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Anwendungen

Abwassereinigung und Messung wichtiger chemischer Parameter im Klärwerk

Veröffentlicht von Sabrina Mesters-Wöll am 15.11.2020 12:00:08

sewage-plant-4337156_1920_pixabayDie Reinigung von Abwässern ist ein wichtiger Beitrag zum Erhalt einer gesunden Umwelt und damit der Gesundheit der Menschen, die darin leben. Die Abwasseraufbereitung ist nach der deutschen „Verordnung über Anforderungen an das Einleiten von Abwasser in Gewässer (Abwasserverordnung - AbwV)“ streng reglementiert. Beim Einleiten von Abwässern in Gewässer dürfen wichtige Grenzwerte an Inhalts- und Schadstoffen nicht überschritten werden. Für deren Einhaltung sorgt die physikalische, chemische und biologische Reinigung der in den Kommunen anfallenden und in der Kanalisation gesammelten Abwässer.
Für den Betrieb einer Kläranlage sind verschiedene Parameter von essenzieller Wichtigkeit. Dabei spielt nicht nur die Überprüfung des Abwassers auf Schadstoffe vor und nach der Reinigung eine Rolle, sondern auch die Einhaltung optimaler Bedingungen für die Mikroorganismen, die in erste Linie für die Reinigung des Wassers verantwortlich sind.

Im Folgenden geben wir Ihnen einen Überblick über die wichtigsten Parameter in der Abwasserstrecke. Messgeräte, die sich für die Kontrolle dieser Parameter ideal eignen, sind unser Outdoor-Multiparameter-Messgerät HI98494, unser professionelles Photometer HI83399 und unser Sauerstoff-Labormessgerät HI5421. Diese Geräte stellen wir ihnen am Ende dieses Artikels ausführlicher vor.

pH-Wert und Alkalität im Bypass

Der pH-Wert des Abwassers wird bereits beim Zulauf in die Kläranlage, im sogenannten Bypass überprüft. Hier kann festgestellt werden, ob der pH-Wert im für die Mikroorganismen in der späteren biologischen Reinigungsstufe geeigneten Bereich von pH 7 bis 8,5 liegt. Sollte dies nicht der Fall sein, können bereits hier Gegenmaßnahmen ergriffen werden.
Von wichtiger Bedeutung ist hierbei auch die Alkalität des Abwassers. Die Alkalität, auch „Säurebindungsvermögen, SBV“ oder (veraltet) „Karbonathärte“, ist ein Maß dafür, wie viel Säure das Abwasser aufnehmen und „binden“ kann, ohne dass sich der pH-Wert ändert. Demnach steht die Alkalität für die „Pufferkapazität“ des Wassers, d.h. sie verhindert Schwankungen im pH-Wert, welche die Mikroorganismen im Belebtschlamm erheblich beeinträchtigen könnten. Die Alkalität sollte dazu über 2 mmol/L liegen.

pH-Wert, Temperatur, Alkalität und gelöster Sauerstoff im Belebungsbecken

72976961_mNach dem Durchlaufen verschiedener mechanischer Reinigungsstationen (Rechen zum Entfernen von groben Verschmutzungen, Sand- und Fettfang, Vorklärbecken) erfolgt die biologische Reinigung des Abwassers im sogenannten Belebtschlammverfahren. Hier, im Belebungs- oder Belüftungsbecken, sorgt eine komplexe und artenreiche Lebensgemeinschaft von Bakterien und anderen Mikroorganismen für die Reinigung des Wassers von anorganischen und organischen Verbindungen. Die Organismen nehmen die Verbindungen auf und nutzen sie für ihren Stoffwechsel. Die optimale Temperatur für diesen Prozess liegt bei 20 bis 30 °C. Nitrifizierende Bakterien (vor allem Nitrosomonas und Nitrobakter) sorgen dabei für die Umwandlung von Ammonium/Ammoniak zunächst in Nitrit, dann in Nitrat. Dies ist ein aerober Prozess, d.h. es wird dazu Sauerstoff benötigt. Das Belebungsbecken wird daher belüftet, um einen Sauerstoffgehalt von ca. 2 mg/L zu gewährleisten.
34499684_m_123rf Denitrifizierende Bakterien (z.B. Pseudomonas) wandeln Nitrit und Nitrat in molekularen Stickstoff um, der in die Luft abgegeben wird. Dies geschieht unter anoxischen, also sauerstoffarmen Bedingungen und einem idealen pH Wert von pH 6,5 bis 8,5. Verschiedene technische Verfahren sorgen in dieser Reinigungsstufe für sauerstoffarme Zonen, indem z.B. die Belüftung des Belebungsbeckens zeitlich gesteuert wird. Weitere Produkte der biologischen Reinigung sind neben einer Zunahme von Biomasse (in Form von Belebtschlamm) Wasser und Kohlendioxid.
Die Mikroorganismen im Belebungsbecken verwerten ebenfalls einen kleinen Teil des im Abwasser vorhandenen Phosphats für ihren Stoffwechsel. Der vor allem aus Wasch- und Reinigungsmitteln stammende Phosphatgehalt des Abwassers übersteigt diesen Bedarf jedoch erheblich, weshalb im Belebungsbecken ebenfalls eine Ausfällung des Phosphats durch die Zugabe chemischer Substanzen erfolgt. Auch hier ist die Alkalität des Wassers von entscheidender Bedeutung, um pH-Wert-Schwankungen, die durch saure oder alkalische Ausfällungsmittel entstehen könnten, abzufangen.

pH-Wert und Alkalität (Kalkreserve) im Faulschlamm

Nach dem Belebungsbecken durchläuft das Abwasser das Nachklärbecken. Die ruhigen Bedingungen in diesem Becken sorgen für die Absetzung des im Belebungsbecken anfallenden Schlamms, der zu einem großen Teil aus Bakterien-Biomasse besteht. Er wird daher partiell wieder dem Belebungsbecken zugeführt. Der Überschussschlamm wird der weiteren Bearbeitung (Faulung, Eindickung) zugeführt.
Im Faulschlamm erfolgt eine anaerobe Gärung und ein weiterer Aufschluss von komplexeren organischen Verbindungen, z.B. der bei der mechanischen Reinigung anfallenden Fette. Hierbei entstehen neben einfachen organischen Verbindungen wie Methan auch flüchtige organische Säuren. Damit Feststoffe aufgeschlossen werden können, muss das Verhältnis von flüchtiger Säure zu Alkalität unter 0,25 liegen. Wenn dieses Verhältnis nicht eingehalten wird, werden Methanbakterien durch eine Verschiebung des pH-Werts empfindlich gestört, die Gärung wird gehemmt und langsam oder nicht vollständig durchgeführt. Der ideale pH-Wert beim Faulungsprozess liegt bei  pH 6,7 bis 7. Der typische Wert für flüchtige Säure in einem Faulschlammbehälter liegt zwischen 50 - 300 mg/L (bezogen auf Essigsäure). Die Alkalität beträgt normalerweise 2500 - 3500 mg/L (als CaCO3). Innerhalb dieser Bereiche ist der Faulprozess im Gleichgewicht.

Untersuchung des Abwassers und der Leistung der Kläranlage im Labor

Bevor das gereinigte Abwasser aus dem Nachklärbecken in den Vorfluter (z.B. einen Bach) eingeleitet werden kann, muss es im Labor auf die Einhaltung wichtiger Grenzwerte untersucht werden. Auch an anderen Stationen im Klärwerk werden Wasser- und Schlammproben entnommen und im Labor regelmäßig physikalisch, chemisch und biologisch untersucht, um einen störungsfreien und effizienten Betrieb der Anlage zu gewährleisten.
Untersucht werden die absetzbaren Stoffe und Gesamtschwebstoffe, die Biomasse und die biologische Aktivität der Mikrofauna und -flora, Stickstoffverbindungen (Gesamtstickstoff, Ammonium-Stickstoff, Nitrit-Stickstoff, Nitrat-Stickstoff), Gesamtphosphor, der Biochemische (BSB5) und der Chemische Sauerstoffbedarf (CSB).

Das mobile Multiparameter-Messgerät HI98494

HI98494-720x720-8f0163cd-1314-49e8-ae71-5b74100fb732Das HI98494 ist ein Multiparameter-Messgerät, das pH-Wert/Redoxpotential, Sauerstoffgehalt, elektrische Leitfähigkeit und Temperatur mit nur einer einzigen Sonde misst. Es eignet sich hervorragend für Messungen in der gesamten Abwasserlinie, sei es in der Vorklärung, im Belebungsbecken oder während der Faulung.
Die besondere Stärke dieses Messgeräts liegt in seiner innovativen Technologie. Im Gegensatz zu herkömmlichen Sauerstoffmessgeräten verfügt es über eine optische, wartungsarme Sonde zur physikalischen Lumineszenz-Sauerstoffmessung. Grundlage dieser Messung ist die Detektion der Fluoreszenzabnahme eines speziellen Leuchtmittels in Abhängigkeit von der Sauerstoffkonzentration nach Anregung durch einen blauen LED-Lichtstrahl. Dies macht die Sauerstoffmessung mit diesem Gerät besonders schnell und effektiv. Es ist keinerlei Sondenvorbereitung (wie z.B. Polarisation) und kein Mindestdurchfluss nötig.
Die Multiparametersonde, welche alle erforderlichen Sensoren enthält, ist durch eine robuste, gewichtete Kappe besonders geschützt und für den Einsatz in verschmutztem Wasser prädestiniert. Verschiedene Kabellängen (bis zu 40 m) ermöglichen den Einsatz des Geräts auch in tieferen Bereichen oder an schwer zugänglichen Stellen.

Das HI98494 vereint ergonomisches Design mit präziser Messtechnik in Laborqualität. Luftdruck, Temperatur und Salzgehalt werden automatisch kompensiert, ein wichtiger Faktor bei der exakten Bestimmung des gelösten Sauerstoffs. Dieser kann in einem Bereich von 0,00 bis 50 mg/L und 0,0 bis 500,0% Sättigung gemessen werden. Das HI98494 erlaubt auch die Messung des barometrischen Luftdrucks von 560 bis 1133 mbar sowie der Temperatur in einem Bereich zwischen -5,0 und 50,0°C.
Darüber hinaus ist das Gerät mit der Bluetooth®-Technologie ausgestattet. Mit Hilfe der kostenfrei erhältlichen Hanna Lab App können Daten auf einem Smartgerät angesehen, heruntergeladen oder per E-Mail versendet werden.

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Das professionelle Photometer HI83399

HI83399-Angle-COD-Adapter-720x720-2a25549c-cc1d-403d-a075-d3d1ea5dcf34Bei den Untersuchungen der Wasserproben aus der Kläranlage erfolgt neben der Ermittlung von physikalischen und biologischen Eigenschaften die Bestimmung von in der Regel sieben wichtigen chemischen Wasserparametern:

  • Gesamtstickstoff
  • Ammonium-Stickstoff
  • Nitrit-Stickstoff
  • Nitrat-Stickstoff
  • Gesamtphosphor
  • Chemischer Sauerstoffbedarf (CSB)
  • Biochemischer Sauerstoffbedarf (BSB5)

Die Bestimmung dieser Parameter kann photometrisch erfolgen. Das Photometer HI83399 ist in der Lage, die genannten Stickstoffverbindungen, Gesamtphosphor und CSB (neben vielen weiteren Parametern, darunter auch Alkalität, Chlorid, Wasserhärte, Hydrazin und anionische Tenside) schnell, präzise und sicher zu bestimmen.
Eine Besonderheit des HI83399 ist sein innovatives optisches System, das LEDs, schmalbandige Interferenzfilter, eine Sammellinse und sowohl eine Silizium-Photodiode für die Extinktionsmessung als auch einen Referenzdetektor für die Stabilisierung der Lichtquelle umfasst. Im Zusammenspiel stellen diese Faktoren genaue und reproduzierbare photometrische Messergebnisse sicher. Fehler durch Veränderungen der Lichtquelle und Makel der Glasküvette werden vermieden.
73 Methoden für die Bestimmung von 40 essenziellen Wasser- und Abwasserqualitätsparameter sind im Gerät vorprogrammiert. Ebenfalls gibt es einen Extinktionsmessmodus, der es gestattet CAL Check™-Standards für die Verifizierung der Systemleistung zu verwenden. Sie können eine von 5 Wellenlängen wählen (420 nm, 466 nm, 525 nm, 575 nm und 610 nm), um Ihre eigenen Konzentration-gegen-Extinktion-Kurven zu erstellen.
csb3Bei der Durchführung der Methoden profitieren Sie von Hanna Instruments’ umfangreichem, genau auf das HI83399 zugeschnittenen Reagenziensortiment. Insbesondere die für die Bestimmung von Nitrat, Phosphor, Gesamtstickstoff und Gesamtammonium angebotenen, fertig vordosierten 16-mm-Rundküvetten sorgen für hochpräzise Messergebnisse. Auch für die Bestimmung des CSB werden vordosierte 16-mm-Aufschlussküvetten angeboten (EPA, ISO und quecksilberfrei), was den Einsatz der für diese Methoden notwendigen Chemikalien besonders anwendungssicher und unkompliziert gestaltet.

Neben seiner Funktion als Photometer fungiert HI83399 in Verbindung mit einer optional erhältlichen, digitalen pH-Elektrode auch als vollwertiges Labor-pH-Meter.
Ein ergonomisches Design, spritzwassergeschützte Tastatur, menüunterstützte Benutzerführung, kontextsensitive Hilfe, Akkubetrieb, Ergebnisumrechnung, Datenaufzeichung und Anschlussmöglichkeiten an ein USB-Medium oder einen PC (Bearbeitungssoftware optional erhältlich) sind nur einige der weiteren Highlights, die den Funktionsumfang des HI83399 abrunden.

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Das HI5421 Tischmessgerät für gelösten Sauerstoff in Forschungsqualität

HI5421Zur Bestimmung des gelösten Sauerstoffs und des Biochemischen Sauerstoffbedarfs bietet Hanna Instruments mit dem HI5421 ein Labormessgerät an, das höchste analytische Qualität mit Benutzerfreundlichkeit und Zuverlässigkeit im Laboralltag vereint.
Das kapazitive Touchpad des HI5421 ist empfindlich genug, um mit Laborhandschuhen bedient werden zu können und reagiert schnell. Da es Teil des Bildschirms ist, gibt es keine Tasten, die mit Probenresten verschmutzt werden können.
Das HI5421 bietet klar verständliche Bedienungshinweise, Anleitungen und kontextsensitive Hilfe, die jederzeit über einfachen Tastendruck abgerufen werden kann.
Mithilfe des eingebauten Barometers werden die Messwerte automatisch auf den atmosphärischen Luftdruck kompensiert. Das Gerät erkennt Kalibrierstandards automatisch an zwei Punkten bei 0% und 100% Sättigung oder 0 bzw. 8,26 mg/L. Wahlweise ist auch eine Benutzerstandard-Option für einen benutzerdefinierten Wert verfügbar.
Das Gerät kann 100 Datengruppen mit maximal 50000 Datensätzen/Gruppe, 100000 Datenpunkte pro Kanal per automatischer, manueller oder Autohold-Aufzeichnung speichern. Auch die GLP-Informationen werden gespeichert. Daten können über USB auf einen PC übertragen werden und mit einer optional erhältlichen Software bearbeitet werden.
Neben der Messung des gelösten Sauerstoffs ermöglicht HI5421 auch die Bestimmung des Biochemischen Sauerstoffbedarfs (BSB), der Sauerstoffaufnahmerate und der spezifischen Sauerstoffaufnahmerate. Einfach den gewünschten Modus auswählen und das Gerät berechnet den entsprechenden Parameter automatisch bei der nächsten Messung.

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Themen: pH-Wert, Multiparametrie, Wasser, Photometer, Umwelt, Redoxpotential, Temperatur, Wasserhärte, Sauerstoff, Nitrat, Abwasser, Nitrit, Stickstoffverbindungen

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