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Klärschlammanalytik Schnelle und einfache Klärschlammanalytik

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

Um Massenströme in Kläranlagen sinnvoll verfolgen und technische Anlagen gezielt steuern zu können, sind regelmäßige Klärschlammanalysen (Trockensubstanz-Bestimmungen) nötig. Eine neue Gerätekombination beschleunigt die Trocknung und Veraschung nun deutlich und ist zudem einfach in der Handhabung.

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Abb. 1: Vereinfachtes Schema einer Kläranlage: Kennzeichnende Größe bei der Schlammstabilisierung ist der organische Anteil der Trockensubstanz.
Abb. 1: Vereinfachtes Schema einer Kläranlage: Kennzeichnende Größe bei der Schlammstabilisierung ist der organische Anteil der Trockensubstanz.
( Bild: www.kan.at )

In einer Kläranlage lassen sich die Massenströme aus Primär-, Sekundär- und eventuell Tertiärschlamm nur dann sinnvoll verfolgen, wenn man neben dem Volumen auch den Anteil an Feststoff kennt. Daher sind im Klärwerksbetrieb regelmäßige Trockensubstanz- (TS-) Bestimmungen notwendig. Bei der Schlammstabilisierung, gleichgültig ob aerob oder anaerob, ist die kennzeichnende Größe der oTS-Gehalt (s. Hintergrundkasten).

Da Klärschlamm zunächst sehr dünn ist (etwa drei Prozent TS), sind viele Verfahren zu dessen Eindickung gebräuchlich, z.B. Zentrifugen, Filterpressen, Schwerkrafteindicker und mehr. 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, wobei die Anlagen für eine festgelegte Durchsatzleistung bezüglich TS und oTS ausgelegt sind. In Anhängigkeit des TS- und oTS-Gehaltes von Klärschlammproben gibt es somit vielfachen Steuerungsbedarf. Die Analysen sollten somit einfach und schnell durchzuführen sein [1].

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TS- und oTS-Bestimmung

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

  • 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 sowie
  • 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 als auch die Bestimmung des oTS-Gehaltes im konventionellen Muffelofen sind zeit- und arbeitsaufwändige Prozeduren. Häufig werden mehrere Stunden zur Trocknung und Veraschung im Muffelofen benötigt. Dazu kommen die langen Abkühlzeiten im Exsikkator. Zur zeitnahen Steuerung von technischen Anlagen können die Resultate somit nicht benutzt werden.

Mikrowellentechnik als Alternative in der Klärschlammanalytik

Gerätehersteller CEM bietet mit der Gerätekombination aus Feuchtebestimmer Smart 5 Turbo und Muffelofen Phönix jetzt eine Lösung, welche die Trocknung und Veraschung der Proben in wenigen Minuten ermöglicht. Mit diesen schnellen Messwerten können technische Anlagen gesteuert oder bei Anlieferung per LKW die Ware zeitnah gemessen werden. Im Smart 5 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-Feuchtebestimmer eingehalten. Damit sind die Messwerte vergleichbar. Um die gleiche Genauigkeit zu ermöglichen, die nach der DEV-Methode mit Trockenschrank und Analysenwaage erreichbar ist, wurde das Smart 5 Turbo mit einer eingebauten Waage mit einer Auflösung von 0,0001 g ausgestattet. Diese Analysenwaage nimmt ständig das Probengewicht auf und sorgt während des Trocknungsvorganges für die Abschaltung bei Gewichtskonstanz nach wenigen Minuten Messdauer (typischerweise zwei Minuten). Der entstandene Wasserdampf wird über ein Ventilationssystem schnell aus dem Probenraum transportiert.

Der hohe Automatisierungsgrad im Smart reduziert Fehlermöglichkeiten und steigert somit die Präzision. Der Anwender gibt die Probe auf die Probenträger und startet den Trocknungsvorgang. Der Mikrowellentrockner wiegt die Probe, trocknet und wiegt während der Trocknung permanent zurück, um den Endpunkt schnellstmöglich zu ermitteln. Anschließend wird das Ergebnis berechnet und über den integrierten Bildschirm, Schnittstellen sowie Drucker ausgegeben. Zusätzlich kann ein Bar Code Reader angeschlossen werden. Die Waage ist staubdicht gesichert im Smart untergebracht und kann praktisch nicht beschädigt werden – ein großer Vorteil im rauen Klärwerksbetrieb. Die Software im Smart 5 Turbo beinhaltet zudem die Möglichkeit zur Bestimmung der gelösten/suspendierten Feststoffe (Total Suspended Solids, TSS). Dabei wird ein definiertes Volumen (typischerweise ein Liter) einer Wasserprobe filtriert und der Filter im Smart 5 Turbo innerhalb von zwei Minuten getrocknet. Am Trocknungsende errechnet der Smart den TSS-Gehalt, indem der gemessene Feststoffgehalt mit dem eingesetzten Volumen in Relation gesetzt wird.

oTS-Bestimmung mit dem Phönix

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

Der Phönix Muffelofen hat gegenüber konventionellen Muffelöfen mit Heizwendeln entscheidende 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 durch die luftdurchlässige Isolationskeramik bedingte hohe Luftdurchsatz ermöglicht 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 Entnahme aus dem Ofen abkühlen ohne dabei Feuchtigkeit aufzunehmen. Somit wird ein Überführen in den Exsikkator hinfällig. Ein Abluftrohr wird direkt am Gerät angeschlossen und bleibt damit frei von Ablagerungen. Raumluft und Anwender werden nicht belastet und die Installation unter einem Abzug ist nicht notwendig. Auch die Vorveraschung erfolgt im Phoenix und muss nicht mehr im offenen Tiegel durchgeführt werden. Die komplette Veraschung einer Klärschlammprobe erfolgt im Phönix innerhalb von fünf Minuten. Der Tiegel mit dem Rückstand wird entnommen, kühlt innerhalb von 20 Sekunden ab und kann dann auf der Waage zurückgewogen werden. Inklusive Einwiegen und Berechnen des oTS-Gehaltes benötigt diese Messung weniger als zehn Minuten.

Fazit zur Klärschlammanalytik

Vergleichsmessungen der TS- und oTS-Gehalte haben ergeben, das die Resultate des Smart und des Phönix mit denen der DEV-Methoden gut übereinstimmen. Die Geräte sind dabei so einfach zu bedienen, dass auch angelerntes Personal problemlos damit umgehen kann. Die notwendigen Schlammanalysen sind schnell, sicher und leicht durchführbar.

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

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