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,
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Zur
Theorie
des
Belebtschlammverfahrens
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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
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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.
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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.