English China
Suchen

Wasseranalytik Klärschlamm, Wasser und Abwasser schnell und einfach analysieren

Autor / Redakteur: Ulf Sengutta* / Dr. Ilka Ottleben

Die Trockensubstanz und deren organischer Anteil, aber auch Lipophile Stoffe, Gesamt-Phosphat, Gesamtstickstoff, CSB und Schwermetallgehalte sind wichtige Parameter der Wasser-, Klärschlamm-, Abwasser- und Biomasseanalytik. Mikrowellen-Labortechnik macht diese Analytik nun schneller und einfacher.

Firmen zum Thema

1 Im Rahmen des Klärwerksbetriebs sind regelmäßige TS-Bestimmungen notwendig.
1 Im Rahmen des Klärwerksbetriebs sind regelmäßige TS-Bestimmungen notwendig.
(Bild: © Kristan - Fotolia)

Klärschlamm ist laut der im Bundesgesetzblatt veröffentlichten Klärschlammverordnung „der bei der Behandlung von Abwasser ... anfallende Schlamm, auch entwässert oder getrocknet...“. Die Trockensubstanz des zunächst noch wasserhaltigen Schlammes besteht zu 50 bis 70 % aus organischer Masse. Hiermit sind die zwei wesentlichen Parameter zur Kennzeichnung der Klärschlammbeschaffenheit die Trockensubstanz (TS) und der organische Anteil der Trockensubstanz (oTS) [1]. Beim Klärwerksbetrieb sind regelmäßig TS-Bestimmungen notwendig. Schließlich lassen sich die Massenströme aus Primär-, Sekundär- und eventuell Tertiärschlamm nur sinnvoll verfolgen, wenn man neben dem Volumen auch den Anteil an Feststoff kennt. Bei der Schlammstabilisierung, gleichgültig ob aerob oder anaerob, ist die kennzeichnende Größe der oTS-Gehalt.

Da Klärschlamm zunächst sehr dünnflüssig ist (nur 3 % TS), sind viele Verfahren zu dessen Eindickung gebräuchlich, z.B. Zentrifugen, Filterpressen oder Schwerkrafteindicker. In der Regel werden diese Anlagen unter Zuhilfenahme anorganischer und organischer Fällungs- und Flockungsmittel betrieben. Sinnvollerweise dosiert man die Hilfsmittel nicht mengen-, sondern frachtproportional, also entsprechend der Schlammmenge und deren TS- sowie oTS-Gehalte. Auch die Schlammbeseitigung z.B. mittels Verbrennung bedarf der Kontrolle des TS-Gehaltes. Die Schlammverbrennung ist eine kostenintensive Angelegenheit. Die Anlagen werden unter Anwendung einer ausgeklügelten Technik für eine festgelegte Durchsatzleistung bezüglich TS- und oTS-Gehalten getrimmt. Somit gibt es vielfachen Steuerungsbedarf in Abhängigkeit des TS- und oTS-Gehaltes der Klärschlammproben. Die Analysen sollten somit auch einfach und schnell durchzuführen sein [1].

Bildergalerie
Bildergalerie mit 5 Bildern

Die Einheitsverfahren zur Wasser-, Abwasser- und Schlammuntersuchung beschreiben die Analyse zur Trocknung und Bestimmung des TS-Rückstands so:

  • Trocknen der Probenschale,
  • Abkühlen der Schale im Exsikkator,
  • Einwiegen der Probe in die Schale und Trocknen im Trockenschrank bis zur Gewichtskonstanz,
  • Entnahme der Schale und Abkühlen im Exsikkator und
  • Rückwiegen der Probe.

Die Bestimmung des oTS-Gehaltes erfolgt analog, jedoch findet statt der Trocknung im Trockenschrank nun ein Glühen im Muffelofen statt.

Sowohl die Bestimmung des TS-Gehaltes im Trockenschrank sowie die Bestimmung des oTS-Gehaltes im konventionellen Muffelofen sind zeit- und arbeitsaufwändige Prozeduren. Häufig werden mehrere Stunden zur Trocknung sowie zur Veraschung im Muffelofen benötigt. Dazu kommen die langen Abkühlzeiten im Exsikkator, die bei der oTS-Bestimmung ebenfalls bis zu einer Stunde dauern. Die Resultate liegen somit häufig erst am nächsten Arbeitstag vor und können nicht zur zeitnahen Steuerung von technischen Anlagen benutzt werden.

Feuchtebestimmung mit Mikrowelle als Alternative

Diese vorbeschriebene Problemstellung wurde vom Gerätehersteller CEM erkannt und mit der Gerätekombination Feuchtebestimmer Smart Turbo/Muffelofen Phönix wurde eine Lösung entwickelt. In wenigen Minuten werden die Proben getrocknet und verascht. Mit diesen schnellen Messwerten können die technischen Anlagen gesteuert werden und es kann sogar bei der Anlieferung per LKW die Ware zeitnah gemessen werden.

Im Smart Turbo wird die Schlammprobe auf ein saugfähiges Probenträgermaterial gegeben und auf die im Mikrowellengerät eingebaute Waage gelegt (s. Abb. 2). Ein Temperatursensor regelt die Mikrowellenstrahlung und verhindert ein Zersetzen der Probe. Die in den DEV-Methoden vorgegebene Trocknungstemperatur von 105 °C wird auch im Smart Turbo Feuchtebestimmer eingehalten. Damit sind die Messwerte zum Trockenschrank vergleichbar. Um die gleiche Genauigkeit zu ermöglichen, die nach der DEV-Methode mit Trockenschrank und Analysenwaage erreichbar ist, wurde das Smart Turbo mit einer eingebauten Waage mit einer Auflösung von 0,0001 g ausgestattet. Diese eingebaute Analysenwaage nimmt ständig das Probengewicht auf und sorgt während des Trocknungsvorganges für die Abschaltung bei Gewichtskonstanz nach wenigen Minuten Messdauer (typisch: 2 min). Der entstandene Wasserdampf wird über ein Ventilationssystem schnell aus dem Probenraum transportiert.

Eine drastische Reduzierung der Fehlermöglichkeiten und somit eine Steigerung der Präzision erfolgt durch den hohen Automatisationsgrad im Smart: Der Anwender gibt die Probe auf die Probenträger und startet den Trocknungsvorgang. Der Mikrowellentrockner wiegt die Probe, trocknet und wiegt permanent während der Trocknung zurück, um den Endpunkt schnellstens zu ermitteln, anschließend wird das Ergebnis berechnet und über den integrierten Bildschirm, über Schnittstellen sowie Drucker ausgegeben. Zusätzlich kann ein Bar Code Reader am Smart Turbo angeschlossen werden.

Ein weiterer Vorteil ist die Vermeidung von Unfällen: Der Probenträger mit der getrockneten Schlammprobe ist am Trocknungsende kalt. Die Waage ist staubdicht gesichert im Smart untergebracht und kann praktisch nicht beschädigt werden, ein großer Vorteil im rauen Klärwerksbetrieb. Das Smart Turbo kann praktisch an jedem Ort des Klärwerks aufgestellt werden und liefert die Ergebnisse so rasch, dass Schlammbehandlungsanlagen umgehend danach reguliert werden können.

Bestimmung der abfiltrierbaren Stoffe

Die Software im Smart Turbo beinhaltet zudem die Bestimmung der gelösten/suspendierten Feststoffe (Total Suspended Solids, TSS). Dabei wird ein definiertes Volumen (typisch 1 l) der Wasserprobe filtriert und der Filter wird im Smart Turbo innerhalb von 2 min getrocknet.

Am Trocknungsende errechnet das Smart den TSS-Gehalt, indem der gemessene Feststoffgehalt mit dem eingesetzten Volumen in Relation gesetzt wird.

Der Muffelofen als Alternative zur oTS-Bestimmung

Die oTS-Bestimmung erfolgt im Muffelofen Phönix (s. Abb. 3). Herkömmliche konventionelle Muffelöfen benötigen viel Energie, die Veraschungen dauern viele Stunden und das Abkühlen der Tiegel im Exsikkator ist ebenfalls extrem zeitaufwändig.

Der Phönix hat gegenüber konventionellen Muffelöfen mit Heizwendeln gravierende Vorteile: Durch die geringe Masse des Heizelements und die rasche Aufnahme der eingestrahlten Mikrowellen-Energie erreicht der Ofenraum in wenigen Minuten die Solltemperatur. Ebenso schnell lassen sich Temperaturschwankungen, z.B. beim Öffnen und Einbringen der Probe, wieder ausregeln. Der hohe Luftdurchsatz ermöglicht durch die luftdurchlässige Isolationskeramik ein schnelles Verbrennen der Schlammprobe und sorgt für eine gute Entlüftung des Systems. CEM-Spezialtiegel bieten den Vorteil, dass sie innerhalb von wenigen Sekunden nach der Entnahme aus dem Ofen abkühlen, ohne dabei Feuchtigkeit aufzunehmen. Somit wird ein Überführen in den Exsikkator hinfällig und beschleunigt das Handling des Rückwiegens enorm. Ein Abluftrohr wird direkt am Gerät angeschlossen, das damit selbst – wie auch seine Umgebung – frei von dreckigen Ablagerungen bleibt. Die Raumluft und somit auch der Anwender werden nicht belastet und das Gerät muss nicht in einem Abzug betrieben werden. Sogar die Vorveraschung wird im Phoenix durchgeführt und muss nicht mehr im offenen Tiegel erfolgen.

Die komplette Veraschung einer Klärschlammprobe erfolgt im Phönix binnen 5 min. Danach wird der Tiegel mit dem Rückstand aus dem Phönix entnommen, kühlt innerhalb von 20 s ab und kann dann auf der Waage zurück gewogen werden. Rechnet man nun die Zeiten zusammen, so wird deutlich, dass sogar mit Einwiegen und Berechnen des oTS-Gehaltes diese Messung in weniger als 10 min erledigt ist.

Lipophile Stoffe schnell und sicher bestimmen

Der Mikrowellentrockner Smart Turbo kann mit einem NMR-Modul gekoppelt werden. Diese Gerätekombination heißt Smart Trac II und erlaubt in nur 8 s den Gehalt an Fett, Öl und lipophilen Stoffen im Wasser oder Schlamm zu messen.

Neben dem Zeitvorteil ist die Handhabung gegenüber der klassischen Extraktion extrem einfach und umweltschonend. Eine fertige Messmethode ermöglicht den sofortigen Einsatz im Routinebetrieb.

Messung von Schwermetall, CSB und Gesamtphosphat

Vor allem ortho-Phosphat gilt in der Mehrzahl der stehenden und fließenden Gewässer als der limitierende Nährstoff. Eine Konzentrationszunahme durch erhöhten Eintrag (Abwasser, Bodenabschwemmung usw.) bedeutet unmittelbar eine höhere Nährstoffbelastung, was zur „Eutrophierung“ des Gewässers mit den bekannten Auswirkungen wie verstärktes Algenwachstum, Sauerstoffzehrung bis hin zur Anoxie in der Tiefenzone führt. Deshalb ist eine kontinuierliche Messung des Phosphatgehaltes in der Umweltanalytik unerlässlich.

Der Aufschluss geschieht in der Regel durch Erhitzen mit Peroxodisulfat. Das klassische Verfahren bei Siedetemperatur ist sehr zeitaufwändig und arbeitsintensiv. Als schnelle Alternative hat CEM mit der Mars 6 Mikrowelle ein Verfahren ausgearbeitet, um die Aufschlusszeiten zu verringern. Die Proben werden in speziell kalibrierten Glas-Einsätzen in nur 30 min im Mars 6 aufgeschlossen. Es können 24 Proben gleichzeitig aufgeschlossen werden. Danach wird in den Glaseinsätzen bis zur Füllmarke aufgefüllt (ein Überführen mit möglichen Fehlern entfällt) und am Spektrometer wird der Gesamt-P-Gehalt bestimmt.

Analog zum Aufschluss für die Bestimmung von Gesamt-Phosphat werden die Proben im Mars 6 mit Chrom-Schwefelsäure aufgeschlossen, um den CSB-Gehalt zu ermitteln. Für die spektrometrische Messung der Schwermetallgehalte können normenkonforme Salpetersäure-Aufschlüsse vom Wasser und Königswasser-Aufschlüsse von Schlämmen in Mars 6 durchgeführt werden.

Gute Übereinstimmung mit DEV-Methoden

Vergleichsmessungen der TS- und oTS-Gehalte haben ergeben, dass die Resultate des Smart Turbo und des Phönix mit denen der DEV-Methoden gut übereinstimmen. Auch die Bestimmung der abfiltrierbaren Stoffe und der lipophilen Stoffe sind binnen kürzester Zeit durchführbar und entsprechen den Ergebnissen aus den Standardmethoden. Analog dazu können die Gehalte an Gesamt-Phosphat, CSB und Schwermetallen gemessen werden. Die Geräte sind dabei so einfach zu bedienen, das auch angelerntes Personal problemlos damit umgehen kann.

Literatur

[1] „Mikrowellengeräte zur Klärschlammanalytik“, P. Martin, KA-Betriebs Info 29, 879-880 (1999)

[2] Deutsche Einheitsverfahren zur Wasser-, Abwasser- und Schlammuntersuchung, Beuth Verlag Berlin

* U. Sengutta: CEM GmbH, 47475 Kamp-Lintfort

(ID:43021650)