DE3818906A1 - Verfahren und vorrichtung zur toxizitaetsmessung von waessrigen loesungen, insbesondere abwasser - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Toxizitätsmessung von wässrigen Lösungen, insbesondere Abwasser mittels einer auf frei beweglichen Bioträgern angesiedelten Biomasse, die in einen Zehrungsbehälter eingebracht werden, der anschließend von einem Lösung-Frischwasser- Gemisch durchströmt wird, dessen Sauerstoffgehalt ermittelt und zur Bestimmung des Toxizitätsgrades benutzt wird. Die Erfindung betrifft außerdem eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Zur Messung des Toxizitätsgrades von Abwasser sind mehrere Verfahren bekannt, die grundsätzlich darauf beruhen, eine aus Mikroorganismen bestehende Biomasse von vorgegebener Menge bzw. Konzentration dem Abwasser auszusetzen und nach einer vorgegebenen Zeitspanne den infolge der Toxizität deren verminderte Atmungsaktivität zu ermitteln. Dabei muß beispielsweise eine Trübungsmessung der Mikroorganismen in Suspension durchgeführt werden. Hierbei ist es aber schwierig, eine vorgegebene Konzentration an Mikroorganismen in Suspension konstant zu halten.

Bei einem bekannten Verfahren zur Bestimmung der Toxizität (DE-OS 24 15 771) wird die Sauerstoffzehrung, die ein Maß für den Stoffwechselvorgang in den Mikroorganismen darstellt, durch eine Unterdruckmessung in einem geschlossenen System ermittelt.

Bei einem bekannten Verfahren der eingangs genannten Gattung (EP-PS 49 887) erfolgt eine Bestimmung des biologischen Sauerstoffbedarfs (BSB) mittels einer Biomasse, die auf in einem Bioreaktor frei beweglichen Bioträgern angesiedelt ist. Hierbei ist der Verdünnungsgrad des der Biomasse zugeführten Abwasser- Frischwasser-Gemischs, mit dem ein vorgegebener Sauerstoffgehalt eingestellt wird, ein Maß für den biologischen Sauerstoffbedarf. Neben dieser BSB-Messung kann bei dem bekannten Verfahren in einem zweiten Abwasser-Teilstrom in gleicher Weise behandelt werden, wobei jedoch der Verdünnungsgrad des zweiten Teilstroms um einen konstanten Faktor niedriger eingeregelt wird, als der des ersten Teilstroms. Eine Veränderung der Differenz der Sauerstoffgehalt-Meßwerte vor und hinter dem Bioreaktor des zweiten Teilstroms wird mit der Veränderung der Differenz der Sauerstoffgehalt-Meßwerte aus dem Bioreaktor des ersten Teilstroms verglichen und als Toxizitätgrad angezeigt.

Allen bekannten Verfahren ist gemeinsam, daß es nicht möglich ist, die Mikroorganismen vor Durchführung der Toxizitätsmessung zu behandeln, beispielsweise zu waschen und/oder auf ein spezielles zu untersuchendes Abwasser einzustellen. Da die Mikroorganismen mit demselben Abwasser vorbehandelt wurden, dem sie - gegebenenfalls in anderer Konzentration - während der Toxizitätsmessung ausgesetzt sind, besteht die Gefahr, daß die Mikroorganismen auch die in diesem Abwasser vorliegenden toxischen Stoffe nicht oder nicht mehr ausreichend rasch reagieren. Auch wenn nur eine Toxizitätsmessung durchgeführt werden soll, müssen bei dem bekannten Verfahren nach der EP-PS 49 887 immer zwei BSB- Messungen gleichzeitig durchgeführt und deren Ergebnisse verglichen werden, um den Toxizitätsgrad des Abwassers zu ermitteln.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren der eingangs genannten Gattung so auszugestalten, daß in einem raschen und verhältnismäßig einfachen Verfahrensablauf eine Toxizitätsmessung mit hierauf optimal vorbereiteten Mikroorganismen durchgeführt werden kann, deren Menge und Ausgangszustand für jeden Meßzyklus mit hoher Genauigkeit konstant eingestellt werden kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Bioträger mit der darauf angesiedelten Biomasse in einem gesonderten Aufzuchtbehälter bereitgehalten werden, und daß eine vorgegebene Menge von Bioträgern in den Zehrungsbehälter eingebracht und dort mit Frischwasser gespült wird, und daß das Lösung-Frischwasser-Gemisch im Kreislauf durch den Zehrungsbehälter geführt wird.

Durch die Bindung an die Bioträger kann die Biomasse stationär fest gehalten und gehandhabt werden. Da die Bioträger nicht in dem Zehrungsbehälter, in dem anschließend Toxizitätsmessung durchgeführt wird, sondern in einem gesonderten Aufzuchtbehälter vorbereitet und bereitgehalten werden, lassen sich für die Aufzucht der Biomasse die jeweils gewünschten optimalen Bedingungen einstellen. Die Biomasse wird dort unabhängig von der Zusammensetzung und Konzentration des anschließend zu untersuchenden Abwassers oder einer anderen wässrigen Lösung unter konstanten Bedingungen mit Nährlösung und Sauerstoff versorgt und kann als eine konstante, vorgegebene Menge an Mikroorganismen in den Zehrungsbehälter eingebracht werden.

Durch die dann erfolgende Spülung mit Frischwasser wird erreicht, daß den Mikroorganismen keine Nährstoffe mehr zur Verfügung stehen. Sie sind deshalb bereit, sofort und schnell neu zugeführte Stoffe aufzunehmen und somit auch auf etwaige toxische Stoffe zu reagieren.

Wenn anschließend in dem den Zehrungsbehälter enthaltenden Kreislauf die Veränderung der Sauerstoffzehrung durch Bestimmung des Sauerstoffgehalts erfolgt und als Maß für die Toxizität des zugeführten Lösung- bzw. Abwasser- Frischwasser-Gemischs herangezogen wird, so erfolgt diese Bestimmung auf der Grundlage einer Biomasse, deren Menge und Eigenschaften für jeden Meßzyklus mit hoher Genauigkeit gleich eingestellt werden, so daß eine weitgehende Standardisierung her Meßbedingungen und somit eine hohe Objektivität des Meßergebnisses erreicht werden.

In Weiterbildung des Erfindungsgedankens ist vorgesehen, daß die im Zehrungsbehälter enthaltenen Bioträger nach Beendigung eines Meßzyklus gespült und in den Aufzuchtbehälter zurückgefördert werden. Dort werden die Mikroorganismen wieder ernährt und auf ihren Ausgangszustand gebracht.

Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, daß als Aufzuchtbehälter ein der Messung des biologischen Sauerstoffbedarfs von Abwasser dienender Bioreaktor verwendet wird, der auf frei schwimmenden Bioträgern angesiedelte Biomasse enthält. Bei dieser Verbindung der BSB-Messung mit der Toxizitätsmessung wird der für diese erforderliche zusätzliche Aufwand besonders gering, da als erfindungsgemäß erforderlicher gesonderter Aufzuchtbehälter der ohnehin vorhandene Bioreaktor der Einrichtung zur BSB-Messung verwendet werden kann.

Zweckmäßigerweise ist die Konzentration des Abwasser- Frischwasser-Gemisches im Zehrungsbehälter so hoch gewählt, daß sich eine etwaige Toxizität auf die Biomasse meßbar auswirkt. Dagegen wird die Konzentration im Aufzuchtbehälter so niedrig eingestellt, daß Toxizitäten dort nicht wirksam werden.

Eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens mit einem die Bioträger aufnehmenden Zehrungsbehälter, der in einem mindestens eine Sauerstoffelektrode und eine Umwälzpumpe enthaltenden Wasserkreislauf liegt, an den eine Frischwasserpumpe und eine Abwasserpumpe angeschlossen sind, ist dadurch gekennzeichnet, daß der Zehrungsbehälter ein schräges Rohr ist, dessen obere Öffnung mit einem nach oben geführten Auslaß eines Aufzuchtbehälters verbunden ist, daß zwischen der oberen Öffnung des Zehrungsbehälters und dem Auslaß des Aufzuchtbehälters ein Absperrorgan angeordnet ist, und daß die obere Öffnung und ein unteres Ende des Zehrungsbehälters an den Wasserkreislauf angeschlossen sind.

Vorzugsweise ist der Aufzuchtbehälter in einen Wasserkreislauf geschaltet, der eine Umwälzpumpe aufweist und an den eine Frischwasserpumpe und eine Abwasserpumpe angeschlossen sind.

Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert, die in der Zeichnung dargestellt sind. Es zeigt:

Fig. 1 ein stark vereinfachtes Schaltbild einer Vorrichtung zur Toxizitätsmessung von Abwasser,

Fig. 2 eine abgewandelte Ausführungsform zur Versorgung des Aufzuchtbehälters nach Fig. 1 und

Fig. 3 ein stark vereinfachtes Blockschaltbild zur Steuerung der Vorrichtung nach Fig. 1.

Der Aufbau der in Fig. 1 gezeigten Vorrichtung wird nachfolgend zusammen mit deren Funktionsablauf erläutert.

In einem einen Bioreaktor bildenden Aufzuchtbehälter 1 sind in einem Nährlösung-Frischwasser-Gemisch zahlreiche Bioträger 2 frei schwimmend aufgenommen, die jeweils einen Bewuchs an Mikroorganismen tragen, der eine Biomasse bildet. Beispielsweise sind die Bioträger 2 kleine Hohlzylinderabschnitte oder Ringe, bei denen die Biomassen insbesondere an der Innenseite angesiedelt ist.

Der Aufzuchtbehälter 1 weist einen nach oben geführten Auslaß 3 auf, an den seitlich ein schräges Rohr angeschlossen ist, das einen Zehrungsbehälter 4 bildet. Die obere Öffnung 5 des Zehrungsbehälters 4 ist mit dem Auslaß 3 verbunden, der durch einen Kugelhahn 6 als Absperrorgan verschlossen werden kann.

Am unteren Ende 7 des Zehrungsbehälters 4 ist ein Siebboden 8 angeordnet. Eine Kreislaufleitung 9, in der eine Umwälzpumpe 10 und eine Sauerstoffelektrode 11 liegen, verbindet die obere Öffnung 5 mit dem unteren Ende 7 des Zehrungsbehälters 4.

Durch Leitungen 12 a, 12 b, die an den Aufzuchtbehälter 1 angeschlossen sind, wird beispielsweise ein Nährlösung- Wasser-Gemisch durch eine Umwälzpumpe 13 im Kreislauf geführt. An die Leitung 12 a sind eine Frischwasserpumpe 14 und eine Nährlösungspumpe 15 angeschlossen. Ein Hahn 16 bildet einen Abfluß aus den Leitungen 12 a, 12 b.

Um den Zehrungsbehälter 4 mit Bioträgern 2 zu füllen, wird ein Hahn 17 geöffnet, wodurch eine Verbindung von der Leitung 9 zur Leitung 12 b hergestellt wird. Durch den geöffneten Hahn 6 strömt Wasser, das die leichten, oben schwimmenden Bioträger 12 mitnimmt, durch den Zehrungsbehälter 4, einen geöffneten Handhahn 18, die Sauerstoffelektrode 11 und durch die nicht eingeschaltete Pumpe 10 zum Hahn 17 und von dort durch die Leitung 12 b zum Auslaßhahn 16. Sobald der Zehrungsbehälter 4 mit Bioträgern 2 gefüllt ist, werden überschüssige Bioträger 2, die sich im Auslaß 3 befinden, dadurch entfernt, daß der Hahn 17 geschlossen wird. Da keine Strömung mehr herrscht, sinken die überschüssigen Bioträger 2 im Auslaß 3 durch den geöffneten Hahn 6 nach unten in den Aufzuchtbehälter 1 zurück.

Anschließend werden die im Zehrungsbehälter 4 enthaltenen Bioträger 2 mit Frischwasser gespült, um sie für die Aufnahme der zu untersuchenden Stoffe vorzubereiten. Der Kugelhahn 6 wird geschlossen und ein Hahn 19 wird geöffnet, durch den Frischwasser von einer Frischwasserpumpe 20 in die Leitung 9 strömen kann. Ein Hahn 21 in der Leitung 9 ist geschlossen; ein aus der Leitung 9 herausführender Hahn 22 ist jedoch geöffnet. Der Hahn 17 ist geschlossen. Das zugeführte Frischwasser strömt durch den Zehrungsbehälter 4 und verläßt das System durch den geöffneten Hahn 22. Dabei werden alle Nährstoffreste von der auf den Bioträgern 2 angesiedelten Biomasse entfernt. Zugleich wird das System mit Sauerstoff angereichert.

Dann wird über eine Abwasserpumpe 23 Abwasser zugegeben, während der Hahn 19 für die Abwasserzufuhr geschlossen ist. Da der Hahn 21 ebenfalls geschlossen ist, strömt das Abwasser durch den geöffneten Hahn 22 aus. Der Hahn 17 ist geschlossen. Durch die Abwasserpumpe 23 wird entweder eine feste Abwssermenge oder eine in einem festen Verhältnis zur Abwassermenge der Abwasserpumpe 14 des BSB-Meßgerätes stehende Abwassermenge zugeführt.

Anschließend erfolgt die Sauerstoffzehrung. Hierzu wird der Hahn 21 geöffnet und die Umwälzpumpe 10 eingeschaltet. Die Hähne 6, 17, 19 und 22 sind geschlossen. Dieser Vorgang erfolgt für eine vorgegebene Zeit; dabei wird die Sauerstoffabnahme an der Sauerstoffelektrode 11 gemessen. Man ermittelt auf diese Weise, wieviel Sauerstoff die Biomasse im Zehrungsbehälter 4 pro Zeiteinheit veratmet. Bei toxischen Bestandteilen im zugeführten Abwasser sinkt die Atmungsrate.

Nach Beendigung der Messung wird das System mit Kreislaufwasser gespült, wobei verhindert wird, daß mit toxischen Stoffen verunreinigtes Wasser in den Aufzuchtbehälter 1 gelangt. Hierzu sind die Hähne 6, 21, 16 und 19 geschlossen, während die Hähne 17 und 22 geöffnet sind. Durch den Hahn 17 strömt Kreislaufwasser aus der Leitung 12 b in die Leitung 9 und verläßt diese wieder durch den Hahn 22. Diese Spülung wird solange durchgeführt, bis alle toxischen Einflüsse beseitigt sind.

Anschließend werden die Bioträger 2 aus dem Zehrungsbehälter 4 in den Aufzuchtbehälter 1 zurückgespült. Hierzu wird bei geöffnetem Hahn 16 der Kugelhahn 6 geöffnet. Das durch den Hahn 17 in die Leitung 9 eintretende Wasser gelangt zum unteren Ende 7 des Zehrungsbehälters 4, weil der Hahn 21 geschlossen ist. Das Wasser schwemmt die Bioträger 2 aus dem Zehrungsbehälter 4 in den Auslaß 6, wo sie durch den Kugelhahn 6 nach unten in den Aufzuchtbehälter 1 absinken. Anschließend kann der Zehrungsbehälter 4 für einen erneuten Meßzyklus in der beschriebenen Weise wieder mit Bioträgern 2 gefüllt werden.

Eine Reinigungspumpe 24 kann an die Leitung 9 angeschlossen sein, um im Bedarfsfall ein Reinigungsmittel zuzuführen.

Fig. 2 zeigt eine Schaltung bei einer Ausführungsform, bei der der Aufzuchtbehälter 1 zugleich der Bioreaktor einer Einrichtung zur Messung des biologischen Sauerbedarfs gemäß EP-PS 49 887 ist. Ein Abwasser-Frischwasser-Gemisch wird den Kreislaufleitungen 12 a, 12 b durch eine Frischwasserpumpe 25 und einer Abwasserpumpe 26 zugeführt und durch die Umwälzpumpe 13 im Kreislauf geführt. Die Umwälzung der Bioträger 2 im Aufzuchtbehälter 1 wird durch die Umwälzpumpe 13 aufrecht erhalten.

Fig. 3 zeigt ein stark vereinfachtes Blockschaltbild der Schaltung zur Steuerung der Anlage nach Fig. 1.

Einer elektronischen Steuerung 27 werden die Meßsignale von der Sauerstoffelektrode 11 oder Meßsonde zugeführt. Die Steuerung 27 steuert über eine Auswerteeinheit 28 eine Meßwertausgabe 29 und einen Drucker 30. Die elektronische Steuerung 27 steuert auch in dem vorgegebenen zeitlichen Ablauf alle Hähne und Pumpen der beschriebenen Anlage.

Claims (9)

1. Verfahren zur Toxizitätsmessung von wässrigen Lösungen, insbesondere Abwasser mittels einer auf frei beweglichen Bioträgern angesiedelten Biomasse, die in einen Zehrungsbehälter eingebracht werden, der anschließend von einem Lösung-Frischwasser-Gemisch durchströmt wird, dessen Sauerstoffgehalt ermittelt und zur Bestimmung des Toxizitätsgrades benutzt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Bioträger (2) mit der darauf angesiedelten Biomasse in einem gesonderten Aufzuchtbehälter (1) bereitgehalten werden, daß eine vorgegebene Menge von Bioträgern (2) in den Zehrungsbehälter (4) eingebracht und dort mit Frischwasser gespült wird, und daß das Lösung-Frischwasser-Gemisch im Kreislauf durch den Zehrungsbehälter (4) geführt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die im Zehrungsbehälter (4) enthaltenen Bioträger (2) nach Beendigung eines Meßzyklus gespült und in den Aufzuchtbehälter (1) zurückgefördert werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Biomasse auf den frei im Aufzuchtbehälter (1) schwimmenden Bioträgern (2) durch eine Nährlösung genährt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß 2 bis 6% der Bioträger (2) aus dem Aufzuchtbehälter (1) in den Zehrungsbehälter (4) eingebracht werden.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Aufzuchtbehälter (1) ein der Messung des biologischen Sauerstoffbedarfs von Abwasser dienender Bioreaktor verwendet wird, der auf frei schwimmenden Bioträgern (2) angesiedelte Biomasse enthält.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Konzentration des Abwasser-Frischwasser-Gemischs im Zehrungsbehälter (4) so hoch gewählt wird, daß sich eine etwaige Toxizität auf die Biomasse meßbar auswirkt, und daß zugleich die Konzentration des Abwasser-Frischwasser- Gemischs im Aufzuchtbehälter (1) so niedrig gewählt wird, daß sich eine etwaige Toxizität hier nicht messbar auswirkt.

7. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Konzentration im Aufzuchtbehälter (1) und die Konzentration im Zehrungsbehälter (4) in einem festen Verhältnis zueinander stehen.

8. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7 mit einem die Bioträger aufnehmenden Zehrungsbehälter, der in einem mindestens eine Sauerstoffelektrode und eine Umwälzpumpe enthaltenden Wasserkreislauf liegt, an den eine Frischwasserpumpe und eine Abwasserpumpe angeschlossen sind, dadurch gekennzeichnet, daß der Zehrungsbehälter (4) ein schräges Rohr ist, dessen obere Öffnung (5) mit einem nach oben geführten Auslaß (3) eines Aufzuchtbehälters (1) verbunden ist, daß zwischen der oberen Öffnung (5) des Zehrungsbehälters (4) und dem Auslaß (3) des Aufzuchtbehälters (1) ein Absperrorgan (6) angeordnet ist, und daß die obere Öffnung (5) und ein unteres Ende (7) des Zehrungsbehälters an den Wasserkreislauf (9) angeschlossen sind.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Aufzuchtbehälter (1) in einen Wasserkreislauf (3) geschaltet ist, der eine Umwälzpumpe (10) aufweist und an den eine Frischwasserpumpe (20) und eine Abwasserpumpe (23) angeschlossen sind.