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)