Zielsetzung und Anlass des Vorhabens<\/p>\n
In industriellen Abw\u00e4ssern sind oftmals Stoffe enthalten, die selektiv hemmend wirken auf die Nitrifikationsstufe von Kl\u00e4ranlagen, die kommunale und gewerbliche Abw\u00e4sser gemeinsam behandeln. Um gezielt auf das Auftreten nitrifikationshemmender Substanzen im Abwasser reagieren zu k\u00f6nnen, ist es notwendig, diesen Effekt m\u00f6glichst rasch zu erkennen und den Abwasserteilstrom, der den Inhibitor mitf\u00fchrt zu identifizieren. Im Zuge dieses Projektes soll ein feldeinsatztauglicher Nitrifikanten-Biosensor zur direkten und kontinuierlichen \u00dcberwachung von Abwasserteilstr\u00f6men entwickelt und etabliert werden. Weiterhin ist der Einsatz desselben Sensors als Schnelltest zur summarischen Quantifizierung des nitrifizierbaren Potentials von Abw\u00e4ssern vorgesehen. Mit diesem Parameter soll eine verbesserte Steuerung der Nitrifikations- und Denitrifikationsstufe von Kl\u00e4ranlagen erm\u00f6glicht werden.<\/p>\n
Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenDer Nitrifikantensensor besteht im wesentlichen aus einer Clarkschen Sauerstoffsonde, auf der eine Nitrifikantenmischkultur immobilisiert vorliegt. Dieser Sensor wurde integriert in eine Feldversuchsanlage, die derzeit auf dem Gel\u00e4nde der institutseigenen Kl\u00e4ranlage in Stuttgart-B\u00fcsnau steht. Die Anlage wird permanent mit ultrafiltriertem Abwasser beschickt. Temperatur, pH-Wert, Sauerstoff- und Ammoniumkonzentration werden kontrolliert. Die Erfassung aller Me\u00dfwerte erfolgt online. An der Feldversuchsanlage werden mit Nitrifikationsinhibitoren Versuche durchgef\u00fchrt, die eine optimierte Verfahrensweise und die Verl\u00e4ngerung der Standzeiten des Sensorsystems unter Abwasserbedingungen zum Ziel haben.
\nBegleitend erfolgen mit einem Laborger\u00e4t Grundlagenuntersuchungen mit verschiedenen, abwasserrelevanten Hemmstoffen. Des weiteren werden im Labor verschiedene Techniken zur Herstellung optimierter Sensormembranen getestet. Zus\u00e4tzlich erfolgen dort die Untersuchungen zur summarischen Quantifizierung nitrifzierbarer Verbindungen in Abwasserproben, wobei hier die Aufnahme von Ganglinien am Zulauf verschiedener Kl\u00e4ranlagen im Vordergrund stehen.
\nDer Einsatz der Feldversuchsanlage unter realen Einsatzbedingungen au\u00dferhalb der eigenen Kl\u00e4ranlage wird im weiteren Projektverlauf angestrebt.<\/p>\n
Ergebnisse und Diskussion<\/p>\n
Zur Quantifizierung des N-BSB wurde zun\u00e4chst die Reaktion des Biosensors auf Zugabe der Nitrifikationssubstrate Ammonium, Harnstoff und Nitrit untersucht. Der Sensor reagierte auf diese N\u00e4hrstoffe unmittelbar, so da\u00df in aller Regel f\u00fcr eine Quantifizierung eine Me\u00dfdauer von zwei Minuten ausreichend war. Die Abh\u00e4ngigkeit zwischen Substratkonzentration und Sensorsignal ergab einen Zusammenhang analog der Michaelis-Menten-Kinetik. Es wurde eine Nachweisgrenze von 32 \u00b5g\/l und eine Bestimmungsgrenze von 106 \u00b5g\/l NH4+-N berechnet. Der Me\u00dfbereich mit hinreichender Linearit\u00e4t erstreckte sich bis 1,0 mg\/l NH4+-N. Anschlie\u00dfend erfolgten Untersuchungen zur Erfassung organischer Verbindungen, die eine freie Aminogruppe besitzen. Als Modellsubstanzen wurden hierf\u00fcr verschiedene Aminos\u00e4uren eingesetzt. Wie sich zeigte, ist der Sensor in der Lage auch derartige Verbindungen zu quantifizieren. Die Signalh\u00f6he auf Aminos\u00e4ure-N betrug maximal 18 % und im Mittel 5 % im Vergleich zur Reaktion auf gleichmolare NH4+-N-Konzentrationen. Es wurde eine Querempfindlichkeit gegen\u00fcber Kohlenstoff von 5 bis 10 % ermittelt.
\nAufgrund dieser g\u00fcnstigen Sensoreigenschaften konnte mit dem Laborger\u00e4t die Bestimmung des N-BSB in realen Abwasserproben erfolgen. Es wurden mehrere Tagesganglinien von Zul\u00e4ufen kommunaler Kl\u00e4ranlagen untersucht. Im Fall einer kommunalen Kl\u00e4ranlage mit Anteilen gewerblicher Abw\u00e4sser wurde \u00fcber den gesamten Tag ein um durchschnittlich 31 % h\u00f6herer N-BSB bestimmt als die physiko-chemisch bestimmte NH4+-N-Konzentration. Dieser Befund ist ein Hinweis darauf, da\u00df spezielle Abw\u00e4s-ser in erheblichen Anteilen organische Stickstoffverbindungen enthalten, die in der Kl\u00e4ranlage von den Nitrifikanten als Substrate genutzt werden k\u00f6nnen und somit zum gesamten Sauerstoffverbrauch im Kl\u00e4rbecken beitragen.
\nZur Erfassung der Nitrifikationshemmung mit dem Laborger\u00e4t erfolgten die grundlegenden Untersuchungen mit der Testsubstanz Allylthioharnstoff (ATH). Im Vergleich zur Reaktion auf Substrate reagierte der Sensor auf die Zugabe von Inhibitoren mit einem leicht verz\u00f6gerten Ansprechverhalten. Bei ATH-Konzentrationen gr\u00f6\u00dfer als 1,0 mg\/l bzw. bei entsprechend starken Inhibitoren war eine Me\u00dfdauer von 5 Minuten ausreichend, um Me\u00dfwertstabilit\u00e4t zu erreichen. Bei geringeren ATH-Konzentrationen bzw. bei schw\u00e4cher hemmend wirkenden Substanzen waren Me\u00dfzeiten von 15 bis maximal 20 Minuten erforderlich. Wie ATH erwiesen sich die meisten der untersuchten Hemmstoffe als reversibel. Je nach eingesetzter Testsubstanzkonzentration konnte sich der Nitrifikantensensor meist nach 5 bis 15 Minuten regenerieren und erneute Me\u00dfbereitschaft erlangen. In extremeren F\u00e4llen konnte die Regenerationsdauer auch mehrere Stunden betragen. Wiederholt vorgenommene Messungen mit Nitrifikationsinhibitoren zeigten eine Reproduzierbarkeit innerhalb von 5 %. Anschlie\u00dfend wurde eine Reihe von Nitrifikationsinhibitoren mit dem Laborger\u00e4t untersucht und ihre Hemmwirkung quantifiziert. In der Endphase des Projektes gelang es auch, mit dem Laborger\u00e4t das nitrifikationshemmende Potential realer Abwasserproben zu quantifizieren.
\nDie Untersuchungen mit dem Feldger\u00e4t zur direkten \u00dcberwachung von Abwasserkan\u00e4len war von zentraler Bedeutung innerhalb dieses Forschungsprojektes. Hinsichtlich der grundlegenden Sensoreigenschaften, wie des Ansprechverhaltens, der Sensitivit\u00e4t und der Regenerationsf\u00e4higkeit ergaben sich keine signifikanten Unterschiede zu den zuvor im Labor ermittelten Werten. Gr\u00f6\u00dferer Entwicklungsbedarf bestand zu Projektbeginn vor allem hinsichtlich der Langzeitstabilit\u00e4t des Sensorsystems bei permanenten Abwasseruntersuchungen. Um die angestrebten Sensorstandzeiten von einer Woche zu verwirklichen, nahmen daher Optimierungsarbeiten am Biosensor sowie am gesamten Feldger\u00e4t einen breiten Raum ein. Die Weiterentwicklungen am Feldger\u00e4t betrafen zum einen die Biosensordurchflu\u00dfzelle. Zudem wurde durch die Parallelschaltung zweier Nitrifikantensensoren bewirkt, da\u00df durch abwechselnde Me\u00dfphasen im zu testenden Abwasserstrom und Erholungsphasen in Nitrifikantenn\u00e4hrl\u00f6sung die effektive Standzeit in Abwasser halbiert wurde. Ein weiterer positiver Effekt resultierte aus der Verminderung der Temperatur des Abwasserprobestromes von 25 auf 12 bis 15 \u00b0C.
\nMit der optimierten Anlagenkonfiguration wurden schlie\u00dflich die verbesserten Standzeiten an Langzeituntersuchungen verifiziert. Damit waren die Voraussetzungen f\u00fcr die \u00dcberwachung realer Kl\u00e4ranlagenzul\u00e4ufe und Abwasserteilstr\u00f6me geschaffen. Diese Untersuchungen erfolgten am Zulauf des Lehr- und Forschungskl\u00e4rwerks B\u00fcsnau, das in Abst\u00e4nden von mehreren Wochen St\u00f6rungen der Nitrifikationsstufe zeigte. Die mit dem Feldger\u00e4t w\u00e4hrend dieser Zeit aufgenommenen Daten weisen darauf hin, da\u00df zumindest in einem Fall die On-line-Erfassung einer schadstoffhaltigen Abwasserwelle mit dem Biosensor gelungen ist.<\/p>\n
\u00d6ffentlichkeitsarbeit und Pr\u00e4sentation<\/p>\n
Zwei schriftliche Ver\u00f6ffentlichungen sind in Vom Wasser und in American Laboratory erschienen. Eine weitere Ver\u00f6ffentlichung f\u00fcr die Acta hydrochimica ist in Vorbereitung. \u00dcber dieses Thema wurden mehrere Vortr\u00e4ge auf Tagungen und Seminaren sowie bei Kursen am Haus der Technik in Essen gehalten. Zus\u00e4tzlich gab es zahlreiche Posterpr\u00e4sentationen auf verschiedenen Tagungen.<\/p>\n
Fazit<\/p>\n
Die mit dem Laborger\u00e4t erzielten Ergebnisse lassen darauf schlie\u00dfen, da\u00df die biochemische Seite des Nitrifikantensensorsystems soweit ausgereift ist, da\u00df der Aufwand f\u00fcr eine Weiterentwicklung zum marktf\u00e4higen Produkt absehbar w\u00e4re. Die Untersuchungen mit dem Feldger\u00e4t erbrachten den Beweis, da\u00df der Biosensor prinzipiell zur \u00dcberwachung von Abwasserkan\u00e4len eingesetzt werden kann. Hier soll durch eine Diplomarbeit die Betriebsstabilit\u00e4t, Funktionalit\u00e4t und der Wartungsaufwand des Feldger\u00e4tes noch soweit verbessert werden, da\u00df die Me\u00dfanordnung auch f\u00fcr andere Anwender interessant wird.<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"
Zielsetzung und Anlass des Vorhabens In industriellen Abw\u00e4ssern sind oftmals Stoffe enthalten, die selektiv hemmend wirken auf die Nitrifikationsstufe von Kl\u00e4ranlagen, die kommunale und gewerbliche Abw\u00e4sser gemeinsam behandeln. Um gezielt auf das Auftreten nitrifikationshemmender Substanzen im Abwasser reagieren zu k\u00f6nnen, ist es notwendig, diesen Effekt m\u00f6glichst rasch zu erkennen und den Abwasserteilstrom, der den Inhibitor […]<\/p>\n","protected":false},"author":1,"featured_media":0,"template":"","meta":{"footnotes":""},"categories":[],"tags":[56,51,53],"class_list":["post-19708","projektdatenbank","type-projektdatenbank","status-publish","hentry","tag-baden-wuerttemberg","tag-ressourcenschonung","tag-umwelttechnik"],"meta_box":{"dbu_projektdatenbank_az_ges":"06153\/01","dbu_projektdatenbank_medien":"","dbu_projektdatenbank_pdfdatei":"A-06153.pdf","dbu_projektdatenbank_bsumme":"93.216,18","dbu_projektdatenbank_firma":"Universit\u00e4t StuttgartInstitut f\u00fcr Siedlungswasserbau, Wasserg\u00fcte-und Abfallwirtschaft","dbu_projektdatenbank_strasse":"Bandt\u00e4le 1","dbu_projektdatenbank_plz_str":"70569","dbu_projektdatenbank_ort_str":"Stuttgart","dbu_projektdatenbank_p_von":"1995-04-01 00:00:00","dbu_projektdatenbank_p_bis":"1998-10-06 00:00:00","dbu_projektdatenbank_laufzeit":"3 Jahre und 6 Monate","dbu_projektdatenbank_telefon":"0711\/6855443","dbu_projektdatenbank_inet":"","dbu_projektdatenbank_bundesland":"Baden-W\u00fcrttemberg","dbu_projektdatenbank_foerderber":"9","dbu_projektdatenbank_ab_bericht":"","dbu_projektdatenbank_ist_nachbewilligung_von":"","dbu_projektdatenbank_hat_nachbewilligung":"","dbu_headerimage_cover":"","dbu_submenu":"","dbu_submenu_position":"","dbu_submenu_entry":[]},"_links":{"self":[{"href":"https:\/\/www.dbu.de\/en\/wp-json\/wp\/v2\/projektdatenbank\/19708","targetHints":{"allow":["GET"]}}],"collection":[{"href":"https:\/\/www.dbu.de\/en\/wp-json\/wp\/v2\/projektdatenbank"}],"about":[{"href":"https:\/\/www.dbu.de\/en\/wp-json\/wp\/v2\/types\/projektdatenbank"}],"author":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/www.dbu.de\/en\/wp-json\/wp\/v2\/users\/1"}],"version-history":[{"count":1,"href":"https:\/\/www.dbu.de\/en\/wp-json\/wp\/v2\/projektdatenbank\/19708\/revisions"}],"predecessor-version":[{"id":32711,"href":"https:\/\/www.dbu.de\/en\/wp-json\/wp\/v2\/projektdatenbank\/19708\/revisions\/32711"}],"wp:attachment":[{"href":"https:\/\/www.dbu.de\/en\/wp-json\/wp\/v2\/media?parent=19708"}],"wp:term":[{"taxonomy":"category","embeddable":true,"href":"https:\/\/www.dbu.de\/en\/wp-json\/wp\/v2\/categories?post=19708"},{"taxonomy":"post_tag","embeddable":true,"href":"https:\/\/www.dbu.de\/en\/wp-json\/wp\/v2\/tags?post=19708"}],"curies":[{"name":"wp","href":"https:\/\/api.w.org\/{rel}","templated":true}]}}