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Zur Theorie des Belebtschlammverfahrens. I. Beobachtungen über die Kinetik der Elimination organischer Verbindungen aus Abwasser mittels Belebtschlamm

01 Dec 1958-Vol. 20, Iss: 2, pp 284-310

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Summary (2 min read)

1. Einleitung und Problemstellung

  • Wir verwenden in den nachfolgenden Ausführungen den Begriff« Elimination» für den gesamten Komplex von Mechanismen, welche eine Konzentrationsverminderung der unerwünschten Inhaltsstoffe eines Abwassers bei seiner biologischen Reinigung zur Folge haben.
  • Meist wird in der deutschsprachigen Fachliteratur allerdings der Begriff «Abbau» für die Entfernung von Schmutzstoffen aus Abwasser bei der Reinigung in Belebtschlammoder Tropfkörperanlagen verwendet.
  • Diese Terminologie ist aber nicht richtig, denn das Verschwinden organischer Verbindungen aus Abwasser in biologischen Reinigungsanlagen erfolgt auf Grund verschiedenster Mechanismen, wobei dissimilatorische Stoffwechselvorgänge («Abbau») nur einen Teil der physiologischen Reaktionen darstellen.

In üblicher Weise verwenden wir die abgeleiteten Begriffe wie:

  • Die pro Zeiteinheit aus Abwasser entfernte Menge einer Substanz, also known as Eliminationsgeschwindigkeit.
  • G Substanz/g Schlammtrockengewicht und Stunde, also known as Dimension.
  • Im Hinblick auf die überaus grosse praktische Bedeutung der genauen Kenntnis des Verlaufes und der Mechanismen der Elimination von gelösten Verunreinigungsstoffen -speziell bei industriellen Abwässern -haben wir das Problem erneut aufgegriffen.
  • Zu den gestellten Fragen soll in einigen Aufaätzen anhand der in den letzten Jahren durchgeführten experimentellen Arbeiten Stellung genommen werden.

Elimination von Glukose, Acetat und Aspartat aus einem Mischsubstrat

  • Mischung und Belüftung mittels Druckluft, Sauerstoff :im Schlammgemisch > 2 mg 0/1. tionsbereich der untersuchten Substrate.
  • Im Hinblick auf die Kinetik enzymatischer Reaktionen bei hohen Enzymund geringen Substratkonzentrationen könnte vermutet werden, dass bei sehr hohen Verdünnungen der Substrate in hohen Schlammkonzentrationen der Verlauf der Elimination sich einer Reaktion höherer Ordnung annähert.
  • Wie im folgenden noch gezeigt wird, konnten wir aber keinen Hinweis für eine solche Änderung des Reaktionstypus in Abhängigkeit der relativen Substratkonzentration finden.

Abhängigkeit der Elimination von Glukose, Lactat und organischem N (Pepton) von der Schlammkonzentration

  • Die proportionale Abhängigkeit der Geschwindigkeit der Substratelimination von der Schlammkonzentration ist in Abbildung 6 für die bereits erwähnten Substrate nochmals verdeutlicht, indem die Eliminationswerte pro Volumeinheit eines Schlammes in Funktion seiner Konzentration aufgetragen sind.
  • Bei dieser Darstellung ist selbstverständlich zu berücksichtigen, dass bei polymolekularen Substraten, welche nichtlineare Eliminationsfunktionen aufweisen, die angebbare spezifische Elimination nur für eine bestimmte, konstant bleibende Substratkonzentration gültig ist.
  • Es ist eine stillschweigende Voraussetzung für die -übrigens banale -Feststellung der proportionellen Abhängigkeit der Eliminationsgeschwindigkeiten von der Organismenzahl, dass bei jeder Schlammkonzentration alle Zellen in gleicher Weise Zutritt zum Substrat besitzen.
  • In Laboratoriumsversuchen kann man die notwendige Turbulenz in den Reaktionsgefässen zur befriedigenden Dispergierung der Teilchen relativ leicht erhalten.
  • Es kann denn auch von einer proportionalen Abhängigkeit der Reinigungsleistung von der Schlammkonzentration in den Belüftungsbecken nach den bisherigen Untersuchungen an Anlagen der Praxis keine Rede sein.

3-4 Einfluss der Sauerstoffspannung; auf die Eliminationsgeschwindigkeit eines Substrates

  • 1) Direkte reduktomctr ische Bestimmung nach SuNDMANN et al. [16] .
  • Innerhalb der verhältnismässig kurzen Beobachtungszeit des Experimentes ist also ein Einfluss der Sauerstojj'-spannung auf die Eliminationsgeschwindi gkeit der Glukose nicht nachzuweisen.
  • Das Maximum wird beim Schlamm mit dem kleinsten Sauerstoffgehalt erreicht.
  • Die Glutaminsäureresorption führt also zu einer verstärkten NH 4 -Ausscheidung des Schlammes, ein quantitativer Zusammenhang der beiden Vorgänge besteht aber nicht.
  • Die Nitratkonzentrationen halten sich dauernd unter 0,2 mg N/l.

4. Zusammenfassu ng einiger Werte von Eliminationsges chwindigkeiten

  • In einigen Fällen konnten Belebtschlämme untersucht werden, die an die Substrate angepasst waren, weil sie aus Modellversuchen über die Reinigung von Abwässern stammten, welche die betreffenden Verbindungen als dominante Verunreinigungss toffe enthielten.
  • Wie aus Tabelle 6 hervorgeht, erhöht die Substratadaptation in den bisher untersuchten Fällen erwar-.

SUMMARY

  • The concen tration decrease of various pure organic compounds addcd to suspensions of washed activatcd sludge has been measured.
  • Thc following observations arc rcported: (r) The substrates used in this investigation are eliminated in proportion to the aeration time of the substrate-slu dge mixture ( enzymatic adaptations not accoun ted for ).
  • An cxponential concentratio n decrease is observed with polymolecula r substrates likc peptone or with substrate mixtures when unspecific concentration parameters such as BOD or organic nitrogen etc. are applied.
  • Nonlincar elimination curvcs are interpreted as the resultant of the individual linear elimination functions characteristic for each substance present in a waste.
  • The effect of thc oxygen tension in the sludge suspension on the elimination rate varics with the kind of substrate.

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Sonderabdruck
aus
SCHWEIZERISCHE
ZEITSCHRIFT
FÜR
HYDROLOGIE
Vol.
XX
BIRKHÄUSER
VERLAG
BASEL
Fasc.2,
1958
Zur Theorie
des Belebtschlammverfahrens
I.
Beobachtungen
über
die
Kimetik
der
Elimination
organischer
Verbindungen
aus
Abwasser mittels
Be!ebtsch!amm
Von
K.
WUHRMANN,
F.
V.
BEUST
und
T..
K.
GHOSE
145

284
Hydro!.
Zur
Theorie
des Belebtschlammverfahrens
I.
Beobachtung;en
über
die
Kinetik
der
Elimination
org;anischer
Verbindung;en
aus
Abwasser
mittels
Belebtschlamm
Von
K.
WUHR
MANN,
F.
v.
BEUST
und
T.
K.
GHOSE
Mitteilung Nr.
145
aus der Eidg. Anstalt für Wasserversorgung, Abwasserreinigung
und Gewässerschutz
an
der Eidgenössischen Technischen Hochschule Zürich
Direktor: Pro( Dr.
O.JAAG
1. Einleitung und
Problemstellung
Die
Geschwindigkeiten,
mit welchen die einzelnen organischen Verunreini-
gungssubstanzen aus einem Abwasser von der Biozönose einer biologischen
Reinigungsanlage entfernt werden, stellen einen massgebenden Faktor für
die Dimensionierung ihrer biologischen Stufe dar, denn
es
ist offensichtlich,
dass die Kontaktzeit zwischen Abwasser und reinigendem Agens (Belebt-
schlamm oder Tropfkörper-Rasen)
so
lange ausgedehnt werden muss, bis
die Schmutzstoffe nach Massgabe ihrer individuellen Eliminationsgeschwin-
digkeiten die gewünschte Konzentrationsverminderung durch den Reini-
gungsprozess erfahren haben.
Wir
verwenden in den nachfolgenden Ausführungen den Begriff«
Elimi-
nation»
für den gesamten Komplex von Mechanismen, welche eine Kon-
zentrationsverminderung der unerwünschten Inhaltsstoffe eines Abwassers
bei seiner biologischen Reinigung zur Folge haben. Meist wird in der
deutschsprachigen Fachliteratur allerdings der Begriff
«Abbau» für die
Entfernung von Schmutzstoffen aus Abwasser bei der Reinigung in Belebt-
schlamm- oder Tropfkörperanlagen verwendet. Diese Terminologie ist
aber nicht richtig, denn das Verschwinden organischer Verbindungen aus
Abwasser in biologischen Reinigungsanlagen erfolgt
auf
Grund verschie-
denster Mechanismen, wobei dissimilatorische Stoffwechselvorgänge
(«Ab-
bau»)
nur einen Teil der physiologischen Reaktionen darstellen.

XX,
1958
Zur
Theorie
des
Belebtschlammverfahrens
285
In üblicher Weise verwenden wir die abgeleiteten Begriffe wie:
Eliminationsgeschwindigkeit:
die pro Zeiteinheit
aus
Abwasser entfernte
Menge einer Substanz. Dimension: mg/l
·
h.
Spezifische
Elimination:
die pro Zeiteinheit und Gewichtseinheit biologi-
schen Schlammes aus Abwasser entfernte Menge einer Substanz. Dimen-
sion: g Substanz/g Schlammtrockengewicht und Stunde.
Eliminationsleistung:
die pro Volumeneinheit im
Tag
in einer Belüftungs-
einrichtung aus Abwasser entfernte Menge einer Substanz. Dimension:
kg
Substanz/m
3
Belüftungsraum und Tag.
Grösse und hauptsächlichste Betriebsbedingungen der biologischen
Stufe einer Reinigungsanlage sind weitgehend bestimmt, wenn die Elimi-
nationsgeschwindigkeiten der wichtigsten Abwasserkomponenten und (im
Falle der aeroben Verfahren) der Sauerstoffverbrauch
des
zur Reinigung
verwendeten Organismenschlammes bei kontinuierlicher Zufuhr des Ab-
wassers bekannt sind.
Der zeitliche Verlauf des Verschwindens einer
bestimmten
Substanz,
welche einem Belebtschlamm-Abwasser-Gemisch zugesetzt wird, ist unseres
Wissens bisher einzig von RucHOFT
et
al.
[
13]1)
am
Beispiel der Glukose
untersucht worden. Aus den von diesen Autoren veröffentlichten Messun-
gen ist ersichtlich, dass die Konzentrationsabnahme
des
Zuckers in ihren
Versuchen exponentiell verlief. Die Abhängigkeit der Eliminations-
geschwindigkeit der Glukose von der Konzentration des verwendeten
Schlammgemisches liess sich in befriedigender Weise mittels der Freund-
lichschen Adsorptionsisotherme interpretieren
('
...
it
may be concluded
that
with
normal activated sludge concentrations
of
650
to
3250
ppm and
a glucose concentration
of
about
500
ppm the Freundlich expression
applies between the first and fifth hour.'). Die Beobachtungen der ameri-
kanischen Autoren standen mit Erfahrungen, die wir anlässlich von
Unter-
suchungen über die Beeinflussung der Atmung von Belebt:schlamm durch
verschiedene Substrate machten, völlig in Widerspruch. Im Hinblick auf
die überaus grosse praktische Bedeutung der genauen Kenntnis des
Ver-
laufes und der Mechanismen der Elimination von gelösten Verunreini-
gungsstoffen - speziell bei industriellen Abwässern - haben wir das
Problem
erneut aufgegriffen.
Wir haben versucht, auf experimentellem Wege einige Beiträge zur Ab-
klärung der folgenden Fragen zu leisten:
1
)
Die
Ziffern
in
eckigen
Klammern
verweisen
auf
das
Literaturverzeichnis,
Seite
310.
Ig

286
K.
Wuhrmann,
F.
v.
Beust
und
T.
K.
Ghose
Hydro!.
Welchen Verlauf besitzt die Konzentrations-Zeit-Funktion emer zu
Belebtschlamm zugesetzten, von Mikroorganismen resorbierbaren, orga-
nischen Substanz?
Lassen sich Geschwindigkeitskonstanten für die Elimination bestimmter
Substanzen unter gegebenen äusseren Bedingungen (Substratkonzen-
tration, Schlammkonzentration, Belüftungsintensität, Temperatur, An-
wesenheit zusätzlicher Substrate, Substratadaptation des Schlammes usw.)
angeben?
Können Aussagen über den Mechanismus der Elimination vergärbarer
Substanzen aus Abwasser durch Belebtschlamm (oder Tropfkörper-Rasen)
gewonnen werden?
Zu
den gestellten Fragen soll in einigen Aufaätzen
anhand der in den
letzten Jahren durchgeführten experimentellen Arbeiten Stellung ge-
nommen werden.
Wir
betonen nochmals, dass sich unsere Untersuchungen auf das
Ver-
halten
gelöster
Verunreinigungsstoffe in Abwasser beziehen, deren Ent-
fernung durch chemisch-physikalische Vorgänge (Sedimentation oder
Ko-
agulation+
Sedimentation) unwahrscheinlich ist. Selbstverständlich
müssen wir uns dabei auf die
Prüfung
einer beschränkten Zahl von Körpern
beschränken, die im Sinne von Modellsubstanzen verwendet werden.
Durch die geeignete Auswahl von Elektrolyten, Nichtelektrolyten und
höher molekularen Verbindungen kann jedoch trotzdem ein
Überblick
über
die allgemeingültigen Gesetzmässigkeiten bei der Elimination organischer
Verunreinigungsstoffo
gewonnen werden.
2. Methoden
2„1
Vorbereitung;
des
Belebtschlammes
Für
alle Experimente wurde Belebtschlamm
aus
einer Gemeindeklär-
anlage (Pfäffikon
ZH)
oder
aus
unseren technischen Versuchsanlagen ver-
wendet. Im allgemeinen handelte
es
sich um Schlämme, die sich aus vor-
wiegend häuslichem Abwasser entwickelten. Die Belebtschlämme wurden
spätestens
1-2
h nach Entnahme
aus
den Anlagen für die Versuche
·folgendermassen
vorbereitet:
Abtrennen des Schlammwassers (anhaftendes Abwasser) mittels Zentri-
fugieren oder Filtrieren.

XX,
1958
Zur
Theorie
des
Belebtschlammverfahrens
287
3maliges Waschen des Schlammes in Leitungswasser oder
0,005
m
Phosphatpuffer,
pH
7,5.
Anhand einer orientierenden Schnellbestimmung der Schlammkonzen-
tration nach dem letzten Waschen wurde die Versuchssuspension durch
Aufschwemmen der notwendigen Schlammasse in
0,005
m Phosphatpuffer
pH
7,5
hergestellt, deren genaue Konzentration anschliessend durch
Be-
stimmen des Trockenrückstandes und des Glühverlustes (nach Zentri-
fugieren)
in
üblicher Weise erhalten wurde.
2.2
Durchführung
der
Versuche
Im allgemeinen wurde rund l 1 der Schlammsuspension in Imhoffgläsern
oder hohen Standzylindern zun:ichst während
30-60
min intensiv be-
lüftet und dann die Substratzusätze (in wässeriger Lösung) vorgenommen.
Nach verschiedenen Kontaktzeiten zwischen Schlamm und Substrat
wurden für die Analysen die notwendigen Volumina der Schlammsuspen-
sion ohne
Unterbrechung der Belüftung auspipettiert. In der Regel wurde
von der gewaschenen Schlammsuspension auch die endogene Atmung
mikromanometrisch bestimmt, da diese Grösse einen wertvollen Anhalts-
punkt
für die biologische Aktivität eines Schlammes darstellt
[20].
Alle
Versuche wurden bei Zimmertemperatur ausgeführt, die ziemlich konstant
20°
betrug.
2.3
Analysen
Die aus den Belüftungsgefässen entnommenen Schlammsuspensionen
wurden sofort zentrifugiert und die überstehende, klare Lösung entweder
unmittelbar mit den Reagenzien für die Analysen versetzt oder dann bis
zur weiteren Verarbeitung bei -
30°
eingefroren. Bei Versuchen, in
welchen organische Stickstoffverbindungen
als
Substrate dienten (Pepton,
Aminosäuren), wurden die zentrifugierten Lösungen anschliessend noch
durch Membranfilter steril filtriert, um sämtliche suspendierten ungelösten
Teilchen (Bakterien usw.) zu entfernen. Über die verwendeten Analysen-
methoden gibt die nachstehende Zusammenstellung Aufschluss:
Organischer Stickstoff: nach
KJELDAHL
(abzüglich Ammoniumstickstoff).
Glukose: nach
NELSON
[9]
und
SoMOGYl
[14],
modifiziert nach
SuND-
MANN
et
al.
[
16].
Milchsäure: nach
DAVIDSON
[2],
Kolorimetrierung mittels Beckmann-
DU-Spektrophotometer.

Citations
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Journal ArticleDOI
Abstract: 1. (1) The diurnal variation of concentration of sugars and volatile fatty acids in fresh and settled sewage at three sites was determined. Little loss of sugar occurred on settlement at two sites, where settlement was carried out aerobically. 2. (2) The sugars normally present in sewage were removed from solution by activated sludge at much the same rate as was added glucose (40–50 mg/g/hr). 3. (3) The Michaelis constants for sugars were in the region of 10 mg/l at 20°. 4. (4) No simple relation was found between BOD loading and the ability of a sludge to remove sugars, but in general the higher the “sugar loading” the greater the activity of the sludge. 5. (5) Activated sludge acquired very high, though variable, activity towards glucose on addition of this sugar to the sewage treated but, unlike pure cultures of two species of bacteria tested, the sludge lost this activity when fed with further amounts of the sugar alone in quick succession. 6. (6) Evidence of sequential oxidation of glucose and fructose was inconclusive. 7. (7) At the point of complete, or near complete, removal of sugar from solution, variable proportions of the theoretical amounts of oxygen were taken up, namely 10–30 per cent for glucose and 8–26 per cent for sucrose. 8. (8) No evidence of formation of significant amounts of poly-β-hydroxybutyric acid was found in activated sludge grown on sewage receiving normal amounts of glucose, though the presence of 0–5 per cent polymer in sludge was established. 9. (9) It is concluded that biochemical removal of soluble substrates is not a limiting factor in the activated-sludge process, so that any limitation on the load applied would appear to involve flocculation or separation of sludge particles.

22 citations



References
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Journal ArticleDOI
Abstract: The reliability of the various Somogyi-Shaffer-Hartmann (1, 2) copper reagents for glucose determination in biological material has been established. Adaptation of these reagents to calorimetric use may be accomplished by omission of the iodide and iodate in their preparation, since these interfere with the molybdate color reagents. This omission produces no especial change in the character of the reagents. KI, however, inhibits the autoreduction of the copper and in its absence an unstable reagent results. Nevertheless, if the copper is added to the rest of the reagent on the day of its use, this difficulty is avoided. When the Somogyi micro reagent (2) is used in this way with almost any of the various phosphomolybdate reagents, very satisfactory proportionality is found between color density and glucose taken over a wide range of values. However, all of the phosphomolybdate reagents tried left much to be desired in reproducibility from time to time and lacked the desired stability of color. We therefore tried various color reagents, which led to the development of a new arsenomolybdate reagent. When this reagent was used with Somogyi’s micro reagent, it gave satisfactory stability and reproducibility of color. By this means it has been possible to utilize the copper reagents in a photometric procedure for practically all the uses to which the titrimetric procedures are adapted. These include tissue sugar, glycogen, urine reduction equivalent, maltose, glucuronic acid, etc. However, diastase determinations have not been successful because of the effect of the undigested starch on the clarity of the final colored solution. The reactions involved in the molybdenum blue reaction are uncertain and beyond the scope of this report. Woods and Mellon (3) discuss and give references to the various interpretations of the reaction. Reagents-Analytical reagent grade or the equivalent. 1. Copper Reagent A. Dissolve 25 gm. of N&C03 (anhydrous), 25 gm. of Rochelle salt, 20 gm. of NaHCOs, and 200 gm. of NaiSOa (anhydrous) in about 800 ml. of water and dilute to 1 liter. Filter if necessary.’ This

10,134 citations


Journal ArticleDOI
Michael Somogyi1

2,397 citations


Journal ArticleDOI
Abstract: Grâce a l'emploi de melanges de solvants de faible viscosite et de feuilles de papier de dimensions reduites, il est possible de separer quantitativement en deux chromatographies bidimensionnelles ascendantes les 18 acides amines courants en moins de 13 heures. La leucine, l'isoleucine, la valine, la methionine, la phenylalanine, la tyrosine et le tryptophane sont separes les uns des autres par le systeme de solvants: alcool butylique tertiaire — methylethylcetone — eau 4:4:2 / alcool butylique tertiaire-methanol-eau 4:5:1. Tous les autres acides amines (acide aspartique, acide glutamique, alanine, arginine, asparagine, cystine, glycine, histidine, lysine, proline, serine et threonine) sont separes par le systeme de solvants: phenol-eau 7:3 / n-propanol-eau 7:3.

45 citations


Journal ArticleDOI
Abstract: A method is described for the colorimetric determination of lactic acid in milk and unsweetened milk products. The protein and lactose is removed after precipitation with copper sulphate and calcium hydroxide at 45° C, the lactic acid in an aliquot of the filtrate is oxidized to acetaldehyde in sulphuric acid in the presence of copper sulphate, a purple colour is developed with p–hydroxydiphenyl, and the colour intensity is measured in a photoelectric absorptiometer or other suitable instrument.Recoveries of from 96 to 103%, averaging 100%, were obtained when 20–400 mg. lactic acid/100 ml. were added to fresh milk.The proposed method has an advantage over existing methods in the ease and speed with which large numbers of determinations can be carried out simultaneously whilst retaining the essential accuracy.

23 citations


Journal ArticleDOI
TL;DR: The level of free glutamic acid accumulating within cells of certain Gram-positive cocci is lower in growing cells than in ‘resting’ cells, other conditions being equal.
Abstract: SUMMARY: The level of free glutamic acid accumulating within cells of certain Gram-positive cocci is lower in growing cells than in ‘resting’ cells, other conditions being equal. Part of the glutamic acid assimilated by growing Staphylococcus aureus is condensed into peptides or proteins, thus accounting for this apparent drop in glutamic acid accumulation. Sulphathiazole interferes with this condensation of glutamic acid into peptide form.

20 citations