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Abwassercharakterisierung
Ziel Einfachste Analysen und Bedeutung der
Stoffe verstehen Grössenordnung der Frachten und
Konzentrationen im kommunalen Abwasser Grössenordnung der Konzentrationen im
gereinigten Abwasser (Einleitbedingungen)
Menge der Abwasserinhaltstoffe
Gelöste Stoffe
Einzelstoff =Element
Summenparameter= Teilmenge
Trennverfahren: Filtration
PartikuläreStoffe
Summenparameter Ein Summenparameter umfasst eine Teilmenge
der Schmutzstoffe in einem Abwasser. Die erfasste Teilmenge ist abhängig von den Eigenschaften des Analyseverfahrens.
Einzelstoff Ein Einzelstoff ist ein Element der Menge der
Schmutzstoffe.
Auftrennen von gelösten undsuspendierten Stoffen
Filtermembran mitsuspendierten Stoffen
0.45 m PorenVakuum
Filtrat mitgelösten Stoffen
Abwasserprobe
Total suspendierte Stoffe: TSSGesamt ungelöste Stoffe: GUSSummenparameter
TSS oder GUS sind diejenigen Stoffe, die nach Filtrationdurch eine Filtermembran auf dem Filter zurückbleiben.Diese Rückstände werden bei 105°C getrocknet undanschliessend gewogen.
Diese physikalische Auftrennung wird auch genutzt umgelöste von ungelösten Stoffen zu unterscheiden. Diegelösten Stoffe passieren die Filtermembran, dieungelösten Stoffe bleiben auf der Membran zurück.Die Poren des Filters sind typisch 0.45 m gross.
Flüchtige Stoffe, GlühverlustVolatile Suspended Solids: VSSSummenparameterDer Glühverlust wird bestimmt, indem die suspendiertenStoffe (GUS, TSS) bei 650°C geglüht werden. Dadurchverflüchtigen sich v.a. die organischen Stoffe, es wird derGewichtsverlust der TSS gemessen. VSS sind also eineTeilmenge der TSS.
Mit dem Glühverlust steht eine einfache Analyse zurVerfügung, mit der angenähert die Summe der organischen Stoffe bestimmt werden kann.
Organische VerbindungenBiologisch abbaubare organische Stoffe enthalten biochemisch nutzbare Energie. Sie lösen daher einWachstum von Mikroorganismen aus. Der Abbau dieser Stoffe verbraucht Sauerstoff - der im Wassernur schlecht löslich ist.
Grosse Belastung der Gewässer mit organischen Stoffen führt daher zu:- Massenentwicklung von Mikroorganismen- Sauerstofflosen (anaeroben) Zuständenzudem können partikuläre Stoffe aussedimentierenund die Gewässer verschlammen.
Chemischer Sauerstoffbedarf: CSBSummenparameterDer CSB gibt an, wieviel Sauerstoff erforderlich ist,um die organischen Abwasserinhaltstoffe zu CO2 und H2O zu oxidieren. Der CSB kann im Labor relativeinfach bestimmt werden.
Beispiel:OC H O6 12 6 6 6 26 O CO H2 2
180 g Glukose (612+121+616=180) haben einenCSB von 192 g (6162=192)Atomgewichte: H = 1, C = 12, O = 16
Beispiel CSBDie Zusammensetzung von Mikroorganismen kannmit der folgenden Summenformel angenähert werden:
C5H7NO2
Berechnen Sie das Verhältnis CSB / Mikroorganismenin g CSB / g MO.
C5H7NO2 + ? O2 > ? CO2 + ? NH3 + ? H2O
Atomgewichte: C = 12 H = 1 N = 14 O = 16Formelgewicht: C5H7NO2 = 113 g / 'Mol' MO
Beispiel: Glukose C6H12O6
180 g Glukose (612+121+616=180) haben einenDOC von 72 g (612=72)
Organisch gebundener KohlenstoffSummenparameterDer organisch gebundene Kohlenstoff gibt an, wievielKohlenstoff in den organischen Soffen enthalten ist.Von DOC (Dissolved Organic Carbon) sprechen wir,wenn nur die gelösten Stoffe analysiert werden, vonTOC (Total Organic Carbon) wenn die unfiltrierteProbe analysiert wird.
TOC und CSB beziehen sich auf die gleichen Teilmengen
0
0.5
1
1.5
2
2.5
10 12 14 16 18 20 22 24 2 4 6 8 10 12 14
Uhrzeit
TOC Fracht, relativ zur mittleren Tagesfracht
normaleTrockenwetterfracht
zusätzlicheRegenwetterfracht
Der biochemische Sauerstoffbedarf in 5 Tagen: BSB5
SummenparameterDer BSB5 gibt an, wieviel Sauerstoff Mikroorganismeninnerhalb von 5 Tagen bei 20°C brauchen um die organischen Abwasserinhaltstoffe biologisch abzubauen.
Weil nicht alle organischen Stoffe abbaubar sind, undweil ein Teil der organischen Stoffe in dieMikroorganismen eingebaut wird, gilt BSB5 < CSB.Der BSB5 umfasst nur eine Teilmenge des CSB.
% der Werte
0
20
40
60
80
100
0 2000 4000 6000 8000 10000
Tagesfracht kg BSB5 d-1
Mittelwert: 3750 kg BSB5 d-1
80% Wert: 4690 kg BSB5 d-1
50% Wert: 3440 kg BSB5 d-1
20% Wert: 2600 kg BSB5 d-1
Summenhäufigkeit in %
1000
3000
5000
7000
9000
11000
Jan Feb Mrz Apr Mai Jun Jul Aug Sep Okt Nov Dez
Datum
Tagesfracht kg BSB5 d-1
Phosphor = Nährstoff
Phosphor ist ein Nährstoff, der in vielen biochemischenReaktionen eine zentrale Rolle spielt. Biomasse enthältca. 1% Phosphor. In vielen Gewässern (nicht im Meer)ist Phosphor der limitierende Nährstoff, d.h. eine Zugabevon Phosphor führt zur Düngung des Gewässers unddamit ev. zur Zunahme der Biomasse. Das Gewässerwird eutrophiert.
Textilwaschmittel enthielten früher grosse Mengen vonPoly-Phosphaten (Phosphatverbot in der Schweiz 1986)
Totaler Phosphor: TPSummenparameter
Der totale Phosphor (TP) erfasst alle Formen vonPhosphor in der unfiltrierten Probe: Organisch gebunden,mineralische Fällungsprodukte, ortho-Phosphat.
Ortho-Phosphat: PO4-PEine spezifische Analyse
PO4-P umfasst die Summe aller Formen von Phosphat,im Abwasser v.a. HPO4
= und H2PO4-.
Diese Stoffe sind gelöst und Elemente der Teilmenge TP.
Stickstoff = NährstoffStickstoff ist gleich wie Phosphor ein Nährstoff undv.a. in Eiweiss eingebaut. Biomasse enthältca. 4 - 7% Stickstoff. Nur in wenigen Gewässern ist Stickstoff für die Primärproduktion limitierend (z.B. in einigen Meeren).
Stickstoff ist in unterschiedlichen Formen für die Gewässer bedenklich. Z.B.- Ammoniak und Nitrit als Fischgifte- Ammonium wegen seines Sauerstoffbedarfes- Nitrat im Trinkwasser
Oxidationszahl pH hoch pH tief
Reduziert: O2 Bedarf+NH3 (Ammoniak) NH4 (Ammonium)-3
0
+3
+5
N2 (elementarer Stickstoff)
NO2- (Nitrit)
NO3- (Nitrat)
Oxidiert: ‘O2 Angebot’
-3 Organisch gebundener Stickstoff
Die verschiedenen Formen des Stickstoffs
Totaler Kjeldahl Stickstoff: TKNSummenparameter
Kjeldahl-Stickstoff umfasst den organisch gebundenenStickstoff (z.B. in Form von Eiweissen) und dasAmmonium (NH4
+). Ammonium ist Element derMenge TKN.
Von totalem Kjeldahl Stickstoff (TKN) sprechen wir,wenn die unfiltrierte Probe analysiert wird, vongelöstem KN wenn nur das Filtrat analysiert wird.Ammonium ist Element der Teilmenge des gelösten KN.
Ammonium: NH4++NH3-N
EinzelstoffAmmonium umfasst die Summe von Ammoniak (NH3)und Ammonium (NH4
+). Ammonium ist Element derTeilmenge Kjeldahl-Stickstoff.
Nitrit: NO2-
Einzelstoff
Nitrat: NO3-
EinzelstoffNitrit und Nitrat sind oxidierte Stickstoffverbindungen,die im rohen Abwasser kaum vorkommen aber in derAbwasserreinigung produziert werden.
0
1
2
3
0 6 12 18 24
0
1
2
3
0 6 12 18 24
Uhrzeit Uhrzeit
Verhältnis der momentanen zur mittleren NH4+ Fracht
2000 Einw.13.6 kg N d-1
350’000 Einwohner2900 kg N d-1
Alkalinität (Bikarbonat)Eine Kapazität (Summe von Einzelstoffen)
Die Alkalinität (oder das Säurebindungsvermögen, SBV)ist ein Mass für die pH Pufferkapazität des Wassers. Sie gibt an, wieviel Säure erforderlich ist, um den pH desWassers auf 4.3 zu reduzieren. Im Abwasser entsprichtin erster Näherung: Alkalinität = Bikarbonat (HCO3
-)
H CO H O CO2 3 2 2HCO3 H
Alkalinität + Säure
Die Alkalinität ist abhängig vom verwendeten Trinkwasser,typische Konzentrationen sind im Bereich von 5 - 8 Mol m-3.
pH Wert: pH = - log10(H+)Einzelstoff, AktivitätDer pH Wert ist ein Mass für die Aktivität (Konzentration)der Protonen (H+) im Wasser. Der pH beeinflusst dieLöslichkeit von Salzen, die Aktivität von Mikro-organismen, die Verteilung von Säuren und Basen, etc.
Typische pH Werte im Abwasser liegen im Bereich von6.7 - 7.5. In den Gewässern beobachten wir häufig höhereWerte. Im Sommer bei Sonnenschein bis gegen 9.0.
Einwohnerwerte (EW)je in g Einwohner-1 Tag-1
Rohabwasser Vorgeklärt BSB5 60 40 - 50
CSB 120 80 - 100 TSS 70 30 - 40 TKN 11 10 TP 2.5 2.3
Diese Werte werden in ca. 85% der Proben unterschritten.Vorgeklärt heisst nach Sedimentation (ca. 1 Stunde)
Einleitbedingungen in g m-3
Jahr 1966 1976 1996 MaximalTSSBSB5DOCAmmoniumNitrit (NO2
--N)Nitrat (NO3
--N)TP
2020--
0.3-
2020102
0.3-
1.0
55 - 10
101 - 20.3
10 - 150.2 - 0.8
1515102
0.3?
0.8
Diese Werte müssen in ca. 4 von 5 Tagesproben eingehalten werden
(gilt in der Schweiz bis Ende 1998)
Beispiel: Einem unbelasteten Trinkwasser werden250 g m-3 Algen mit der folgenden Zusammensetzungzugefügt:
C106H263O110N16P1
Wie gross sind die Werte des CSB, TOC, DOC, TKNTP, NH4
+-N und die TSS sowie die Alkalinitätdieser Mischung?
C H O N P O H
CO NH PO H O
106 263 110 16 1 2
2 4 43
2
106 13
106 16 106
Algen: C106H263O110N16P1
Element Atomgewicht Anzahl Gewicht Anteil (%)
C 12 106 1272 36H 1 263 263O 16 110 1760N 14 16 224 6.3P 31 1 31 0.9
Total 3550 100
CSB 106 32 (aus Gleichung) 3392 = 0.96 3550
Zugabe von 250 g m-3 Algen zu unbelastetem TrinkwasserEs gibt nur partikuläre Anteile aus den Algenplus die gelösten Stoffe des Trinkwassers
TSS = GUS = 250 g m-3
CSB = 0.96 TSS = 240 g CSB m-3
TOC = 0.36 TSS = 90 g TOC m-3
DOC = 0 (< 0.5) gelöstTKN = 0.063 TSS = 15.8 g N m-3
NH4+-N = 0 (<0.1) gelöstTP = 0.009 TSS = 2.3 g P m-3
Alkalinität (aus dem Trinkwasser) z.B. 5 Mol m-3
0.0
5.0
10.0
15.0
20.0
25.0
Winter Frühling Sommer Herbst
Rohwassertemperatur in °C
0 24 48 72 96
Stunden
Abwassertemperatur in °C
10
12
14
16
Tagesganglinie der Temperatur im Abwasser(Belebungsbecken, Stadt Zürich)