15 SWW Charakterisierung von Abwasser

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
Summenparameter
= Teilmenge
Partikuläre
Stoffe
Gelöste Stoffe
Einzelstoff =
Element
Trennverfahren: Filtration
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 und
suspendierten Stoffen
Abwasserprobe
Vakuum
Filtermembran mit
suspendierten Stoffen
0.45 mm Poren
Filtrat mit
gelösten Stoffen
Total suspendierte Stoffe:
Gesamt ungelöste Stoffe:
TSS
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.
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.
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.
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 6 H 12 O 6 + 6 O 2  6 CO 2 + 6 H 2 O
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
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
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)
TOC Fracht, relativ zur mittleren Tagesfracht
2.5
2
normale
Trockenwetterfracht
zusätzliche
Regenwetterfracht
1.5
1
0.5
0
10 12 14 16 18 20 22 24 2
4
6
8 10 12 14
Uhrzeit
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.
Summenhäufigkeit in %
100
% 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
0
0
2000
4000
6000
8000
10000
Tagesfracht kg BSB5 d-1
Tagesfracht kg BSB5 d-1
11000
9000
7000
5000
3000
1000
Jan
Feb Mrz Apr Mai Jun
Jul Aug Sep Okt Nov Dez
Datum
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)
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.
Stickstoff = Nährstoff
Stickstoff ist gleich wie Phosphor ein Nährstoff und
v.a. in Eiweiss eingebaut. Biomasse enthält
ca. 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
Die verschiedenen Formen des Stickstoffs
Oxidationszahl
pH hoch
pH tief
Reduziert: O2 Bedarf
-3
NH3 (Ammoniak)
NH4+ (Ammonium)
0
N2 (elementarer Stickstoff)
+3
NO2- (Nitrit)
+5
NO3- (Nitrat)
Oxidiert: ‘O 2 Angebot’
-3
Organisch gebundener Stickstoff
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.
Ammonium: NH4++NH3-N
Einzelstoff
Ammonium umfasst die Summe von Ammoniak (NH3)
und Ammonium (NH4+). Ammonium ist Element der
Teilmenge Kjeldahl-Stickstoff.
Nitrit: NO2-
Nitrat: NO3-
Einzelstoff
Einzelstoff
Nitrit und Nitrat sind oxidierte Stickstoffverbindungen,
die im rohen Abwasser kaum vorkommen aber in der
Abwasserreinigung produziert werden.
Verhältnis der momentanen zur mittleren NH4+ Fracht
3
3
2000 Einw.
350’000 Einwohner
13.6 kg N d-1
2900 kg N d-1
2
2
1
1
0
0
0
6
12
18
Uhrzeit
24
0
6
12
18
Uhrzeit
24
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 2CO 3  H 2O + CO 2
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, 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 Mikroorganismen, die Verteilung von Säuren und Basen, etc.
Typische pH Werte im Abwasser liegen im Bereich von
6.7 - 7.5. In den Gewässern beobachten wir häufig höhere
Werte. Im Sommer bei Sonnenschein bis gegen 9.0.
Einwohnerwerte (EW)
je in g Einwohner-1 Tag-1





BSB5
CSB
TSS
TKN
TP
Rohabwasser
60
120
70
11
2.5
Vorgeklärt
40 - 50
80 - 100
30 - 40
10
2.3
Diese Werte werden in ca. 85% der Proben unterschritten.
Vorgeklärt heisst nach Sedimentation (ca. 1 Stunde)
Einleitbedingungen in g
Jahr
TSS
BSB5
DOC
Ammonium
Nitrit (NO2 -N)
Nitrat (NO3--N)
TP
1966
20
20
0.3

-3
m
1976 1996 Maximal
20
5
15
20
5 - 10
15
10
10
10
2
1-2
2
0.3
0.3
0.3
10 - 15
?
1.0 0.2 - 0.8
0.8
Diese Werte müssen in ca.
4 von 5 Tagesproben eingehalten werden
(gilt in der Schweiz bis Ende 1998)
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?
+
C106 H 263O110 N16 P1 + 106 O 2 + 13 H 
+
106 CO 2 + 16 NH 4
3+ PO 4
+ 106 H 2 O
Algen: C106H263O110N16P1
Element Atomgewicht Anzahl
C
H
O
N
P
Total
CSB
12
1
16
14
31
106
263
110
16
1
Gewicht Anteil (%)
1272
263
1760
224
31
36
3550
100
6.3
0.9
106  32 (aus Gleichung) 3392 = 0.96  3550
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
CSB
TOC
DOC
TKN
NH4+-N
TP
= 0.96  TSS
= 0.36  TSS
= 0.063  TSS
= 0.009  TSS
= 250 g m-3
= 240 g CSB m-3
= 90 g TOC m-3
=0
(< 0.5)
= 15.8 g N m-3
=0
(<0.1)
= 2.3 g P m-3
Alkalinität (aus dem Trinkwasser) z.B. 5 Mol m-3
gelöst
gelöst
Rohwassertemperatur in °C
25.0
20.0
15.0
10.0
5.0
0.0
Winter
Frühling
Sommer
Herbst
Tagesganglinie der Temperatur im Abwasser
(Belebungsbecken, Stadt Zürich)
Abwassertemperatur in °C
16
14
12
10
0
24
48
72
96
Stunden
Typische Stoffkonzentrationen im kommunalen Abwasser
qTW = 0.2 – 0.4 m3 E-1 d—1
Parameter
TSS
VSS
CSB
BSB5
TOC
DOC
TP
PO4 – P
TKN
NH4+-N
NO3—N
NO2—N
HCO3-
Rohes Abwasser
g E-1 d-1
g m-3
-
Mol m-3
Ablauf Vorklärung
g E-1 d-1
g m-3
-
Mol m-3