DE6802384U - Vorrichtung zur messung des sauerstoffverbrauchs in waessrigen systemen. - Google Patents

Description

Dr. Hans Thiele / /

Vorrichtung zur Messung des Sauerstoffverbrauchs in wässrigen Systemen.

Der vorliegenden Patentanmeldung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren bzw_o eine Vorrichtung zu entwickeln, die es gestattet, den durch chemische und/oder biochemische Reaktionen bedingten Sauerstoffverbrauch in wässrigen Systemen diskontinuierlich und/oder kontinuierlich zu messen (im weiteren Sinne die Intensität gasverbrauchender und gasentwickelnüer Prozesse in flüssigaaSystemen überhaupt).

Als Beispiel sei der Sa\:erstoffverb.rauch bei der Abwasserreinigung (ferner die Kohlendioxidentwicklung bei der alkoholischen Gärung erwähnt).

Hiervon beansprucht die kontinuierliche Messung des Sauerstoffverbrauchs im Rohabwasser während der biochemischen Abwasserreinigung und im gereinigten Abwasse- angesichts dur besonderen volkswirtschaftlichen Bedeutung der Abwasserreinigung besonderes Interesse.

Auf diesem Gebiex mußte man sich bisher auf die diskontinuierliche und kontinuierliche Bestimmung des Sauerstoffgehalts und die diskontinuierliche Bestimmung des Sauerstoffverbrauchs beschränken (z.B.: Sauerstoffbestimmung nach WINKLER oder mit Hilfe verschiedener Meßketten, sowie Bestimmung des Sauerstoff verbrauche nach der Verdünnungsmethode, nach SIERP-FRÄNSEMEIER, nach WARBURG oder mit Hilfe des Sapromaten).

Keines der angeführten Verfahren gibt jinen hinreichenden Einblick in den Verlauf der Sauerstoffζehrung und bietet gleichzeitig die Möglichkeit einer kontinuierlichen Messung,,

Mit der Patentanmeldung P 16 481 451 dagegen wurde ein Weg gezeigt, die Sauerstoiizehrung in der Zeiteinheit neben dem Sauerstoffgehalt kontinuierlich zu messen, wie es für eine überwachung und sinnvolle Steuerung von biologischen Kläranlagen wichtig ist.

Das in der genannten Anmeldung beschriebene, als Doppol-Op-Meßelektrode mit Verzögerungsstrecke ausgebildete Gerät eignet sich vor allem zur Untersuchung und Überwachung stark sauerstoffzehrender Systeme, wie z.B. Belebtschlammanlagen, und bedarf gewisser Modifikationen, wenn es zur Messung schwacher Sauerstoffzehrungen eingesetzt werden soll, wis sie etwa in Abwasser und vor allem gereinigtem Abwasser vorliegen.

Die kontinuierliche und/oder diskontinuierliche sowie registrierende Messung des Sauerstoffverbrauchs in wässrigen Systemen auch bei geringem und geringstem Sauerstoifverbrauch wird durch die im folgenden beschriebene Vorrichtung möglich, wobei die besondere Problematik darin lag, daß nicht - wie bei bisher bekannten Vorrichtungen zur diskontinuierlichen Messung des Sauerstoffverbrauchs (WARBURG-Apparat, Sapromat, Apparat nach SIERP-FRÄNSEMEIER) - in geschlossenen Systemen gearbeitet werden konnte, sondern der Sauerstoffverbrauch in einem von einem Teilstrom des zu untersuchenden Systems ständig durchflossenem Gefäß gemessen werden mußte. Ein solches Gefäß ist nur mit erheblichem technischen Aufwand geschlossen zu gestalten und bleibt dabei in hohem Maße störanfällig. Aus diesem Grunde wurde als Meßgefäß ein offenes System gewählt, wie es in einer möglichen Ausführungsform in den Abbildungen A und B dargestellt ist.

Bei einer derartigen Vorrichtung bietet sich die Steuerung der für den verbrauchten Sauerstoff nötigen Sauerstoffnachlieferung durch den als Folge des Sauerstoffverbrauchs sich ergebenden Anstieg des Wasserspiegels innerhalb des Gefäßes etwa durch einen kontaktgeberden oder mechanisch schaltenden Schwimmer an.

Die durch Schwankungen der Temperatur und des Luftdrucks bedingten Schwankungen des Wasserspiegels werden dabei erfindungsgemäß dadurch kompensiert, daß der kontaktgebende Schwimmer nach dem Prinzip des kartesischen Tauchers unten offen ausgebildet wird.

Als weitere Möglichkeit kommt die Messung des Sauerstoffpartialdrucks in der Gasphase mittels einer handelsüblichen Elektrode in Betracht.

Die Sauerstoffnachlieferung kann in an sich bekannter Weise durch Elektrolyse einer Kupfersulfatlösung (Kupfer- und Platinelektrode) durch elektrisch oder mechanisch gesteuertes Ventil aus einem unter Überdruck stehenden Sauerstoffvorratsgefäß oder aber L·. anderer Weise erfolgen.

Eine mögliche Ausführungsform (Abb. A und B) eignete sich in monatelangem Betrieb in gleicner Weise als Versuchsbelebtschlammanlage mit kontinuierlicher Messung und Registrierung des Sauerstoffverbrauchs sowie zur kontinuierlichen Messung und Registrierung des Sauerstoffverbrauchs in der Zeiteinheit in Belebtschlammanlagen, als stark sauerstoffverbrauchendem System, sowie von Abwasser als schwächer zehrendem System. Daraus ergibt sich ihre besondere Eignung zur Überwachung des Reinigungseffektes von Kläranlagen.

Das Versuchsmodell (Abb. A und B) wird wie folgt betrieben:

1. Durchflossenes offenes System und Pumpe.

Die zu untersuchende Lösung (in den Versuchen: Abwasser) wird mittels einer konstant fördernden Pumpe bei (1) in die Apparatur eingeleitet und gelangt an der Schwimmerführung (2) vorbei in das Reaktionsgefäß (3), das oben mittels eines verschraubbaren, mit mehreren Ein- und Auslaßstutzen versehenen Deckels (4) und Dichtung (5) verschlossen ist. Aus Pumpenleistung (l=Liter/h) und Inhalt des Reaktionsgefäßes bis zur Marke (6) ( I in Liter ) ergibt sich die Aufenthaltszeit (t) der zu untersuchenden Lösung im Reaktionsgefäß nach i = t. Nach Durchfließen des Reaktionsgefäßes (3) verläßt die wässrige Lösung dieses bei (7) und durchfließt bei Betrieb als Versuchsbelebtschlammanlage ein Nachklärgefäß (8), aus dem der abgesetzte Schlamm mittels dem System entnommener Luft über die Mammutpumpe (9) in das Reaktionsgefäß zurückgefördert wird. Beim

Betrieb zur Messung des Sauerstoffverbrauchs von Abwasser entfallen Nachklärgefäß (8) und Mammutpumpe (9), und das Abwasser fließt über den Ablaufstutzen (10) ab. Die gesamte Apparatur läßt sich zwecks Temperierung in das zu untersuchende Medium einhängen.

Belüftung, Vorbelüftung und Kohlendioxidelimination.

In den meisten Anwendungsfällen und Ausführungsformen ist eine Unterstützung des natürlichen Gasaustausches zwischen Gasphase und flüssiger Phase durch Jmwälzung des Flüssigkeitsvolumens im Reaktionsgefäß (3) erforderlich» Das kann durch Rühren oder in anderer Weise erfolgen. In der beschriebenen Ausführungsforin wird bei (11) aus dem Luftraum (12) mittels Pumpe (etwa Schlauchpumpe) ständig Luft abgesaugt und über die Leitung (13) und die Belüftungsfritte (14) dem System wieder zugeführt. Bei Betrieb als Versuchsbelebtschlammanlage wird ein Teil der rückgeführten Luft bei (15) zum Betrieb der Mammutpumpe (9) entnommen und gelangt über diese mit dem rückgeförderten Schlamm in das System zurück.

Durch intensive Umwälzung des Flüssigkeitsvolumens im Reaktionsgefäß (3) wird die zu untersuchende Lösung mit Gauerstoff gesättigt.

Nicht vorhandene Sauerstoffsättigung der bei (1) in die Apparatur eingeführten Lösung kann daher einen erhöhten Sauerstoffverbrauch während der Aufenthaltszeit (t) vortäuschen. Diese Erhöhuno; kann bei stark Sauerstoff verbrauchenden Systemen meist vernachlässigt werden, sollte aber zumindest bei schwach Sauerstoff verbrauchenden Lösungen durch eine der Apparatur vorgeschaltete Vorbelüftung ausgeglichen werden. Aus dam Flüssigkeitsvolumen in den Luftraum (12) entweichende Gase, vor allem Kohlendioxid, täuschen einen verminderten Sauerstoffverbrauch vor und müssen eliminiert werden. Das kann an sich in bekannter Weise durch Bindung des Kohlendioxids an Alkalilösung

oder Natronkalk im Vorratsbehälter (16) erfolgen. Dabei kann die Oberfläche der Alkalilösung durch Verwendung poröser Materialien wie Watte vergrößert werden.

Bei der beschriebenen Ausführungsform wird die ständig umgepumpxe Luft zwischen (11) und (13) in einer Gaswaschflasche durch Alkalilösung oaer aber durch Natronkalk geleitet. Der Vorratsbehälter (16) entfällt dabei.

Sofern die vollständige Elimination des Kohlendioxids die sauerstoffverbrauchenden Prozesse im Reaktionsgefäß (3) beeinflußt, kann an Stelle von Alkalilösung oder Natronkalk eine geeignete Pi fferlösung verwendet werden, die es erlaubt, den Kohlendioxidgehalt der Luft konstant zu halten.

3. Kompensation von Luftdruck- und TemperaturSchwankungen und Steuerung der Sauerstoffnachiieferung.

Wie bereits ausgeführt, läßt sich die Sauerstoffnachlieferung '.ittels unten offenen Schwimmers (17) steuern, der i ϊ durch Luftdruck- und TemperaturSchwankungen bedingte Niveauänderung des Flüssigkeitsspiegels nicht reagiert, wohl aber auf der: durch Sauerstoffverbrauch bedingten Anstieg des Fluss-"gkeitsspi?gels. Dieser Schwimmer (17) kann innerhalb des Reaktionsgefäßes (3) angebracht sein oder aber, wie in der beschriebenen Ausführungsform, außerhalb in einer besonderen Führung (2), die sowohl mit der Fiüssigkeits- als auch mit der Gasphase des Reaktionsgefäßes (3) in Verbindung steht.

Bei der Untersuchung von stark Sauerstoff verbrauchenden Lösungen sollte der Schwimier unten mit einer reichlich bemessenen gasundurchlässigen, flexiblen Membran (18) gegen die Flüssigkeit abgeschlossen sein, um Verfälschungen des Meßergebnisses durch Sauerstoffverbrauch innerhalb des Schwimmers auszuschließen. Der Schwimmer trägt oben einen mit Quecksilber gefüllten Becher, in den zwei unter Spannung stehende, in der Schwimmerführung verschiebbare Kontaktstifte (19) eintauchen. Hebt sich der Schwimmer (17), so

wird ein Stromkreis geschlossen, der die Sauerstoffnachlief erung für die Dauer des Stromflusses in Betrieb setzt. Die Kontaktgabe kann auch auf andere an sich bekannte Weise erfolgen. Die Kontakte (19) können direkt in den Stromkreis einer Sauerstoff nachliefernden Elektrolyse einbezogen werden oder aber mit einem elektrisch betätigten Ventil eines Sauerstoffvorratsgefäßes in Verbindung stehen. Es ist aber auch denkbar, den Schwimmer direkt mit einem mechanisch betätigten Sauerstoffeinlaß-Ventil zu verbinden.

An Stelle des beschriebenen Schwimmers kann auch eine in die Gasphase des Reaktionsraumes eingebrachte Elektrode zur Messung des von Luftdruck- und Temperaturschwankungen unabhängigen Sauerstoffpartialdrucks für die Steuerung der Sauerstoffnachlieferung Verwendung finden.

Sauerstoffnacnlieferung und Registrierung des Sauerstoffverbrauchs.

Die Sauerstoffnachlieferung kann auf beliebige Weise erfolgen, muß aber steuerbar und registrierbar sein.

In der beschriebenen Ausführungsform wird eine in dem Behälter (20) untergebrachte Elektrolyse (Kupfersulfatlösung, Kupfer- und Platinelektrode) direkt durch den an den Kontaktstiften (19) mittels Quecksilber oder auf andere Weise geschlossenen Kontakt in Betrieb gesetzt. Aus der Stromstärke und der Zeit des Stromflusses läßt sich die erzeugte Sauerstoffmenge berechnen. Gegenüber bekannten Vorrichtungen wird die Kupfersulfat-Konzentration dadurch konstant gehalten, daß die Kupfersulfatlösung mittels Pumpe kontinuierlich über die Leitungen (21) und (22) durch ein Gefäß gepumpt wird, das Kupferoxid enthält.

Bei Verwendung einer Mehrfach-Schlauchpumpe lassen sich Luft-, Kupfersulfat- und Schlammkreislauf mit nur einem Aggregat betreiben.
Nach Abbildung C! kann die Sauerstoffnachlieferung auch

aus einem unter leichtem Überdruck stehenden Sauerstoffvorratsgefäß (23) erfolgen, das über das Ventil (24) aus einer Sauerstoffdruckflasche gefüllt wird. Ein Manometer (25) wird mittels Ventil (26) auf den Ausgangsdruck eingestellt. Die Sauerstoffnachlieferung erfolgt über das innerhalb der Wandung (27) des Reaktionsgefä3es (3) im Luftraum untergebrachte schwimmergesteuerte Ventil (28). Bei konstanter Temperatur ist der Sauerstoffverbrauch der vom Manometer angezeigten Druckabnahme proportional. Temperaturschwankungen lassen sich mittels Temperaturkompensation oder Thermostatisierung des Druckgefäßes (23) ausgleichen.

Claims (4)

SchutzansprUche

1. Vorrichtung zur kontinuierlichen registrierenden Messung gasverbrauchender bzw. -erzeugender Prozesse wie z.B. des Sauerstoffverbrauchs in der Zeiteinheit, die als offenes durchflossenes System Reaktionsgefäß ( 3 ), Sauerstofferzeugungs- bzw. -nachlieferungsgerät ( 20 ), Steuerungsapparatur für die Sauerstofferzeugung- bzw. -nachlieferung ( 2, 17, 19 ) und gegebenenfalls ein Sedimentationsgefäß ( 8 ) in einer kompakten Baueinheit vereinigt. Hierdurch kann die Vorrichtung als ganzes in zu untersuchende Systeme eingetaucht werden oder leicht variiert als Versuchskläranlage dienen.

2. Steuerungsvorrichtung als Teil der Vorrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß in einem fest mit dem Reaktionsgefäß ( 3 ) verbundenen Behälter ( 2 ) ein unten offener, gegebenenfalls mit einer reichlich bemessenen gasundurchlässigen Membran ( 18 ) gegen die Flüssigkeit abgeschlossener Schwimmer ( 17 ) Niveauschwankungen durch Luftdruck- und Temperaturänderung kompensierend die Sauerstoffnachlieferung ein- oder ausschaltet.

3. In das Reaktionsgefäß bei ( 20 ) eingebaute Kupfer- und Platinelektrode, die aus einer im Kreislauf über Kupferoxid geführten Kupfersulfatlösung gesteuert von der Teilvorrichtung nach Anspruch 2 Sauerstoff erzeugen.

4. Alternativ zu Anspruch 3 als Teil der Vorrichtung nach Anspruch 1 fest mit dieser in Verbindung und unter leich tem Überdruck stehendes, gegebenenfalls thermostatisiertes Vorratsgefäß ( 23 ), das über Regelventil ( 28 ) Sauerstoff nachliefert.