GEBIET DER ERFINDUNG
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Die vorliegende Erfindung betrifft Vorrichtungen und Verfahren zur Überwachung der
biologischer Aktivität in Abwasser und Steuerung dessen Behandlung, und insbesondere
Vorrichtungen und Verfahren zur Echtzeit-Überwachung der Stoffwechselaktivität von
Mikroorganismen in belebtem Schlamm, der bei einem Abwasser-Behandlungsprozess
verwendet wird, und Verwendung der Ergebnisse einer solchen Überwachung, um
ausgewählte Aspekte des Behandlungsprozesses zu steuern.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Derzeit werden in Abwasser-Behandlungsanlagen (WWTPs) verschiedene biologische
Nährstoffentzugs- (BNR-) Verfahren verwendet, um den Verunreinigungsabbau zu
unterstützen. In einem typischen BNR-Verfahren werden Verunreinigungen im Abwasser, wie
beispielsweise Kohlenstoffquellen (gemessen als biologischer Sauerstoftbedarf oder
BOD), Ammoniak, Nitrate, Phosphate und dergleichen, durch den belebten Schlamm in
anaeroben, anoxischen und aeroben Stufen aufgeschlossen, wie dies ebenfalls im Stand
der Technik bekannt ist. In der anaeroben Stufe wird das Abwasser mit oder ohne
Durchlauf eines Vorabsetzprozesses mit belebtem Rückschlamm (RAS) gemischt, was
nachfolgend manchmal als "Mischflüssigkeit" bezeichnet wird, wie nachfolgend erläutert.
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In den meisten Abwasser-Behandlungsanlagen sind in dem BNR-Verfahren eine oder
mehrere anoxische Stufen angeordnet. In der anoxischen Stufe benutzen
denitrifizierenden Elemente, d. h. zur Denitrifizierung fähige Mikrobenarten, Nitrat
und/oder Nitrit als Elektronenakzeptoren und verbrauchen während des
Denitrifizierungsprozesses einige der zur Verfügung stehenden Kohlenstoffquellen. Das
Nitrat wird üblicherweise durch Rückführen eines gewissen Volumens Abwasser am
Ende der oxischen Stufe zurück zum Anfang der anoxischen Stufe zugeführt.
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Es sind typischerweise eine oder mehrere oxische Stufen in den BNR-Verfahren
eingesetzt. In der oxischen Stufe wird Luft mit etwa 20% Sauerstoff oder reiner Sauerstoff
zugeführt, so dass ein gewünschtes Niveau an gelöstem Sauerstoff gehalten wird.
Autotrophische nitrifizierende Elemente, d. h. Mikrobenarten, die in der Lage sind,
Ammoniak als ihre Energiequelle zu benutzen, setzen unter aeroben Bedingungen
Ammoniak in Nitrit und Nitrat um. Die Poly-P-Mikrobenarten im Abwasser nehmen
Phosphat aus der Wasserphase auf und schließen ihre intrazellulären PHB- und PHV-
Speicherprodukte auf, wobei sie in Polyphosphat umgesetzt werden, eine Komponente für
die Energiespeicherung. Der Polyphosphat-Pool der Poly-P-Mikrobenarten wird somit
wieder aufgefüllt und Phosphor wird aus der Wasserphase entfernt. Das Phosphor wird
dann aus dem System durch Schlamm-Abfallverarbeitung entfernt, was im Stand der
Technik wohlbekannt ist. Unter aeroben Bedingungen werden verbleibende
Kohlenstoffquellen in der Wasserphase durch aerobe Organismen weiter aufgeschlossen.
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Es bestand jedoch ein Problem, Vorrichtungen und Verfahren zur Überwachung der
biologischen Aktivität in Abwasser-Behandlungssystemen während der anaeroben,
anoxischen und/oder oxischen Stufen vorzusehen, welche die Leistungsfähigkeit des
Behandlungsprozesses erfolgreich maximieren. Es bestand auch ein Problem,
Vorrichtungen und Verfahren zur Echtzeit-Überwachung der Reinigung von Abwasser
vorzusehen, um eine angemessene Steuerung der anaeroben, anoxischen und/oder
oxischen Stufen im Abwasser-Behandlungsprozess; insbesondere als Reaktion auf
vorübergehende und andere Veränderungen in den Prozessbedingungen, zu erhalten.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Diese Probleme werden durch die Merkmale in den Ansprüchen 1 und 7 gelöst.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung überwacht und steuert die Vorrichtung
die biologische Aktivität einer Mischflüssigkeit unter anaeroben, anoxischen und aeroben
Bedingungen durch Messen der Veränderung des intrazellulären
Nikotinamid-adenindinukleotid-phosphats (nachfolgend manchmal als NAD(P)H bezeichnet) der
Mikroorganismen. NAD&spplus; ist die oxidierte Form von NAD(P)H. Das Verhältnis von NAD(P)H
zu (NAD&spplus; + NAD(P)H) in den Mikroorganismen verändert sich während Verschiebungen
der Stoffwechselaktivität der Mikroorganismen. Die entsprechende Veränderung der
NAD(P)H-Fluoreszenzstrahlung (nachfolgend manchmal als "NADH", d. h.
Nikotinamidadenin-dinukleotid bezeichnet) wird erfasst und dann durch ein Überwachungssystem wie
beispielsweise ein Echtzeit-Online-Datenerfassungs-Computersystem, welches die
Veränderungen analysiert und die biologische Aktivität der Mischflüssigkeit auswertet,
registriert. Das Überwachungssystem bestimmt dann die Veränderungen der
Betriebsparameter, die für das Abwassersystem notwendig sind, um die Leistungsfähigkeit der
BNR-Verfahren zu maximieren.
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Bei dem Verfahren dieses Ausführungsbeispiels wird eine Probe der Mischflüssigkeit aus
einem Bioreaktorbehälter vor Ort in eine Kammer isoliert, welche in dem Prozess durch
einen NADH-Detektor überwacht wird. Die Probe wird aufgerührt, um eine gleichmäßige
Suspension von Mikroorganismen im Abwasser sicherzustellen, und die Unterschiede der
NADH-Fluoreszenzstrahlung zwischen dem aeroben, dem anoxischen und/oder dem
anaeroben Zustand der in der Kammer befindlichen Mischflüssigkeitsprobe werden durch
das Überwachungssystem registriert und analysiert. Die Mischflüssigkeitsprobe wird
dann in den Bioreaktorbehälter zurückgegeben oder wieder eingespritzt, und das
Abwasser-Behandlungssystem wird entsprechend den durch das Überwachungssystem
erzeugten Ergebnisse gesteuert.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung überwacht und steuert die
Vorrichtung die biologische Aktivität von Abwasser unter aeroben oder oxischen
Bedingungen durch Messen von Veränderungen des Sauerstoffgehalts des Abwassers.
Die Menge des gelösten Sauerstoffs im Abwasser verändert sich als Ergebnis der
Stoffwechselaktivität der Mikroorganismen im Abwasser. Die entsprechende
Veränderung des gelösten Sauerstoffs (nachfolgend manchmal als "D.O." bezeichnet) wird
durch ein Überwachungssystem, wie beispielsweise ein Echtzeit-Online-Datenerfassungs-
Computersystem, welches die Veränderungen analysiert und die biologische Aktivität des
Abwassers auswertet, erfasst und dann aufgezeichnet. Das Überwachungssystem
bestimmt dann die Veränderungen der Betriebsparameter, die für das Abwassersystem
notwendig sind, um die Leistungsfähigkeit der biologischen
Abwasser-Behandlungsprozesse, insbesondere der BNR-Verfahren, zu maximieren.
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In dem Verfahren dieses Ausführungsbeispiels wird eine Probe des Abwassers aus einem
Bioreaktorbehälter in eine Vor-Ort-Kammer gepumpt, welche in dem Prozess durch einen
D.O.-Detektor überwacht wird. Die Probe wird aufgerührt, um eine gleichmäßige
Verteilung des Abwassers sicherzustellen, und Unterschiede des D.O. des Abwassers
werden durch das Überwachungssystem registriert und analysiert. Die Probe wird dann
dem Bioreaktorbehälter zurückgegeben, und das Abwasser-Behandlungssystem wird
entsprechend den durch das Überwachungssystem erzeugten Ergebnisse gesteuert.
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Die Erfassung und Überwachung des D.O. kann vorzugsweise in Verbindung mit
weiteren Erfassungs- und Überwachungsvorrichtungen der biologischen Aktivität, wie
beispielsweise eine NADH-Erfassungs- und Überwachungsvorrichtung, verwendet
werden, um die Steuerung sämtlicher oder eines Teils der aeroben, anoxischen oder
oxischen Stufen im Abwasser-Behandlungsprozess zu unterstützen.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Fig. 1 zeigt eine schematische Vorderansicht eines Ausführungsbeispiels einer
Vorrichtung der Erfindung, die zum Erfassen und Überwachen des gelösten
Sauerstoffs oder der Fluoreszenzstrahlung, in einem Bioreaktorbehälter
verwendet wird.
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Fig. 2 zeigt eine schematische Explosionsdarstellung, teilweise im Schnitt, der
Abwasser-Probenentnahmevorrichtung von Fig. 1.
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Fig. 3 zeigt eine schematische Explosionsdarstellung, teilweise im Schnitt, eines
weiteren Ausführungsbeispiels der Vorrichtung.
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Fig. 4 zeigt eine schematische Vorderansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels der
Erfindung, das zum Erfassen und Überwachen des gelösten Sauerstoffs und/oder
der Fluoreszenzstrahlung in einem Bioreaktorbehälter verwendet wird, wobei
sich der Behälter in einer geschlossenen Stellung befindet.
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Fig. 5 zeigt eine schematische Vorderansicht der in Fig. 4 gezeigten Vorrichtung,
wobei sich der Behälter in einem offenen Zustand befindet.
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Fig. 6 zeigt eine schematische Explosionsdarstellung, teilweise im Schnitt, eines Teils
der in Fig. 4 und 5 gezeigten Vorrichtung.
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Fig. 7 ist ein Schema der Überwachung eines typischen
Abwasser-Behandlungsprozesses, welcher die Ausführungsbeispiele der Erfindung benutzt.
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Fig. 8 ist ein Diagramm eines Arbeitsprofils, das zeitliche Veränderungen der NADH-
Fluoreszenzstrahlung einer anaeroben Stufe der Behandlung darstellt.
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Fig. 9 ist ein Diagramm eines Arbeitsprofils, das zeitliche Veränderungen der NADH-
Fluoreszenzstrahlung einer anoxischen Stufe der Behandlung darstellt.
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Fig. 10 ist ein Diagramm eines Arbeitsprofils, das die zeitlichen Veränderungen der
biologischen Aktivität, gemessen durch die Fluoreszenzstrahlung und den
gelösten Sauerstoff, einer oxischen Stufe der Behandlung darstellt.
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Fig. 11 ist ein Diagramm eines Arbeitsprofils, das die zeitlichen Veränderungen des
Prozentsatzes des gelösten Sauerstoffs einer oxischen Stufe der Behandlung
darstellt.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Die richtige Auswertung und Steuerung eines komplexen BNR-Verfahrens erfordert eine
genaue und ständige Bewertung der Sauerstoffaktivität der Mischflüssigkeit in einer
Vielzahl von Umgebungen und unter einer Anzahl von Bedingungen. Anders als der
Sauerstoff-Stoffwechsel, der nur während der aeroben Stufe des BNR-Verfahrens aktiv
ist, ist der NADH-Stoffwechsel in allen Umgebungsstufen involviert. Somit ist NADH
ein ausgezeichneter Indikator der Stoffwechselaktivität, der verwendet werden kann, um
das gesamte BNR-Verfahren zu steuern. Der Sauerstoff-Stoffwechsel- spielt auch eine
wichtige Rolle bei der Steuerung von Abschnitten des BNR-Verfahrens, das weiter
verbessert werden kann, insbesondere in Verbindung mit dem NADH-Stoffwechsel. Die
dominanten Organismen und die aktiven biochemischen Wege variieren mit den
Umgebungsstufen des Bioreaktors. Ein gemeinsamer Faktor ist jedoch das Erfordernis der
Energieübertragung durch die Oxidation der zur Verfügung stehenden Energiequellen.
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Um den Ablauf des BNR-Verfahrens effektiv zu steuern, ist es notwendig, spezielle
Prozessparameter basierend auf der biologischen Aktivität der Mikroorganismen in den
anaeroben, anoxischen und oxischen Stufen der Behandlung zu regulieren. Abwasser-
Behandlungsanlagen sind häufig stark schwankenden Bedingungen, wie beispielsweise
Tagesschwankungen der organischen Belastungen, unterworfen. Die Steuerung des
Behandlungsprozesses als Reaktion auf diese Bedingungen erfordert eine schnelle und
effektive Einrichtung zum Messen der biologischen Aktivität. In einer typischen WWTP
ist eine Ausrüstung vorgesehen, die eine derartige Prozesssteuerung erlaubt, aber nicht
mit Echtzeit-Leistungsfähigkeit und Genauigkeit. Zum Beispiel enthalten die durch eine
solche Ausrüstung gesteuerten Prozessparameter die Eingangsgeschwindigkeit eines
Primärzuflusses, die Eingangsgeschwindigkeit eines belebten Rücklaufschlamms, die
Geschwindigkeit des Denitrifizierungskreislaufs, die Arten und die Menge von
Mikroorganismen, die Anzahl und den Ort von anaeroben, anoxischen und aeroben Stufen, die
Verweilzeiten, die Nährstoffart und deren Einleitungsgeschwindigkeit, die Luft- oder
Sauerstoffreinheit und deren Einleitungsgeschwindigkeit, den pH-Wert, die Temperatur
und dergleichen.
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Die Erfindung ist auf eine verbesserte Vorrichtung zur Überwachung und Steuerung der
biologischen Aktivität in Abwasser-Behandlungssystemen durch Erfassen von
Veränderungen des intrazellulären NADH-Niveaus der Mikroorganismen und/oder des
gelösten Sauerstoffs in der Mischflüssigkeit gerichtet. Die Vorrichtung enthält eine
Kammer, die geöffnet und geschlossen wird, um eine Probe der Mischflüssigkeit
aufzunehmen. Die Kammer enthält einen NADH-Sensor und/oder eine Sauerstoffsonde,
welche Veränderungen der biologischen Aktivität erfassen, wenn sich der Stoffwechsel
der Mischflüssigkeit aufgrund von Veränderungen der Umgebungsbedingungen
verschiebt. Diese Echtzeit-Veränderungen der biologischen Aktivität können überwacht
werden und können als Eingabefunktion zum Antreiben von Prozess- und
Steueralgorithmen verwendet werden, um eine effiziente Prozessleistung zu gewährleisten.
Solche Algorithmen sind im Stand der Technik bekannt und werden nicht weiter erläutert.
Es wird darauf hingewiesen, dass die folgenden Ausführungsbeispiele der vorliegenden
Erfindung nur dem Zwecke der Veranschaulichung dienen.
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Ein Ausführungsbeispiel der Vorrichtung zur Probenentnahme von Abwasser ist in Fig. 1
dargestellt. Ein Bioreaktorbehälter 1 (oder alternativ ein Abwasserkanal) enthält
Abwasser 2 und Schlamm. Die Messvorrichtung ist an der Oberseite des Bioreaktorbehälters
1 befestigt und erstreckt sich in das Abwasser 2. Die Vorrichtung enthält eine
Zentralsteuereinheit 20, die mit einem Computer/Monitor 13 über eine Draht- oder eine drahtlose
Verbindung 22 verbunden ist. Analog ist die Zentralsteuereinheit 20 mit der Messsonde
10 mittels einer Drahtverbindung 24 verbunden. Ein Motorgehäuse 26 ist ebenfalls mit
der Zentralsteuereinheit 20 mittels einer Drahtverbindung 28 verbunden. Energie wird
dem Motorgehäuse 26 ebenfalls über die Drahtverbindung 28 zugeführt.
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Die Messsonde 10 ist in der Messkammer 8 angeordnet und elektrisch mit dem
Computer/Monitor 13 verbunden, um Veränderungen der Menge des gelösten Sauerstoffs
oder Veränderungen der durch die Mikroorganismen in der Abwasserprobe
ausgesendeten Fluoreszenzstrahlung zu erfassen. Eine bevorzugte Messsonde für gelösten
Sauerstoff 10 wird von Yellow Spring Instrument hergestellt. Es ist auch möglich, dass
die Sonde 10 eine Messsonde für Fluoreszenzstrahlung ist. Eine bevorzugte Messsonde
für Fluoreszenzstrahlung 10, die als FLUOROMEASURE® bekannt ist, wird von der
Anmelderin hergestellt und ist im US-Patent 4,577,110 offenbart. Natürlich können auch
andere Vorrichtungen als Sonden eingesetzt werden, sofern die gleichen oder ähnliche
Messfähigkeiten vorhanden sind. Der Computer/Monitor 13 kann von beliebiger Art sein,
wie beispielsweise ein Personal Computer oder dergleichen. Eine
Beschickungsvorrichtung 52, ebenfalls mit dem Computer/Monitor 13 verbunden, stellt den
Mikroorganismen im Abwasser in der Messkammer 8 Nährstoffe oder Sauerstoff oder andere
Reaktionspartner zur Verfügung.
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Die Probenentnahmeeinheit 11 ist an einem beweglichen Träger 30 befestigt, der sich im
wesentlichen senkrecht nach oben und nach unten bewegen kann, um die Messsonde 10
in das bzw. aus dem Abwasser 2 zu bewegen. Der genaue Aufbau des beweglichen
Trägers 30 ist nicht von Bedeutung, sofern die Beweglichkeit der Probenentnahmeeinheit
11 erzielt wird. Das Messende 50 der Messsonde 10 ist in der Messkammer 8 angeordnet
(wie in Fig. 2 dargestellt). Die Messkammer 8 weist eine Öffnung 66 und eine
angrenzende bewegliche Abdeckung 32 auf, welche sich entlang von Führungskanälen 34
senkrecht nach oben und nach unten bewegt und die Öffnung 66 verschließt.
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Fig. 2 zeigt eine Explosionsdarstellung einer speziellen Konstruktion einer
Probenentnahmeeinheit 11. Das Motorgehäuse 26 enthält einen Getriebemotor 36, Magnetventil-
Zugelemente 38 und eine mit einer Verbindungsstange 42 verbundene Feder 40. Die
Verbindungsstange 42 ist auch mit Führungsstangen 44 verbunden, welche sich durch die
Führungskanäle 34 erstrecken. Die Führungsstangen 44 enden an ihrem anderen Ende an
der beweglichen Abdeckung 32. Der Getriebemotor 36 ist mit einer Propellerstange 46
verbunden, welche mit einem Propeller 48 verbunden ist. Der Propeller 48 ist innerhalb
der Messkammer 8 angeordnet, die ebenfalls das Messende 50 enthält.
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Fig. 3 zeigt eine Explosionsdarstellung eines weiteren speziellen Aufbaus einer
Probenentnahmeeinheit 11. Das Motorgehäuse 26 enthält ein lineares Stellglied 53, das mit einer
zentralen Steuerung mittels einer Drahtverbindung 28 verbunden ist. Das lineare
Stellglied 53 treibt eine Gewindewelle 57 an, welche mit einer Innenwelle 56 verbunden ist,
die sich durch eine Außenwelle 55 erstreckt. Die aus der Innen- und der Außenwelle 56
und 55 gebildete Anordnung ist durch ein Edelstahlrohr 54 abgeschirmt. Das Rohr 54 ist
mit der Kammer 8 verbunden, welche einen Propeller 48 enthält und das Messende 50 der
Messsonde 10 aufnimmt, welche mit der Zentralsteuerung mittels einer Drahtverbindung
24 verbunden ist. Die Messkammer 8 besitzt eine Öffnung 66, die mit einer beweglichen
Abdeckung 32 verschlossen werden kann, welche mit der Innenwelle 56 verbunden ist.
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Die in den Fig. 1 und 2 dargestellte Vorrichtung arbeitet bevorzugt wie folgt. Wenn ein
Teil Abwasser geprüft werden soll, wird den Magnetventil-Zugelementen 38 über die
Drahtverbindung 28 ein Steuersignal geschickt, so dass sie zusammen auf die
Verbindungsstange 42 eine Kraft ausüben und die Führungsstangen 44 und die
bewegliche Abdeckung 32 in Richtung des Pfeils "B" drücken, wobei sie gegen die
Zugkraft der Feder 40 arbeiten. Die Messkammer 8 befindet sich dann in einer offenen
Stellung. Eine Drehung des Propellers 48 bewirkt, dass Abwasser innerhalb der Kammer
8 aus der Kammer heraus und in den Abwasserkörper 2 bewegt wird und Teile des
Abwasserkörpers 2 außerhalb der Kammer 8 in die Messkammer 8 hinein bewegt werden,
wodurch die Messkammer 8 ausgespült und mit einer frischen Menge Abwasser zur
Probenentnahme gefühlt wird.
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Nachdem eine frische Probe in die Messkammer 8 aufgenommen ist, wird das
Steuersignal der Magnetventil-Zugelemente 38 abgeschaltet, wodurch die Druckkraft der
Magnetventil-Zugelemente 38 gelöst wird. Die Feder 40 kehrt in ihre Ausgangsstellung
zurück, wobei sie die Verbindungsstange 42, die Führungsstangen 44 und die bewegliche
Abdeckung 32 in Richtung des Pfeils "A" zieht, und die Kammer 8 befindet sich dann in
einer geschlossenen Stellung.
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Nach dem Füllen der Messkammer 8 mit einer frischen Probe Abwasser verändert sich
die Stoffwechselaktivität der Probe im Laufe der Zeit, wie beispielsweise von einem
aeroben zu einem anoxischen zu einem anaeroben Zustand. Die Zeitintervalle, welche die
Probe in den verschiedenen Zuständen, wie beispielsweise dem aeroben, dem anoxischen
und dem anaeroben Zustand verbringt, und die Veränderungen der Fluoreszenzstrahlung
und des Sauerstoffgehalts entsprechend den Veränderungen der Stoffwechselaktivität
können durch die Sonde 10 je nachdem, ob sie eine Sonde für gelösten Sauerstoff oder
eine Sonde für Fluoreszenzstrahlung ist, erfasst und durch den Computer 13
aufgezeichnet und analysiert werden. Die Verwendung des Computers 13 erlaubt eine
Echtzeit-Online-Überwachung der biologischen Aktivität in der Messkammer 8. Die
Auswertung der durch die vorliegende Erfindung erhaltenen Informationen hängt von
ihrer speziellen Anwendung und der Einbauposition in der WWTP ab. Die Konstruktion
der Vorrichtung kann modifiziert werden, um den speziellen Anforderungen der
Abwasser-Behandlungsanlage und ihrer Position zu genügen. Nach Beendigung der
Probenanalyse betätigt die Zentralsteuerung die Magnetventil-Zugelemente 38, was eine
Abwärtsbewegung der beweglichen Abdeckung 32 in Richtung des Pfeils "B" erlaubt.
Dies öffnet die Messkammer 8 wieder für ein weiteres Ausspülen und Aufnehmen einer
neuen Probe.
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Wie in Fig. 3 dargestellt, werden die bewegliche Abdeckung 32 und der Propeller 48
durch den gleichen niedertourigen Umkehrmotor 53 angetrieben, der koaxial mit der
Innenwelle 56 und der Außenwelle 55 verbunden ist. Die koaxiale Anordnung ist durch
das Edelstahlrohr 54 abgeschirmt. Wenn ein Teil Abwasser geprüft werden soll, wird ein
Steuersignal zu dem Motor 53 geschickt, der die Drehrichtung auf Befehl verändert. Die
bewegliche Abdeckung 32 wird durch die Innenwelle 56, welche durch eine mit dem
Motor 53 verbundene Welle 57 angetrieben wird, in Richtung des Pfeils "B" gedrückt. In
der offenen Stellung erzwingt eine Drehung des Propellers 48 einen Austausch des
Abwassers zwischen dem Inneren und dem Äußeren der Messkammer 8, und die
Messkammer 8 wird mit einer frischen Probe Abwasser gefüllt. Nach einer gegebenen
Zeitdauer von zum Beispiel 30 Sekunden wird der Motor 53 programmiert, um seine
Drehrichtung umzukehren. Die bewegliche Abdeckung 32 wird in Richtung des Pfeils
"A" gezogen bis die Messkammer 8 vollständig geschlossen ist.
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Die frische Abwasserprobe wird in der gleichen Weise wie bezüglich Fig. 2 beschrieben
analysiert. Nach Beendigung der Probenanalyse kehrt die Zentralsteuerung die Richtung
des Motors 53 um, der die bewegliche Abdeckung 32 wieder für ein weiteres Ausspülen
und Aufnehmen einer neuen Probe in die offene Stellung drückt.
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Fig. 4 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem die Messkammer 8
eine Messsonde 10A mit einem Messende 50A aufweist. Die Messsonde 10A ist eine
Sauerstoffsonde. Die Messkammer 8 besitzt auch eine Messsonde 10B mit einem
Messende 50B. Die Messsonde 10B ist eine Sonde für Fluoreszenzstrahlung.
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Der Propeller 48 ist innerhalb der Messkammer 8 angeordnet. Die Abdeckung 32 befindet
sich in einer geschlossenen Stellung, welche die Öffnung 66 abdeckt (wie in Fig. 3 und 5
dargestellt). Ein Luftverteiler 103 ist an der Innenseite der Kammer 8 angeordnet und
auch mit Luft oder einer Sauerstoffquelle verbunden.
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Der Propeller 48 ist mit dem Motorgehäuse 100 über eine Reihe von koaxialen Röhren
102, 104 und 106 verbunden. Eine Mutter 108 und eine Drucklagerhülse 112 sind in der
mittleren Röhre 104 enthalten und daran befestigt. Die Außenröhre 102 ist an einer Basis
101 befestigt. Die Mutter 108 ist entlang einer Gewindestange 110 axial bewegbar, um
die Abdeckung 32 in Abhängigkeit von der Drehrichtung des Motors 116 entweder zu
öffnen oder zu schließen. Die Mutter 108 bewegt sich nur dann in axialer Richtung, wenn
eine induzierte Widerstandskraft auf die mittlere Röhre 104 ein Drehmomentmaß
übersteigt, das benötigt wird, damit sich die Mutter 108 auf der Gewindestange 110 dreht.
Diese Widerstandskraft kann durch den an der mittleren Röhre 104 befestigten Propeller
48 und/oder durch irgendwelche Buchsen oder andere Kleinteile in Kontakt mit der
mittleren Röhre 104 induziert werden. Die Drucklagerhülse 112 hält das Lager 114, das
die axiale Spannung der Innenröhre 106 trägt, wenn die Abdeckung 32 geschlossen ist.
Das Lager 114 lässt die mittlere Röhre 104 unabhängig von der Innenröhre 106 drehen
und überträgt die Axialbewegung der mittleren Röhre 104 auf die Innenröhre 106. Die
Außenröhre 102 trägt sowohl das Motorgehäuse 100 als auch die Kammer 8, wobei die
Innenteile geschützt werden. Die Kammer 8 ist im wesentlichen zur Außenröhre 102
verschlossen, und wenn die Abdeckung 32 gegen die Kammer 8 gezogen wird, ist der
Raum in der Kammer 8 verschlossen.
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Wenn der Motor 116 in eine Richtung dreht, bewegt sich die Mutter 108 von dem Motor
weg, wodurch die Abdeckung 32 geöffnet wird. Wenn die Mutter 108 einen Anschlag
118 erreicht, bewegt sich die Mutter 108 nicht weiter in axialer Richtung, und dies
bewirkt, dass sich die mittlere Röhre 104 im wesentlichen der Motorgeschwindigkeit
anpasst. Die Kammer 8 befindet sich dann in einem offenen Zustand, und der Propeller
48 induziert einen Fluidwechsel zwischen dem Inneren und dem Äußeren der Kammer 8,
wie in Fig. 5 dargestellt.
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Wenn sich der Motor 116 und die Gewindestange 110 in die entgegengesetzte Richtung
drehen, bewegt sich die Mutter 108 zum Motor, wodurch die Abdeckung zugezogen wird.
Wenn die Kammer 8 geschlossen ist, wird eine axiale Bewegung der Mutter 108 durch
die Spannung auf die Mutter 108 verhindert. Dies lässt die mittlere Röhre 104 mit der
gleichen Geschwindigkeit wie den Motor 116 und die Gewindestange 110 drehen. Die
Kammer 8 befindet sich dann in einer geschlossenen Stellung, so dass das Fluid innerhalb
der Kammer 8 zurückgehalten wird, während es fortlaufend durch den Propeller 48
gemischt wird, wie in Fig. 4 dargestellt.
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Fig. 6 ist eine Explosionsdarstellung der verschiedenen Antriebskomponenten, die in
Fig. 4 und 5 dargestellt sind.
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Die Gewindestange 110 ist an dem Umkehrmotor 116 befestigt und an einer
Axialbewegung gehindert. Dies induziert eine Linearbewegung der mittleren Röhre 104 nur
dann, wenn die mittlere Röhre 104 einen Drehwiderstand größer als ein zum Bewegen der
Mutter 108 entlang der Gewindestange 110 erforderliches Drehmoment offeriert. Die
Drehgeschwindigkeit der mittleren Röhre 104 muss gleich der Drehgeschwindigkeit des
Motors sein, wenn die mittlere Röhre 104 an einer axialen Bewegung gehindert wird.
Dies tritt ein, wenn die Kammer 8 geschlossen ist oder wenn die Mutter 108 den unteren
Anschlag 118 erreicht.
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Die mittlere Röhre 104 bewegt sich entlang ihrer Längsachse, um die Kammer 8 zu
öffnen und zu schließen. Sie dreht sich in eine Richtung, wenn sie offen ist, und in die
entgegengesetzte Richtung, wenn sie geschlossen ist. Der Anschlag ist an der
Gewindestange 110 angebracht und verhindert, dass sich die Mutter 108 linear über die Länge der
Gewindestange 110 hinaus bewegt. Die Außenröhre 102 dient als Schutzhülle und ist
zusammengedrückt, wenn die Abdeckung 32 geschlossen ist. Die Innenröhre 106 ist an
der Abdeckung 32 angebracht. Sie dreht sich unabhängig von der mittleren Röhre 104,
aber sie bewegt sich axial mit der mittleren Röhre 104. Die Drucklagerhülse 112 hält das
Lager 114 und ist an der mittleren Röhre 104 angebracht. Sie lässt die mittlere Röhre 104
unabhängig von der Innenröhre 106 drehen und überträgt die Axialbewegung von der
mittleren Röhre 104 auf die Innenröhre 106. Das Lager 114 nimmt die axiale Spannung
der Innenröhre 106 auf und lässt die mittlere Röhre 104 unabhängig von der Innenröhre
106 drehen.
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Die Vorrichtung zur Überwachung der biologischen Aktivität kann in allen Stufen einer
WWTP oder einer beliebigen Kombination davon verwendet werden. Die Integration der
Vorrichtung in eine typische WWTP ist schematisch in Fig. 7 dargestellt. Es werden nun
die allgemeine Anwendung und Verwendung der in Fig. 1 bis 6 dargestellten Vorrichtung
in den anaeroben, anoxischen und/oder aeroben Stufen einer typischen Abwasser-
Behandlungsanlage erläutert.
1. Verwendung in der anaeroben Stufe
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Das Arbeitsprofil der Überwachungsvorrichtung der biologischen Aktivität bei der
Installation in der anaeroben Stufe einer WWTP ist in Fig. 8 veranschaulicht. Der Begriff
NFU, wie er in der Fig. 8 gezeigt und nachfolgend verwendet wird, stellt ein(e)
normierte(s) oder relative(s) Menge oder Niveau einer NADH-Fluoreszenzstrahlung dar.
Drei Parameter, ΔNFU&sub1;, ΔNFU&sub2; und Δt&sub1; werden für die Auswertung der biologischen
Aktivität der Mikroorganismen analysiert. ΔNFU stellt den Gesamtanstieg der NADH-
Konzentration dar; ΔNFU&sub1; stellt den Anstieg der NADH-Konzentratino der ersten Stufe
dar; ΔNFU&sub2; stellt den Anstieg der NADH-Konzentration der zweiten Stufe dar; und Δt&sub1;
stellt die Zeitdauer des anoxischen Abschnitts während der anaeroben Stufe der WWTP
dar. Die Gesamtveränderung der NADH-Konzentration durch den aeroben, den
anoxischen und den anaeroben Zustand der Mischflüssigkeit der anaeroben Stufe der
Behandlung kann gemäß der Gleichung
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ΔNFU = ΔNFU&sub1; + ΔNFU&sub2;
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ausgedrückt werden. ΔNFU ist proportional zu der Gesamtbiomassenkonzentration in der
Probe. Obwohl der Absolutwert der Biomassenkonzentration nicht aus einer einzigen
Messung bestimmt werden kann, ist es möglich, die Populationsverteilung der
denitrifizierenden und nicht-denitrifizierenden Mikroorganismen durch in der Technik
bekannte Verfahren genau und zuverlässig abzuschätzen. Wenn die Konzentration des
gelösten Sauerstoffs in der Probe unter einen kritischen Wert fällt und schließlich
verarmt, wechseln jene Mikroorganismen, die nicht Nitrat und/oder Nitrit als
Elektronenakzeptoren verwenden können, in einen anaeroben Zustand, wodurch die Mischflüssigkeit
von einem aeroben zu einem anoxischen Zustand verschoben wird. Dies entspricht dem
ersten Anstieg der biologischen Aktivität ANFU&sub1;. Die Mehrzahl der Mikroorganismen,
die keine Denitrifizierung durchführen können, sind autotrophische Nitrifizierungselemente,
wie beispielsweise Nitrosomonas und Nitrobacter. Deshalb ist der Wert von
ΔNFU&sub1;/ΔNFU proportional zu dem Anteil der Nitrifizierungselemente in der gesamten
Biomassenpopulation. Im Gegensatz dazu verbrauchen jene Mikroorganismen, die zur
Durchführung der Denitrifizierung in der Lage sind, das gesamte Nitrat in der Probe,
bevor sie in einen anaeroben Zustand gelangen.
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Der Anstieg an NADH der zweiten Stufe, ΔNFU&sub2;, der Probe entspricht einer
Verschiebung der Probe von einem anoxischen zu einem anaeroben Zustand. Deshalb ist der
Wert von ΔNFU&sub2;/ΔNFU proportional zu dem Anteil an Denitrifizierungselementen in
der gesamten Biomassenpopulation.
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Eine mögliche Anwendung der Überwachungsvorrichtung der biologischen Aktivität in
der anaeroben Stufe einer WWTP ist es, die Leistungsfähigkeit des NH&sub3;-Entzugs zu
bestimmen. Wenn der Wert von ΔNFU&sub1;/ΔNFU unter einem vorgegebenen Wert liegt, ist
die Population der Nitrifizierungselemente in dem Bioreaktorbehälter niedriger als die
erforderliche Menge für einen geeigneten NH&sub3;-Entzug. Eine Veränderung der
Arbeitsparameter, wie beispielsweise eine Erhöhung der hydraulischen Verweildauer oder eine
Erhöhung der RAS-Strömungsgeschwindigkeit, ist bei der Modifizierung des Verfahrens
hilfreich, um die WWTP effizienter zu machen. Wenn die Änderung des Parameters der
Strömungsgeschwindigkeit des belebten Rücklaufschlamms (RAS) angenommen wird,
sollte sie fortgesetzt werden bis der Wert von ΔNFU&sub1; einen eingestellten Punkt erreicht,
so dass die Population der Nitrifizierungselemente groß genug ist, um die richtige
Nitrifizierungsrate beizubehalten.
2. Verwendung in der anoxischen Stufe
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Das Arbeitsprofil der Überwachungsvorrichtung der biologischen Aktivität bei der
Verwendung in der anoxischen Stufe einer WWTP ist in Fig. 9 veranschaulicht. Zwei
Parameter, ΔNFU&sub3;, welches die Veränderung der biologischen Aktivität, insbesondere der
NADH-Fluoreszenzstrahlung während der Verschiebung von dem anoxischen zu dem
anaeroben Zustand der Probe darstellt, und Δt&sub2;, welches die Zeitdauer in Minuten des
anoxischen Zustands der Probe darstellt, sind bei der Überwachung und Steuerung der
anoxischen Stufe einer WWTP nützlich.
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Der Wert Δt&sub2; wird als Zeitdauer von der Aufnahme der Probe in die Messkammer 8 bis zu
dem Moment, wenn die Denitrifizierung abgeschlossen ist, gemessen. Der Wert Δt&sub2; kann
verwendet werden, um auszuwerten, ob die hydraulische Verweildauer in der gesamten
anoxischen Stufe Tden, für die Beendigung des Denitrifizierungsprozesses lang genug ist.
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Die ideale Zeit ist Tden = Δt&sub2;. Um diese ideale Denitrifizierungszeit zu erreichen, kann die
innere Kreislaufgeschwindigkeit entsprechend eingestellt werden.
3. Verwendung in der oxischen Stufe
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Ein Arbeitsprofil für die Verwendung der Vorrichtung am Ende der oxischen Stufe einer
WWTP ist in Fig. 10 veranschaulicht. Da der Abbau an Verunreinigungen beinahe
abgeschlossen ist, ist die BOD-Konzentration sehr niedrig, und die Veränderung der
biologischen Aktivität entsprechend der Stoffwechselverschiebung der aufgenommenen
Probe von einem aeroben zu einem anoxischen Zustand ist sehr klein, aber
nichtsdestotrotz messbar.
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Eine der Anwendungen der Erfindung in der oxischen Stufe besteht darin, als NH&sub3;-
Messgerät zu dienen. Dieser Aspekt funktioniert bevorzugt wie folgt: Zwei Sätze von
Überwachungsvorrichtungen (nicht dargestellt) können an der gleichen Stelle in dem
Bioreaktorbehälter 2 (wie in Fig. 1 dargestellt) verwendet werden. Beide Messkammern 8
(oder eine Messkammer 8, falls sowohl eine D.O.- als auch eine Fluoreszenzstrahlungs-
Sonde zusammen eingesetzt werden, wie in Fig. 4 und 5 gezeigt) sind gleichzeitig mit
Mischflüssigkeitsproben gefüllt. Für die erste Kammer stellt Δt&sub3;, wie in Fig. 10
dargestellt, die Zeit von der Aufnahme der Probe bis zum Beginn des oxischen Zustands der
Probe, der durch den Computer 13 registriert wird, dar. In der zweiten Kammer wird
direkt nach dem Füllen der Kammer mit der Mischflüssigkeit eine bestimmte Menge NH&sub3;
aus der Beschickungsvorrichtung 52, wie sie in Fig. 1 gezeigt ist, zugegeben, so dass die
Veränderung der NH&sub3;-Konzentration in der Messkammer 8 bekannt ist, z. B. 0,5 ppm. Es
wird dann die Zeit Δt&sub4; von der Aufnahme der Probe in der Kammer 8 bis zum Beginn des
anoxischen Zustands des Abwassers in der Messkammer 8 aufgezeichnet.
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Um die NH&sub3;-Konzentration zu bestimmen, wird angenommen, dass der Verbrauch des
gelösten Sauerstoffs (D.O.) am Ende der oxischen Stufe hauptsächlich durch den
Nitrifizierungsprozess bedingt ist. Ein typisches Arbeitsprofil für den Verbrauch des
gelösten Sauerstoffs während der oxischen Stufe ist in Fig. 11 veranschaulicht.
Experimentelle Ergebnisse zeigen, dass die Sauerstoffverbrauchsrate der Mischflüssigkeit
sich vernachlässigbar veränderte, wenn dem System mit der Beschickungsvorrichtung 52
Acetat und Glucose (5 ppm) zugegeben wurden, während eine deutliche Veränderung
beobachtet wurde, wenn 0,1 ppm an NH&sub3; dem System zugegeben wurde.
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Die Konzentration an NH&sub3; im oxischen Zustand der WWTP wird ausgedrückt als:
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(NH&sub3;)&sub1; = ANH&sub3; Δt&sub4;/(Δt&sub3; - Δt&sub4;)
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wobei (NH&sub3;)&sub1; die Ammoniakkonzentration in der Wasserphase am Ende der oxischen
Stufe bzw. ΔNH&sub3; die bekannte Zugabemenge Ammoniak zu der zweiten Messkammer ist.
Die vorliegende Erfindung kann in dem oxischen Zustand einer WWTP verwendet
werden, um die NH&sub3;-Konzentration im Bioreaktorbehälter genau zu überwachen.
Verschiedene Systemparameter; wie beispielsweise die Verweilzeit, können dann verändert
werden, um den Nitrifizierungsprozess zu verbessern und, falls erforderlich, die
Leistungsfähigkeit des Abwasser-Behandlungssystems zu erhöhen.
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Die Anwendung der Vorrichtung mit einer D.O.-Sonde 10 in der oxischen Stufe in einer
Abwasser-Behandlungsanlage wird folgendermaßen beschrieben: Wenn die Messkammer
8 mit frischem Abwasser (Mischflüssigkeit) gefüllt ist, wird die Konzentration an
gelöstem Sauerstoff durch die D.O.-Sonde gemessen. In Abhängigkeit von der
ursprünglichen D.O.-Konzentration kann der Probenkammer 8 durch einen Luftverteiler 103, der
innerhalb der Kammer 8 installiert ist, Luft zugeführt werden, um die D.O.-Konzentration
über einen vorgegebenen Wert zu erhöhen.
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Wenn die Belüftung abgeschaltet wird, sinkt die D.O.-Konzentration aufgrund des
biologischen Sauerstoffverbrauchs des Abwassers (Mischflüssigkeit). In einer Zeitdauer
Δt kann der Konzentrationsabfall an gelöstem Sauerstoff als ΔD.O. ausgedrückt werden.
Die biologische Sauerstoff-Verbrauchsrate (BOCR) wird gemessen als
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BOCR = ΔD.O./Δt
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Falls die biologische Sauerstoff-Verbrauchsrate (BOCR) in Gramm pro Liter und Stunde
und die ursprüngliche Konzentration an gelöstem Sauerstoff Ci in Gramm pro Liter in der
Probenkammer 8, welche auch die D.O.-Konzentration im
Abwasser-Behandlungsbehälter in dem Augenblick, wenn die Probe eingenommen wird, ist, bekannt sind, kann
der Sauerstoff-Austauschkoeffizient KL3 berechnet werden als
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KL3 = BOCR/(C*-Ci)
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wobei C* die Sättigungskonzentration von Sauerstoff in der Wasserphase bei aktueller
Temperatur und aktuellem Luftdruck ist. Für eine gegebene
Abwasser-Behandlungseinrichtung wird der Sauerstoff-Austauschkoeffizient KL3 durch das Belüftungsverfahren
in dem Belüftungsbehälter, z. B. feiner Blasenverteiler oder mechanischer
Oberflächenbelüfter, sowie die Luftströmungsrate Qair bestimmt. Somit ermöglicht die Kenntnis des
erforderlichen KL3-Werts die exakte Steuerung der Luftströmungsrate Qair.
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Wenn die Konzentration an gelöstem Sauerstoff unter einen kritischen Wert sinkt,
erreicht das Abwasser (Mischflüssigkeit) einen anaeroben Zustand oder einen anoxischen
Zustand, falls Nitrat und/oder Nitrit vorhanden ist. Der Übergangspunkt kann sowohl
durch eine NADH-Sonde als auch eine D.O.-Sonde erfasst werden. Die Gesamtzeit von
dem Augenblick, wenn die Belüftung abgeschaltet wird, bis zu dem Übergangspunkt wird
als biologische Sauerstoff-Verbrauchszeit (BOCT) registriert. Für eine gegebenen D.O.-
Konzentration und ein gegebenes Abwasser (Mischflüssigkeit) ist die biologische
Sauerstoff-Verbrauchszeit abhängig von den in dem Abwasser verbliebenen Nährstoffen.
Eine geringere Menge Nährstoffe im Abwasser ergibt einen geringeren D.O.-Verbrauch
durch das Abwasser (Mischflüssigkeit), was in einer längeren biologischen Sauerstoff-
Verbrauchszeit resultiert. Somit weist BOCT auf den Grad des Nährstoffentzugs im
Abwasser hin und kann benutzt werden, um die Leistungsfähigkeit des
Behandlungsprozesses zu überprüfen.
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In dem Verfahren gemäß der Erfindung kann man Informationen über die
Biomassenzusammensetzung, die Leistungsfähigkeit des Denitrifizierungs-, des Nitrifizierungs- und
des BOD-Entzugsprozesses und die NH&sub3;-Konzentration in der oxischen Phase einer
WWTP erhalten. Diese Informationen können durch den Computer 13 überwacht und
analysiert werden, der die biologische Aktivität in den anaeroben, anoxischen und
aeroben Stufen einer WWTP auswertet und Systemparameter, wie beispielsweise die
RAS-Strömungsgeschwindigkeit, die Sauerstoffzufuhrgeschwindigkeit, die innere
Kreislaufgeschwindigkeit oder die hydraulische Verweilzeit oder dergleichen ändern kann, um
die Leistungsfähigkeit der WWTP als Reaktion auf vorübergehende Zustände oder
Normalbetrieb zu maximieren.
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Obwohl die Erfindung unter Verwendung spezieller Ausführungsbeispiele davon
beschrieben wurde, wird darauf hingewiesen, dass eine große Vielfalt an Äquivalenten für
die speziellen Elemente und Schritte, die gezeigt und beschrieben wurden, ersetzt werden
können. Zum Beispiel kann die vorliegende Erfindung benutzt werden, um verschiedene
Parameter der einzelnen aeroben, anoxischen und anaeroben Stufen einer Abwasser-
Behandlungsanlage individuell zu überwachen, oder die Erfindung kann benutzt werden,
um die gesamte WWTP-Funktion zur Maximierung deren Leistungsfähigkeit zu
überwachen und zu steuern. Außerdem können einzelne Komponenten der Erfindung
äquivalente Ersatzmittel verwenden. Zum Beispiel kann die Probe in der Messkammer 8
unter Verwendung irgendeiner Vorrichtung zum steuerbaren Aufrühren gleichmäßig
suspendiert werden. Das Überwachungssystem kann aus einem Personal Computer mit
verwendbarer Software oder aus einzelnen elektronischen Messgeräten, die separat zu
analysieren sind, bestehen, von denen alle in der Technik bekannt sind. Es sollte auch
betont werden, dass, obwohl die Betonung auf die Messung der
NADH-Fluoreszenzstrahlung gelegt wurde, um die Menge oder die Konzentration an NADH zu bestimmen,
diese Betonung einfach die bevorzugte Weise ist, in welcher die NADH-Menge oder
Konzentration bestimmt wird. Andere Vorrichtungen und Verfahren zur Erzielung dieser
Aufgabe werden vollständig als unter den Schutzumfang dieser Erfindung fallend
angesehen. Zum Beispiel kann die NADH-Menge oder Konzentration unter Verwendung
von biochemischen Analysen, wie beispielsweise solchen auf NADH empfindlichen,
bestimmt werden. Solche Analysen sind in der Technik bekannt und verwenden
typischerweise Enzyme und Substratkomponenten, um die Analyse zu unterstützen. Es
wird auch betont, dass, obwohl die Betonung auf der Messung von gelöstem Sauerstoff
mit einer "Sonde" zur Bestimmung der Menge oder Konzentration an Sauerstoff gelegen
hat, diese Betonung einfach die bevorzugte Weise ist, in welcher die Sauerstoffmenge
oder -konzentration bestimmt wird. Andere Vorrichtungen und Verfahren zur Erzielung
dieser Aufgabe werden vollständig als unter den Schutzumfang dieser Erfindung fallend
betrachtet.