Online-TOC-Analysatoren TOC-Schutz für Kläranlage

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Jedes Jahr müssen über fünf Milliarden Kubikmeter Schmutzwasser geklärt werden, bevor es in Flüsse und Seen eingeleitet wird. Doch die biologische Reinigungsstufe ist empfindlich gegenüber zu hohen Belastungen und sollte daher geschützt werden. Online-TOC-Analytik kann dabei helfen.

Ob privat, gewerblich oder industriell – Abwässer enthalten zahlreiche Verschmutzungen, die eine Reinigung notwendig machen. Der größte Anteil sind organische Substanzen in gelöster oder ungelöster Form. Ungelöste Verunreinigungen lassen sich mechanisch entfernen – etwa durch Rechen, Absetzen oder Filtration. Gelöste Kontaminationen hingegen müssen auf anderen Wegen aus dem Wasser entfernt werden. Hierbei helfen Mikroorganismen.

Die biologische Reinigungsstufe einer Abwasserreinigungsanlage (ARA) enthält unzählige Kleinstlebewesen, vor allem Bakterien; sie verstoffwechseln den größten Teil der organischen Verunreinigungen und wandeln ihn dabei um. Ein Teil der organischen Substanzen wird dabei abgebaut, ein anderer in unlösliche absetzbare Stoffe umgesetzt.

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Je nach Größe und Ausstattung kann die biologische Reinigungsstufe, nur eine bestimmte Kapazität an organischer Fracht aufnehmen und verarbeiten. Übersteigt die Menge organischer Verunreinigungen diese Grenze, droht den Mikroorganismen Schaden – sie können absterben, die Reinigungsstufe „kippt um“.

Solche Ereignisse können bei den unterschiedlichsten ARA auftreten. Es gibt etwa Industrieverbünde (Industrie- oder Chemieparks) mit einer eigenen Kläranlage. Die angeschlossen Betriebe vereinbaren mit den Betreibern z.B. eine jährlich zu reinigende Fracht im Abwasser, und die ARA stellt entsprechende Reinigungskapazitäten dafür zur Verfügung. Eine Havarie in einem zuleitenden Betrieb, z.B. durch Auslaufen eines Produkts, könnte die organische Fracht des Abwasserstroms schlagartig erhöhen und die Reinigungsstufe über Gebühr belasten. Aber auch in kommunalen Kläranlagen, an die z.B. Industrie, landwirtschaftliche Betriebe oder anderes Gewerbe angeschlossen sind, kann es zu Auslastungsspitzen kommen, die einen entsprechenden Schaden anrichten.

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TOC hilft Gefahren abzuwenden

Um solche Gefahren abzuwenden und Überlastungen bzw. Konzentrationsüberschreitungen schnell zu erkennen, ist es wichtig, den Einlauf der ARA engmaschig zu kontrollieren. Ein Parameter, der sich hierfür besonders eignet, ist der TOC (Total Organic Carbon = gesamter organischer Kohlenstoff). Der TOC-Wert entspricht bei der Abwasserreinigung dem Verschmutzungsgrad an organischen Substanzen. Er lässt sich schnell und sicher analysieren – nicht nur im Labor, sondern auch online. Damit werden Konzentrationsveränderungen im Einlauf sehr schnell erfasst.

Wichtig für die Bestimmung des TOC ist die Differenzierung zwischen organischem und anorganischem Kohlenstoff. Carbonate und Hydrogencarbonate sind schließlich in vielen Abwässern enthalten. Daher wird bei der meist verwendeten Bestimmungsmethode des TOC die Probe zunächst mit einer Mineralsäure (z.B. 1M HCl) angesäuert. Enthaltene Carbonate oder Hydrogencarbonate werden dabei zu Kohlenstoffdioxid umgesetzt und können mittels eines Spülgases leicht entfernt werden (sparge). Ein Aliquot (z.B. 50 µl) der vorbehandelten Probe wird nun auf einen heißen Katalysator (in sauerstoffhaltiger Atmosphäre) injiziert. Hierbei oxidieren alle vorhandenen Kohlenstoffverbindungen zu CO₂, dass mittels eines Trägergases zu einem NDIR-Detektor gebracht und entsprechend erfasst wird. Eine Analyse in dieser Form dauert etwa vier Minuten.

Automatische Analyse

Moderne Online-TOC-Analysatoren, wie der TOC-4200 von Shimadzu, führen solche Analysen vollautomatisch durch: Dabei verbindet sich ein Teilstrom des ARA-Einlaufs über eine Probenentnahmestation direkt mit dem Analysator. Hierfür stehen verschiedene Probenahmesysteme zur Verfügung, die je nach Art und Zusammensetzung des Abwassers an die jeweilige Messstelle angepasst werden.

Die Probenvorbereitung (ansäuern und ausgasen) erledigt der TOC-4200 selbsttätig. Ist der anorganische Kohlenstoff entfernt, wird eine Teilmenge automatisch auf einen 680 °C heißen Platin-Katalysator injiziert. Damit liegt die Verbrennungstemperatur unterhalb des Schmelzpunkts der gängigen Salze. Dies ist besonders bei Abwässern, die mitunter sehr hohe Salzgehalte aufweisen, sehr wichtig – denn Salzschmelzen auf dem Katalysator erhöhen den Wartungsaufwand des Systems.

Das System wird derart parametriert, dass in bestimmten Abständen (z.B. alle fünf Minuten) eine Probe entnommen, vorbereitet und analysiert wird. Der Analysenwert kann nun direkt auf die Leitwarte der ARA gesendet werden, die von sich aus Maßnahmen bei zu hohen Einlaufkonzentrationen ergreift. Zusätzlich ist es möglich, Grenzwerte zu definieren, um bei Erreichen dieser Limits unmittelbar zu reagieren, z.B. einen Schieber zu schließen, oder etwa eine Pumpe auszuschalten.

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Zusätzliche Bestimmung des Stickstoffs

Ein weiterer Vorteil der TOC-Verbrennungsoxidation, ist die Möglichkeit, einen weiteren Summenparameter mitzubestimmen. Bei der Verbrennung wandeln sich die Kohlenstoffverbindungen zu CO₂ um, die Stickstoff-Komponenten zu NO. Daher lässt sich ein zusätzlicher Detektor (Chemilumineszenz) in den Analysator setzen, um die Summe des gebundenen Stickstoffs zu bestimmen. Hierbei werden Nitrate, Nitrite, Ammonium, sowie die organischen Stickstoffverbindungen erfasst.

Das hier gezeigte Diagramm zeigt den Trendgraph der Einleiter-Überwachung einer industriellen ARA. Hier wurde im Takt von zehn Minuten eine Teilprobe des Einlaufs analysiert. Insgesamt sind hier über 16 000 Messungen dargestellt, was einem Messzeitraum von etwa 3 ½ Monate entspricht. Die wellenartigen Auf- und Abstiege des Graphen entstehen durch unterschiedliche Betriebe, die ihr Abwasser je nach Produktionsstand diskontinuierlich abgeben. Die ARA ist darauf eingerichtet und kann diese „Peaks“ ohne Probleme abfangen.

Das Diagramm zeigt aber auch zwei Störfälle (im vorderen Drittel des Diagramms), in denen Abwasser mit zu hohen Konzentrationen (in diesem Fall bis über 1000 mg/l TOC) in die ARA floss. Die TOC-Messung löste einen Alarm aus, und die Wässer wurden in einen Vorfluter umgeleitet. Anschließend wurden entsprechende Maßnahmen ergriffen, um den Verursacher ausfindig zu machen und einen weiteren sicheren Betrieb der Anlage zu gewährleisten.

Fazit: Die engmaschige Überwachung des Einlaufs einer ARA hilft, die Anlage zu schützen – vor allem die Mikroorganismen der biologischen Reinigungsstufe vor dem Kollabieren durch zu hohe organische Frachten zu bewahren. Der TOC ist ein geeigneter Parameter, die organische Fracht robust und schnell zu bestimmen. Moderne Prozess-Analysatoren, wie der TOC-4200, ermöglichen eine engmaschige Überwachung, um die optimale Sicherheit der Anlage zu gewährleisten.

* Der Autor ist Produktspezialist für TOC und AAS bei Shimadzu Deutschland, Duisburg.

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