von 1»7 mg 0 /1 Min ein.
Bei einem konstanten 0 -Steuerwert von 5,0 mg 0 -Differenz stellt sich somit im Reaktionsbehälter eine Belebtschlammkonzentration von 2,94 g/i ein.
Bei einer Schlammkonzentration im Probenstrom von 12,8 g TS/1 stellt sich mit diesen Werten ein Mischungsverhältnis (n + 1) von 3,, 35 g + 1 ein.
(3,35. + 1) 2,94 ■ = 12,8 g TS/1
Bei entsprechender Ausgestaltung des Meßgerätes erstreckt sich der Meßbereich des Meßgerätes von 0,05 bis 50 g TS/1.
Geht man davon aus, daß unter normalen Bedingungen etwa 10 mg Op im Wasser zur Zehrung zur Verfügung stehen, so wird durch die Zudosierung von Verdünnungswasser der Meßbereich auf das 8,5-fache erweitert.
Copy
In der Rechnung bedeuten:
L ' Substratkonzentration Abwasser "a" a
L. Substratkonzentration Abwasser "b"
L . Substratkonzentration der Nährlösung
K Michaelis-Menten-Konstante m. .
V Reaktionsgeschwindigkeit
V max maximale Reaktionsgeschwindigkeit g, mg Gramm, Milligramm
TS Trockensubstanz
org.TS organische Trockensubstanz
1 Liter
Min. Minute
BSB Biologischer Sauerstoffbedarf in fünf Tagen
Erläuterung zu Abb.
Ol Probenzuleitung
1 Probenpumpe
2 Verdünnungswasserpumpe
20 Verdünnungswasserbehälter
21 Verdünnungswasserleitung
3 Substratpumpe
30 Substratbehälter
31 Substratleitung
4 Temperaturfühler/pH-Fühler
5 Temperaturregelung/pH-Regelung 51 Mischleitung
6 Luftpumpe
60 Luftleitung
61 Kontaktleitung
7 Entgasungsbehälter
8 Überlauf 9' Schwimmer
91 Drosselstange
92 Drosselleitung
10 Pumpe ·
11 O2-Elektrode
12 Reaktionsbehälter
13 O2-Elektrode 131 Auslauf
14 elektronische Regel- und Anzeigeeinheit

Claims (15)

Verfahren und Einrichtungen zur Messung des biologisch aktiven Schlammgehalts in wässrigen Lösungen, z. B. Belebtschlamm Patentansprüche
1. Verfahren zur Messung des biologisch aktiven Schlammgehaltes in wässrigen Lösungen wie zum Beispiel des Belebtschlammes In Kläranlagen, bei dem dem zu untersuchenden Belebtschlamm ein Teilstrom entnommen wird, der mit Sauerstoff durchlüftet und kontinuierlich durch einen Reaktionsbehälter hindurchgeleitet wird, wobei der Sauerstoffgehalt vor Eintritt in den Reaktionsbehälter sowie sein Restsauerstoffgehalt nach Verlassen des Behälters gemessen wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Teilstrom mit biologisch neutralem Wasser verdünnt wird, und daß die Verdünnung des Teilstromes durch die Messung des Sauerstoffgehalts-' vor dem Reaktionsbehälter und Vergleich mit dem Meßergebnis des Restsauerstoffgehalts nach dem Reaktionsbehälter derart geregelt wird, daß bei konstantem Volumenstrom durch den Reaktionsbehälter die Differenz der Meßwerte im wesentlichen bei einem vorgegebenen Wert konstant bleibt, wobei der Verdünnungsgrad zur Anzeige des biologisch aktiven Schlammgehaltes dient.
2. Verfahren zur Messung des biologisch aktiven Schlammgehaltes in wässrigen Lösungen wie z.B. des Belebtschlammes in Kläranlagen, bei dem dem zu untersuchenden Belebtschlamm ein .Teilstrom entnommen wird, der mit Sauerstoff durchlüftet und kontinuierlich durch einen Reaktionsbehälter hindurchgeleitet wird, wobei der Sauerstoffgehalt vor Eintritt in den Reaktionsbehälter sowie sein Restsauerstoffgehalt nach Verlassen des Behälters gemessen wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Teilstrom mit biologisch neutralem Wasser verdünnt wird und das Verdünnungsverhältnis bei Über- oder Unterschreiten zweier Grenzwerte um einen vorgegebenen Faktor erhöht oder verringert wird.und das Mischungsverhältnis und die gemessene Sauerstoffdjfferqnz zur Anzeige des biologisch aktiven Schlammgehalts dient.
"'"·.""■"■ COPY
3. Verfahren nach Anspruch 1. oder 2., dadurch gekennzeichnet, daß dem konstanten Volumenstrom oder einem bzw. beiden Teilströmen eine Nährsubstanz zugemischt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1. und 3. oder 2. und 3., dadurch gekennzeichnet, daß die Konzentration der Nährsubstanz so gewählt wird, daß das Gemisch aus Belebtschlamm, Verdünnungswasser und Nährsubstanz eine Gesamtkonzentration bis 2000 mg/1 gemessen als BSB- aufweist.
5. Verfahren nach Anspruch 1-, 3. und 4. oder 2., 3. und 4.,
dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur des zu untersuchenden Belebtschlammes oder eines Teilstromes gemessen und die Temperatur des Verdünnungswassers oder des konstanten Gesamtstromes auf die Temperatur des zu untersuchenden Belebtschlammes oder eine vorgegebene Temperatur eingeregelt wird.
6. Verfahren nach Anspruch 1., 3., 4. und 5. oder 2., 3., 4. und 5., dadurch gekennzeichnet, daß der pH-Wert des zu untersuchen-
den Belebtschlammes oder eines Teilstromes gemessen und der pH-Wert des Verdünnungswassers oder des konstanten Gesamtstromes auf den pH-Wert des zu untersuchenden Belebtschlammes oder einen vorgegebenen pH-Wert eingestellt wird.
7. ' Einrichtung zur Ausführung des Verfahrens nach einem
der vorstehenden Ansprüche mit einem Reaktionsbehälter durch den der Probenstrom hindurchfließt und je einer Sauerstoffelektrode im Zu-und Ablauf, dadurch gekennzeichnet, daß die Probenstromleitung( 1) mit der Verdünnungswasserleitung(21) zusammen geführt wird und dann die Luftleitung(60) mit der Leitung(51) zusammengeführt wird und als Kontaktleitung(61) in das Entgasungsgefäß(7) geführt wird,wobei die Probenstromleitung( l) mit der Durchfluß-Regelvorrichtung(l) und die Verdünnungswasserleitung(2l) mit der Durchfluß-Regelvorrichtung(2) und dem Entspahnungsbehälter(20) verbunden ist und das vom ■Auslauf des Entgasungsbehälters(7) die Leitung(7l), die Sauerstoffelektrode(ll), das Reaktionsgefäß(12) und
die Sauerstoffelektrode(13) miteinander verbunden und bis zum Auslauf (131) weitergeführt werden und die die Durchfluß-Regelvorrichtungen(l) und(2) sowie die Sauerstoffelektroden(11) und(13) mit der Steuerung(14) verbunden sind, wobei die Steuerung(14) einen Vergleicher und einen Stellsignalgeber für die Durchfluß-Regelvorrichtung enthält.
8. Einrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß an die Verdünnungswasserleitung (21) eine Nährstoffversorgungseinrichtung bestehend aus dem Vorratsbehälter (30), der Dosierpumpe (3) und der Zuleitung (31) angeschlossen wird.
9. Einrichtung nach Anspruch 7 und 8, dadurch gekennzeichnet, daß in die Probenstromleitung { l) ein Temperaturfühler (4) und in die Verdünnungswasserleitung (21) eine Heizvorrichtung. .(5) eingebaut sind und daß.der Temperaturfühler (4) und die Heizung (5) an das Steuergerät (14) angeschlossen sind.
10. Einrichtung nach Anspruch 7, 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß in die Probenstromleitung ( .1) eine pH-Meßsonde-(4) und in die Verdünnungswasserleitung (21) eine Vorrichtung zur pH-Regelung eingebaut ist.und daß die pH-Meßsonde (4) und die Vorrichtung zur pH-Regelung (5) an das Steuergerät (14) angeschlossen
sind.
11. Einrichtung nach Anspruch 7, 8, 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß als Reaktionsbehälter (12) eine Rohr- oder Schlauchleitung eingebaut ist.
12. Einrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Reaktionsbehälterleitung (12) einen Innendurchmesser von 5 bis 25 mm hat
13. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß der Reaktionsbehälter (12) COPY ein Volumen von 0,5 bis 5 Liter hat.
14. Einrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzechnet, daß im Entgasungsbehälter(7) oder in der Leitung(71) eine Durchfluß-Regeleinrichtung eingebaut ist.
15. Einrichtung nach Anspruch 14, mit einem Schwimmer im Entgasungsbehälter, dadurch gekennzeichnet,daß der Auslauf des Entgasungsbehälters(7) als Drosselleitung(92) ausgebildet ist und daß am Schwimmer (9) eine Drosselstange(9$ angebracht ist, die in die Drosselleitung eintaucht.
COPY
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