Prozessanalytik TOC-Prozessanalytik zum Schutz von Kläranlagen

Zahlreiche Branchen benötigen Unmengen an frischem Wasser und produzieren jede Menge Abwasser. Dieses wird gereinigt und z.B. in Flüsse geleitet, um es dem Wasserkreislauf wieder zuzuführen. Doch wie wird dessen Qualität effizient im Prozess überwacht? Und wie schützt man die Mikroorganismen in der Kläranlage? Hier finden Sie Antworten.

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Shimadzu Deutschland GmbH

Mettler-Toledo GmbH

Veolia Water Technologies Deutschland GmbH

Ganz gleich wie viele unterschiedliche Reinigungsstufen in einer Kläranlage zur Verfügung stehen, eines ist entscheidend: Der Schutz der Anlage vor Funktionsstörungen durch schädigendes Abwasser. Denn gerade die Mikroorganismen der biologischen Reinigungsstufe können empfindlich reagieren, wenn Wasser mit zu hohen Schadstofffrachten in die Kläranlage gelangt. Das gilt für kommunale Kläranlagen genauso wie für industrielle. Für solche Überwachungen stehen verschiedene Parameter zur Verfügung, etwa der CSB (chemischer Sauerstoffbedarf) oder der BSB₅ (biologischer Sauerstoffbedarf nach fünf Tagen).

Um eine Anlage engmaschig zu kontrollieren und vor Schäden zu schützen, muss man aber Untersuchungsparameter nutzen, die einfach und vor allem schnell zu untersuchen sind. Hier eignet sich besonders der Summenparameter TOC (Total Organic Carbon). Die Bestimmung dauert nur wenige Minuten und lässt sich auch online sehr gut umsetzen. Das bedeutet, dass ein autarker Analysator in kurzen Zeitintervallen automatisch Proben entnimmt, vorbereitet und analysiert. Nach der Analyse wird das Ergebnis automatisch an eine Leitwarte weitergeleitet, von der aus die Anlage überwacht wird.

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Bei der TOC-Analyse wird ein Aliquot der Probe auf einen heißen Katalysator injiziert. Dabei werden alle organischen Komponenten zu CO₂ oxidiert und mittels Trägergas zu einem NDIR-Detektor (Non-Dispersive Infrared) geleitet, der das CO₂ detektiert. Um störende anorganische Kohlenstoffverbindungen, wie Carbonate oder Hydrogencarbonate, aus dem Wasser zu eliminieren, wird die Probe zumeist vor der Injektion auf den Katalysator angesäuert und ausgegast. Hierbei werden die Carbonate und Hydrogencarbonate zu CO₂ umgesetzt und ausgetrieben.

Der TOC-4200 von Shimadzu ist ein solcher TOC-Prozess-Analysator. Er wird direkt mit einem Abwasserstrom verbunden. Dazu stehen unterschiedliche Probenehmer zur Verfügung, die für die verschiedenen Probenzusammensetzungen geeignet sind. Für die Probenahme von Abwasser ist zu bedenken, dass Feststoffpartikel im Wasser enthalten sind, die vor der Messung entweder herausgefiltert werden oder zur Analyse homogenisiert werden müssen.

Der TOC-Analysator muss sich an den Prozess und an die jeweiligen Gegebenheiten anpassen, nicht umgekehrt. Mehr auf der nächsten Seite ...

Sechs auf einen Streich

Ein Probenstromwechsler ermöglicht den Anschluss an bis zu sechs verschiedene Probenströme. Die Anbindung inklusive der Probenahme ist eine Maßanfertigung. Der Analysator muss sich an den Prozess und an die jeweiligen Gegebenheiten anpassen, nicht umgekehrt. Einmal appliziert, entnimmt der TOC-4200 je nach Programmierung alle paar Minuten eine Probe, bereitet sie vor und analysiert sie.

Die Bedienung erfolgt über einen Touchscreen am Hauptgerät. Eine Kalenderfunktion ermöglicht die einfache Einstellung und Programmierung des Systems. Wann soll kalibriert werden, wann soll das Gerät pausieren? Sogar die automatische Regeneration des TC-Katalysators lässt sich als automatisches Wartungsereignis vorprogrammieren.

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Zudem besteht die Möglichkeit eine Kontrollprobe zu definieren, die die Kalibration in regelmäßigen Abständen überprüft. In der Regel wird ein Online-Analysator einmal appliziert und arbeitet dann autark am Rande des Prozesses. Der Analysator kann aber auch von der Leitwarte aus gesteuert werden.

Nachdem das Analysenergebnis erzeugt ist, muss es an die Prozessleitwarte weitergegeben werden. Um die Ergebnisse weiterzuleiten, setzt der TOC-4200 auf modernste Kommunikationsmittel. Neben der herkömmlichen Verkabelung (4-20 mA) steht eine Modbus-Kommunikation zur Verfügung. Eine optionale webbasierte Überwachung bietet die Möglichkeit, von jedem vernetzten Computer eine Einsicht in die Ergebnisse oder in den Status des Geräts zu bekommen.

Neben dem TOC lässt sich mit dem gleichen Analysator auch der gesamte gebundene Stickstoff (TNb) bestimmen. Weiterlesen ...

Die Software des Analysators ermöglicht zudem eine Umrechnung des TOC-Werts in eine CSB-Konzentration. Dazu kann der Anwender den für sein Abwasser typischen Umrechnungsfaktor verwenden. Der Analysator kann dann den TOC, aber auch den CSB (oder beide Werte wie in der Grafik) an die Leitwarte ausgeben.

Schnelle Reaktion im Alarmfall

Kommunales Abwasser hat im Gegensatz zu industriellem Abwasser meist eine relativ konstante Zusammensetzung. Ändert sich die Zusammensetzung bzw. die Konzentration an organischen Verbindungen, wird diese Veränderung im Summenparameter TOC sehr schnell sichtbar. Die Mitarbeiter der Kläranlage können darauf schnell reagieren und das Abwasser beispielsweise umleiten. Der Analysator selbst kann bei Grenzwertüberschreitungen, die individuell gesetzt werden können, auch tätig werden. Neben Alarmzeichen kann z.B. der Einlauf mit einem Schieber verschlossen werden, um schädliches Abwasser zunächst nicht in die Kläranlage zu leiten.

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Um die Klärwirkung und somit den Zustand und den Wirkungsgrad der Anlage zu überwachen, kann man den Kläranlagen-Auslauf beaufsichtigen. Werden die organischen Substanzen in geringerem Maße als gewohnt abgebaut, wird sich dies auch in dem gemessenen Summenparameter TOC widerspiegeln.

Neben dem TOC lässt sich mit dem gleichen Analysator zudem der gesamte gebundene Stickstoff (TNb) bestimmen. Denn bei der Verbrennung der Wasserprobe entsteht nicht nur CO₂ aus den organischen Verbindungen, sondern Stickstoffverbindungen werden zu Stickstoffmonoxid umgesetzt. Wird dem Messgas Ozon zugeführt, wird das NO zu NO₂ oxidiert. Bei dieser Reaktion werden Lichtquanten emittiert, die von einem in Reihe geschalteten Chemilumineszenz-Detektor erfasst werden. Da in Kläranlagen auch der mikrobiologische Abbau von Stickstoffverbindungen stattfindet (Denitrifikation), ist die Bestimmung des TN_b in Kläranlagen ebenso von Interesse wie die Ermittlung des TOC.

* Der Autor ist Produktspezialist TOC/Summenparameter, Shimadzu Deutschland GmbH, Duisburg.

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