Abwassercharakterisierung

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1 Abwassercharakterisierung
Ziel Einfachste Analysen und Bedeutung der Stoffe verstehen Grössenordnung der Frachten und Konzentrationen im kommunalen Abwasser Grössenordnung der Konzentrationen im gereinigten Abwasser (Einleitbedingungen)

2 Menge der Abwasserinhaltstoffe
Gelöste Stoffe Summenparameter = Teilmenge Partikuläre Stoffe Einzelstoff = Element Trennverfahren: Filtration

3 Summenparameter Einzelstoff
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.

4 Auftrennen von gelösten und suspendierten Stoffen
Filtermembran mit suspendierten Stoffen 0.45 mm Poren Vakuum Filtrat mit gelösten Stoffen Abwasserprobe

5 Total suspendierte Stoffe:. TSS Gesamt ungelöste Stoffe:
Total suspendierte Stoffe: TSS Gesamt ungelöste Stoffe: GUS Summenparameter TSS oder GUS sind diejenigen Stoffe, die nach Filtration durch eine Filtermembran auf dem Filter zurückbleiben. Diese Rückstände werden bei 105°C getrocknet und anschliessend gewogen. Diese physikalische Auftrennung wird auch genutzt um gelöste von ungelösten Stoffen zu unterscheiden. Die gelösten Stoffe passieren die Filtermembran, die ungelösten Stoffe bleiben auf der Membran zurück. Die Poren des Filters sind typisch 0.45 mm gross.

6 Flüchtige Stoffe, Glühverlust Volatile Suspended Solids: VSS Summenparameter
Der Glühverlust wird bestimmt, indem die suspendierten Stoffe (GUS, TSS) bei 650°C geglüht werden. Dadurch verflüchtigen sich v.a. die organischen Stoffe, es wird der Gewichtsverlust der TSS gemessen. VSS sind also eine Teilmenge der TSS. Mit dem Glühverlust steht eine einfache Analyse zur Verfügung, mit der angenähert die Summe der organischen Stoffe bestimmt werden kann.

7 Organische Verbindungen
Biologisch abbaubare organische Stoffe enthalten biochemisch nutzbare Energie. Sie lösen daher ein Wachstum von Mikroorganismen aus. Der Abbau dieser Stoffe verbraucht Sauerstoff - der im Wasser nur schlecht löslich ist. Grosse Belastung der Gewässer mit organischen Stoffen führt daher zu: - Massenentwicklung von Mikroorganismen - Sauerstofflosen (anaeroben) Zuständen zudem können partikuläre Stoffe aussedimentieren und die Gewässer verschlammen.

8 Chemischer Sauerstoffbedarf: CSB Summenparameter
Der CSB gibt an, wieviel Sauerstoff erforderlich ist, um die organischen Abwasserinhaltstoffe zu CO2 und H2O zu oxidieren. Der CSB kann im Labor relativ einfach bestimmt werden. Beispiel: C H O 6 12 + 2 6 O 6 CO + 6 H O 2 2 180 g Glukose (6×12+12×1+6×16=180) haben einen CSB von 192 g (6×16×2=192) Atomgewichte: H = 1, C = 12, O = 16

9 Beispiel CSB Die Zusammensetzung von Mikroorganismen kann
mit der folgenden Summenformel angenähert werden: C5H7NO2 Berechnen Sie das Verhältnis CSB / Mikroorganismen in g CSB / g MO. C5H7NO2 + ? O2 > ? CO2 + ? NH3 + ? H2O Atomgewichte: C = 12 H = 1 N = 14 O = 16 Formelgewicht: C5H7NO2 = 113 g / 'Mol' MO

10 Organisch gebundener Kohlenstoff Summenparameter
Der organisch gebundene Kohlenstoff gibt an, wieviel Kohlenstoff in den organischen Soffen enthalten ist. Von DOC (Dissolved Organic Carbon) sprechen wir, wenn nur die gelösten Stoffe analysiert werden, von TOC (Total Organic Carbon) wenn die unfiltrierte Probe analysiert wird. TOC und CSB beziehen sich auf die gleichen Teilmengen Beispiel: Glukose C6H12O6 180 g Glukose (6×12+12×1+6×16=180) haben einen DOC von 72 g (6×12=72)

11 TOC Fracht, relativ zur mittleren Tagesfracht
2.5 normale Trockenwetterfracht zusätzliche Regenwetterfracht 2 1.5 1 0.5 10 12 14 16 18 20 22 24 2 4 6 8 10 12 14 Uhrzeit

12 Der biochemische Sauerstoffbedarf in 5 Tagen: BSB5 Summenparameter
Der BSB5 gibt an, wieviel Sauerstoff Mikroorganismen innerhalb von 5 Tagen bei 20°C brauchen um die organischen Abwasserinhaltstoffe biologisch abzubauen. Weil nicht alle organischen Stoffe abbaubar sind, und weil ein Teil der organischen Stoffe in die Mikroorganismen eingebaut wird, gilt BSB5 < CSB. Der BSB5 umfasst nur eine Teilmenge des CSB.

13 Summenhäufigkeit in % Tagesfracht kg BSB5 d-1 100 80 60
% der Werte 80 60 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 40 20 2000 4000 6000 8000 10000 Tagesfracht kg BSB5 d-1

14 Tagesfracht kg BSB5 d-1 11000 9000 7000 5000 3000 1000 Datum Jan Feb
Mrz Apr Mai Jun Jul Aug Sep Okt Nov Dez Datum

15 Phosphor = Nährstoff Phosphor ist ein Nährstoff, der in vielen biochemischen Reaktionen eine zentrale Rolle spielt. Biomasse enthält ca. 1% Phosphor. In vielen Gewässern (nicht im Meer) ist Phosphor der limitierende Nährstoff, d.h. eine Zugabe von Phosphor führt zur Düngung des Gewässers und damit ev. zur Zunahme der Biomasse. Das Gewässer wird eutrophiert. Textilwaschmittel enthielten früher grosse Mengen von Poly-Phosphaten (Phosphatverbot in der Schweiz 1986)

16 Totaler Phosphor: TP Summenparameter
Der totale Phosphor (TP) erfasst alle Formen von Phosphor in der unfiltrierten Probe: Organisch gebunden, mineralische Fällungsprodukte, ortho-Phosphat. Ortho-Phosphat: PO4-P Eine 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.

17 Stickstoff = Nährstoff
Stickstoff ist gleich wie Phosphor ein Nährstoff und v.a. in Eiweiss eingebaut. Biomasse enthält ca % 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

18 Die verschiedenen Formen des Stickstoffs
Oxidationszahl pH hoch pH tief Reduziert: O 2 Bedarf -3 +3 +5 NH 3 (Ammoniak) 4 (Ammonium) + N (elementarer Stickstoff) 2 NO - (Nitrit) 2 NO - (Nitrat) 3 Oxidiert: ‘O 2 Angebot’ -3 Organisch gebundener Stickstoff

19 Totaler Kjeldahl Stickstoff: TKN Summenparameter
Kjeldahl-Stickstoff umfasst den organisch gebundenen Stickstoff (z.B. in Form von Eiweissen) und das Ammonium (NH4+). Ammonium ist Element der Menge TKN. Von totalem Kjeldahl Stickstoff (TKN) sprechen wir, wenn die unfiltrierte Probe analysiert wird, von gelöstem KN wenn nur das Filtrat analysiert wird. Ammonium ist Element der Teilmenge des gelösten KN.

20 Ammonium: NH4++NH3-N Einzelstoff
Ammonium umfasst die Summe von Ammoniak (NH3) und Ammonium (NH4+). Ammonium ist Element der Teilmenge Kjeldahl-Stickstoff. Nitrit: NO2- Einzelstoff Nitrat: NO3- Einzelstoff Nitrit und Nitrat sind oxidierte Stickstoffverbindungen, die im rohen Abwasser kaum vorkommen aber in der Abwasserreinigung produziert werden.

21 Verhältnis der momentanen zur mittleren NH4+ Fracht
3 3 2000 Einw. 13.6 kg N d-1 350’000 Einwohner 2900 kg N d-1 2 2 1 1 6 12 18 24 6 12 18 24 Uhrzeit Uhrzeit

22 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 des Wassers auf 4.3 zu reduzieren. Im Abwasser entspricht in erster Näherung: Alkalinität = Bikarbonat (HCO3-) HCO 3 - + H + H CO H O + CO 2 3 2 2 Alkalinität + Säure Die Alkalinität ist abhängig vom verwendeten Trinkwasser, typische Konzentrationen sind im Bereich von Mol m-3.

23 pH Wert: pH = - log10(H+) Einzelstoff, Aktivität
Der pH Wert ist ein Mass für die Aktivität (Konzentration) der Protonen (H+) im Wasser. Der pH beeinflusst die Löslichkeit von Salzen, die Aktivität von Mikro- organismen, die Verteilung von Säuren und Basen, etc. Typische pH Werte im Abwasser liegen im Bereich von In den Gewässern beobachten wir häufig höhere Werte. Im Sommer bei Sonnenschein bis gegen 9.0.

24 Einwohnerwerte (EW) je in g Einwohner-1 Tag-1
Rohabwasser Vorgeklärt BSB CSB TSS TKN TP Diese Werte werden in ca. 85% der Proben unterschritten. Vorgeklärt heisst nach Sedimentation (ca. 1 Stunde)

25 Einleitbedingungen in g m-3
Diese Werte müssen in ca. 4 von 5 Tagesproben eingehalten werden (gilt in der Schweiz bis Ende 1998)

26 Beispiel: Einem unbelasteten Trinkwasser werden
250 g m-3 Algen mit der folgenden Zusammensetzung zugefügt: C106H263O110N16P1 Wie gross sind die Werte des CSB, TOC, DOC, TKN TP, NH4+-N und die TSS sowie die Alkalinität dieser Mischung?

27 Algen: C106H263O110N16P1 Element Atomgewicht Anzahl Gewicht Anteil (%)
Total CSB 106 × 32 (aus Gleichung) = 0.96 × 3550

28 Zugabe von 250 g m-3 Algen zu unbelastetem Trinkwasser
Es gibt nur partikuläre Anteile aus den Algen plus die gelösten Stoffe des Trinkwassers TSS = GUS = 250 g m-3 CSB = × TSS = 240 g CSB m-3 TOC = × TSS = 90 g TOC m-3 DOC = 0 (< 0.5) gelöst TKN = × TSS = 15.8 g N m-3 NH4+-N = 0 (<0.1) gelöst TP = × TSS = 2.3 g P m-3 Alkalinität (aus dem Trinkwasser) z.B. 5 Mol m-3

29 Rohwassertemperatur in °C
25.0 20.0 15.0 10.0 5.0 0.0 Winter Frühling Sommer Herbst

30 Tagesganglinie der Temperatur im Abwasser
(Belebungsbecken, Stadt Zürich) Abwassertemperatur in °C 16 14 12 10 24 48 72 96 Stunden

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