DE69009463T3

DE69009463T3 - Verfahren zum kontrollieren und/oder überprüfen von biologischen prozessen.

Info

Publication number: DE69009463T3
Application number: DE1990609463
Authority: DE
Inventors: Kim Helmo
Original assignee: WTE Wassertechnik GmbH
Current assignee: WTE Wassertechnik GmbH
Priority date: 1989-02-28
Filing date: 1990-02-28
Publication date: 2005-06-02
Anticipated expiration: 2010-03-01
Also published as: ATE106452T1; AU5199490A; FI97240C; DK96989D0; FI914039A0; DK0461166T4; NO300509B1; US5700370A; NO913363D0; FI97240B; DK0461166T3; NO913363L; EP0461166A1; DE69009463T2; ES2054344T3; EP0461166B1; WO1990010083A1; EP0461166B2; ES2054344T5; US5506096A

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein neues Verfahren zur Steuerung und/oder Optimierung eines Verfahrens, wobei ein wässriges biologisches System behandelt wird, um gereinigtes Wasser mit einem wesentlich geringeren Gehalt an biologisch abbaubarem Material als das biologische System bereitzustellen.
Technischer Hintergrund der Erfindung
Heutzutage ist der Schutz der Umwelt von großem Interesse für die Menschheit. Eine stets wachsende Bevölkerung sowie ein allgemeiner Bedarf an einer erhöhten Lebensqualität, die sich als gesunde und schöne Umwelt ausdrückt, und zur gleichen Zeit ein Lebensstil, der auf der Verwendung von fortgeschrittenen Technologien basiert, haben den Bedarf an Wasser, insbesondere an reinem Wasser, in der gesamten Welt, insbesondere jedoch in den industrialisierten Teilen der Welt, verstärkt.
In hochindustrialisierten Ländern, insbesondere in Ländern mit großen städtischen Konzentrationen, ist es erforderlich, Abwasser aus Haushalten und aus der Industrieproduktion zu behandeln, um eine nicht akzeptable Menge an verschmutztem und/oder verschmutzendem Material in der Umwelt, d.h. in den Vorflutern für das Abwasser, wie Seen, Flüssen, anderen Wasserwegen, dem Meer und dergl., zu vermeiden. Das verschmutzte und/oder verschmutzende Material umfasst eine Reihe von Substanzen, z.B. organische und anorganische Substanzen, die in der Natur abbaubar oder nicht abbaubar sein können. Unter dem verschmutzenden Material, das üblicherweise in ausströmendem Abwasser enthalten ist, sind abbaubare organische Stoffe und Schwermetalle von größtem Interesse.
Eine steigende Menge an Abwasser, die weltweit erzeugt wird, wird nun in irgendeiner Weise einer Behandlung unterzogen, wobei es sich um eine Behandlung mechanischer, physikalischer, chemischer oder biologischer Art oder einer beliebigen Kombination davon handeln kann. Im allgemeinen wird erwartet, dass sich in Zukunft die Aufmerksamkeit noch mehr auf die Behandlung von Abwasser oder Schmutzwasser konzentriert, da die öffentliche Aufmerksamkeit hinsichtlich von Umweltgefahren noch größer als heutzutage wird.
Der Hauptzweck der Reinigung von Siedlungsabwässern und industriellen Abwässern besteht darin, den Gehalt an biologisch abbaubarem Material im Abwasser zu verringern, d.h., sicherzustellen, dass das behandelte Abwasser nicht so große Mengen an biologisch abbaubarem Material, d.h. abbaubaren organischen und/oder anorganischen Stoffen, enthält, dass diese Mengen zu einer nicht akzeptablen niedrigen Konzentration an Sauerstoff im Vorfluter aufgrund der Menge an Sauerstoff, die für die aerobe Zersetzung des abbaubaren (organischen) Materials erforderlich ist, führen.
Um diesen Zweck zu erfüllen, ist es besonders wünschenswert, in der Lage zu sein, die verschiedenen Stufen des Reinigungsverfahrens zu steuern. Wie vorstehend erwähnt wurde, sind diese Stufen typischerweise mechanisch und/oder chemisch und/oder biologisch, wobei die biologischen Behandlungsstufen beim Abwasserreinigungsverfahren üblicherweise die empfindlichsten Teile des Gesamtverfahrens darstellen. Heutzutage wird bei vielen Abwasserbehandlungsanlagen, insbesondere bei solchen Anlagen, die biologische Behandlungsstufen umfassen, eine Art von Prozessteuerung angewandt. Im allgemeinen basiert die Prozessteuerung von großtechnischen Verfahren auf der Kenntnis eines oder mehrerer der wichtigsten Parameter des fraglichen Verfahrens, wobei diese Kenntnis online als gemessene Variable des Verfahrens verfügbar ist und die gesteuerte(n) Variable(n) auf der Basis dieser online-Informationen über die Werte der gemessenen Variable(n) reguliert werden.
Wie vorstehend angedeutet wurde, ist der wichtigste Parameter bei der Behandlung von Siedlungsabwässern und industriellen Abwässern der Gehalt, d.h. die Menge und die Qualität, des biologisch abbaubaren Materials. Auf dem Gebiet der Abwasserbehandlung wird dieser Parameter herkömmlicherweise als biochemischer Sauerstoffbedarf {BSB) gemessen. Der BSB ist ein Maß für die Menge an Sauerstoff, die für die aerobe Zersetzung von organischen Stoffen erforderlich ist. Der biochemische Sauerstoffbedarf bewertet den Sauerstoffbedarf von Mikroorganismen, die die Zersetzung durchführen. Es ist jedoch ein Nachteil, dass es erforderlich ist, die BSBAnalyse für eine Probe unter Laborbedingungen durchzuführen, und ferner gibt die BSB-Analyse keine Informationen über die potentielle Energie, die für die Biomasse, d.h. die Mikroorganismen-Mischkultur, die die Zersetzung durchführt, wenn der mikrobiologische Abbau des biologisch abbaubaren Materials voranschreitet, verfügbar ist.
Es ist also Stand der Technik, dass der tatsächliche Wert des wichtigsten Parameters eines Abwasserreinigungsverfahrens weder on-line bestimmt oder überwacht werden kann, noch als gemessene Variable bei einem Prozessteuerungssystem herangezogen werden kann. Bisher basieren die verschiedenen Arten von Prozessteuerungen auf dem Gebiet der Abwasserreinigung auf Messungen von Parametern, wie Volumina, Strömungsgeschwindigkeiten (Verweilzeit), pH-Wert, Gehalt an Sauerstoff und/oder an suspendierten Feststoffen im Abwasser und dergl. Insbesondere Reinigungsverfahren, die eine biologische Stufe umfassen, sind überaus schwierig auf der Basis von knappen Informationen über den tatsächlichen Zustand und die Bedingungen des Verfahrens, die gegenwärtig verfügbar sind, zu betreiben, da die Mikroorganismen-Mischkulturen, die für die Zersetzung organischer und/oder anorganischer Stoffe, d.h. des biologisch abbaubaren Materials, das im Abwasser vorhanden ist, verantwortlich sind, sehr empfindlich für Variationen in der Belastung der Stufe mit biologisch abbaubarem Material sind. Als Folge davon basiert der Betrieb derartiger Abwasserreinigungsanlagen fast ausschließlich auf empirischen Kenntnissen über die chemischen und/oder biologischen Verfahren, die tatsächlich in den verschiedenen Verfahrensstufen stattfinden.
Es ist außerdem ein Nachteil von größter Bedeutung, dass es unmöglich ist, online-Informationen über die Qualität des schließlich ausströmenden Wassers aus einer Abwasserreinigungsanlage zu erhalten, d.h., der tatsächliche Gehalt z.B. an biologisch abbaubarem Material im ausströmenden Wasser, das in Vorfluter in der Umwelt geleitet wird, ist unbekannt.
Aufgabe der Erfindung
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht daher darin, ein Verfahren für die on-line Überwachung der mikrobiologischen Aktivität in wässrigen biologischen Systemen und wahlweise für die Steuerung eines oder mehrerer Verfahrensparameter eines Verfahrens bereitzustellen, bei dem ein wässriges System einer mechanischen und/oder chemischen und/oder biologischen Behandlung unterworfen wird, um als ein Endprodukt gereinigtes Wasser zu erhalten, sowie eine Überlastung der mikrobiologischen Kapazität der biologischen Behandlungsstufe zu verhindern.
Es ist wesentlich, dass das Verfahren eine Messung mit einer kurzen Ansprechzeit umfasst, so dass die Messung on-line oder in Echtzeit im Hinblick auf die tatsächlichen Prozesse in dem System durchgeführt werden kann; dass das Verfahren in situ durchgeführt werden kann, so dass alle üblichen Nachteile, die mit einer Probennahme verbunden sind, vermieden werden; und dass das Verfahren für eine Anwendung unter einer Reihe von Bedingungen, insbesondere im Hinblick auf Temperatur, pH-Wert, Salzgehalt, Trübung und andere Parameter, die abhängig von dem besonderen fraglichen wässrigen biologischen System variieren können, geeignet ist. Außerdem ist es sehr wünschenswert, dass das Verfahren einen hohen Grad an Reproduzierbarkeit aufweist und dass die Ausrüstung, die bei dem Verfahren verwendet wird, kontinuierlich für lange Zeitspannen betrieben werden kann, ohne dass die Notwendigkeit für eine Wartung besteht.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur quantitativen und/oder qualitativen Bewertung des Gehalts an biologisch abbaubarem Material in einem wässrigen System bereitzustellen, so dass z.B. ausströmendes Abwasser, schließlich aus einer Abwasserbehandlungsanlage aus-strömendes Wasser, Vorfluter in der Umwelt und dergl. überwacht werden können.
Kurze Beschreibung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein neues Verfahren zur Steuerung und/oder Optimierung eines Verfahrens, wobei ein biologisch abbaubares Material und gegebenenfalls weitere lösliche und/oder unlösliche und/oder suspendierte Substanzen umfassendes wässriges System einem oder mehreren Trennverfahren und/oder chemischen Reaktionen und einer biologischen Behandlung unter Verwendung von Mikroorganismen-Mischkulturen unterworfen wird, um als ein Endprodukt gereinigtes Wasser zu erhalten, das einen wesentlich verringerten Gehalt an biologisch abbaubarer Masse als das wässrige System umfasst, wobei das Verfahren folgendes umfasst:

Überwachen der mikrobiologischen Aktivität des biologischen Systems und/oder von Schwankungen davon durch online-Messung der Fluoreszenzemission und/oder von Veränderungen davon bei Bestrahlung mit Licht für mindestens ein charakteristisches biogenes Fluorophor, das in der Mikroorganismen-Mischkultur in dem System vorhanden ist; und
Steuerung eines oder mehrerer Verfahrensparameter unter Verwendung der Messergebnisse als gemessener Variable/gemessene Variablen bei einem online-Automatisierungssystem.

Die Erfindung basiert auf dem Befund, daß es möglich ist, eine relevante Bewertung des Gehalts an biologisch abbaubarem Material in einem komplexen biologischen System, wie es vorstehend beschrieben wurde, durch Überwachung der mikrobiologischen Aktivität des Systems und/oder von Schwankungen davon durch online-Messung der Fluoreszenzemission und/oder von Veränderungen davon, wie es vorstehend erläutert wurde, zu erhalten.
Gemäß einem weiteren Aspekt, der auf dem gleichen Befund basiert, betrifft die Erfindung ein Verfahren zur quantitativen und/oder qualitativen Bewertung des Gehalts an biologisch abbaubarem Material in einem wässrigen System, das in der Umwelt vorhanden ist, z.B. Meerwasser, Wasser eines Sees, Flußwasser oder Wasser anderer natürlicher oder künstlicher Gewässer, oder in Abwasser, das einer mechanischen und/oder chemischen und/oder biologischen Behandlung und vorzugsweise einer chemischen und/oder biologischen Behandlung und insbesondere einer biologischen Behandlung unterworfen werden soll, um als ein Endprodukt gereinigtes Wasser mit einem wesentlich geringeren Gehalt an biologisch abbaubarem Material als das einströmende Abwasser zu erhalten, wobei das Verfahren die Messung der Fluoreszenzemission von einem oder mehreren biogenen Fluorophoren, die in der Mikroorganismen-Mischkultur in dem wässrigen System vorhanden sind, umfasst, wobei das Fluorophor/die Fluorophore imstande sind, als Indikatoren) des Grads der mikrobiologischen Aktivität und damit der Menge an biologisch abbaubarem Material, das in dem wässrigen System vorhanden ist, zu dienen, wenn sie mit Licht bestrahlt werden, das bei einer Wellenlänge von vorzugsweise mehr als 250 nm emittiert wird. Bevorzugte Beispiele für die biogenen Fluorophore sind Tryptophan und Tyrosin enthaltende Proteine, Tryptophan und Tyrosin enthaltende Peptide, Tryptophan und Tyrosin enthaltende Derivate von Aminosäuren, Purine, Pyrimidine, Nucleoside, Nucleotide, Nucleinsäuren, Steroide und Vitamine. Bei Bestrahlung mit Licht, das bei einer Wellenlänge von vorzugsweise mehr als 250 nm und insbesondere bei einer Wellenlänge im Bereich von 250 nm bis 780 nm emittiert wird, wird die Fluoreszenzemission des biogenen Fluorophors/der biogenen Fluorophore vorzugsweise bei Wellenlängen von mehr als 250 nm, z.B. im Bereich von 250 nm bis 800 nm, nachgewiesen, und die gemessenen Werte der Fluoreszenzemission werden als Basis für die Bewertung des Gehalts an biologisch abbaubarem Material herangezogen.
In der folgenden Beschreibung bezeichnet der Ausdruck "erfindungsgemäßes Verfahren" das Steuerungs- und/oder Optimierungsverfahren, sofern nichts anderes angegeben ist.
Durch Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es möglich, ein Verfahren, wie ein Abwasserreinigungsverfahren, zu steuern, das mechanische und/oder chemische und/oder biologische Behandlungsstufen umfasst, so dass eine Überlastung der biologischen Behandlungsstufen mit biologisch abbaubarem Material ausgeschaltet wird, wobei eine derartige Überlastung häufig bei den meisten Anlagen auftritt, wobei auf diese Weise für einen vergleichsweise konstanten Wirkungsgrad der biologischen Behandlungsstufe(n) gesorgt wird, d.h. vorzugsweise für optimale oder nahezu optimale Zersetzungs bedingungen für die Mikroorganismen-Mischkultur und gegebenenfalls weitere Organismen, die im Abwasser vorhanden sind, das einer biologischen Reinigung unterworfen wird, wobei die Organismen imstande sind, organische und/oder anorganische Masse zu zersetzen.
Für optimale oder nahezu optimale Bedingungen kann beispielsweise durch eine gesteuerte Belastung der biologischen Stufe mit biologisch abbaubarem Material und/oder durch eine gesteuerte Geschwindigkeit der Rückführung an aktiviertem Schlamm in die biologische Behandlungsstufe gesorgt werden, so dass ein optimales oder ein nahezu optimales Verhältnis zwischen dem gewünschten Typ an mikrobiologischer Aktivität und an Belastung mit biologisch abbaubarem Material bewirkt wird.
Für eine gesteuerte Belastung der biologischen Stufe mit biologisch abbaubarem Material kann z.B. durch eine gesteuerte chemische Fällung (Absetzen) von biologisch abbaubarem Material, insbesondere von biologisch abbaubarem Material in Form von Kolloidteilchen, in einer chemischen Behandlungsstufe vor den biologischen Behandlungsstufen gesorgt werden. Eine derartige Prozessteuerung der genannten chemischen Behandlungsstufe basiert auf online-Informationen über die tatsächliche mikrobiologische Aktivität in der biologischen Behandlungsstufe/in den biologischen Behandlungsstufen.
Für eine gesteuerte Belastung der biologischen Behandlungsstufe mit biologisch abbaubarem Material kann auch auf der Basis einer qualitativen Bewertung; vorzugsweise einer online-Bewertung, der biologischen Abbaubarkeit (des Gehalts an biologisch abbaubarem Material) in dem wässrigen System, d.h. dem einströmenden Abwasser, das zu gereinigtem Wasser verarbeitet werden soll, zusammen mit online-Informationen über die tatsächliche mikrobiologische Aktivität in den biologischen Behandlungsstufen gesorgt werden, und relevante Verfahrensparameter werden entsprechend der erhaltenen Informationen eingestellt. Unter den verschiedenen Verfahrensparametern, die in diesem Zusammenhang geeignet sind, können die Gesamtmenge an Schlamm im System, die Rate des Zurückführens von mechanisch und/oder chemisch und/oder biologisch behandeltem Abwasser (um die Konzentration an biologisch abbaubarem Material, insbesondere an nicht ohne weiteres biologisch abbaubarem Material, im Volumen, das in die biologische Behandlungsstufe geleitet wird, zu verringern), die Rate der Zurückführung von nicht behandeltem Abwasser (aus einem Vorratsbehälter oder Becken), die Strömungsgeschwindigkeit des einströmenden Abwassers, das in den Vorratsbehälter für eine spätere Behandlung geleitet wird, die Dosiergeschwindigkeit an chemischen Fällungsmitteln, die Verweilzeit und die Zugabe an Mitteln, die zur Verbesserung der Zersetzung von nicht ohne weiteres biologisch abbaubarem Material geeignet sind, genannt werden.
Durch Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es also möglich, die hauptsächlichen Schwankungen/Veränderungen in der Belastung mit biologisch abbaubarem Material der biologischen Behandlungsstufe einer Abwasserreinigungsanlage zu verringern oder auszuschalten.
Die meisten Abwasserreinigungsanlagen umfassen mindestens eine chemische und eine biologische Behandlungsstufe. Wenn das erfindungsgemäße Verfahren im Zusammenhang mit einer derartigen Anlage angewandt wird, dann kann es dazu führen, dass einer oder mehrere der nachstehenden Vorteile erzielt werden:

der Gesamtbedarf an Sauerstoff wird verringert;
die Dimensionierung der biologischen Behandlungsstufe (d.h. das Volumen der Belüftungsbehälter) kann verringert werden;
höherer Nutzungsgrad der Gesamtkapazität;
bessere Steuerung des Verfahrens;
bessere Basis für den Entwurf von Reinigungsprozessen aufgrund einer besseren Prozessteuerung (Ausschaltung von großen Schwankungen bei der Belastung mit biologisch abbaubarem Material der biologischen Behandlungs-/Reinigungsstufe(n)); und
ein wirksameres Reinigungsverfahren, was durch eine höhere Qualität des schließlich ausströmenden Wassers ausgedrückt werden kann.

Im Hinblick auf die biologischen Behandlungsstufen sind Vorteile, die durch das erfindungsgemäße Verfahren erzielt werden können, z.B.:

eine stabilere mikrobiologische Zusammensetzung der Mikroorganismen-Mischkultur, d.h. eine optimale oder nahezu optimale Kombination von mikrobiologischen Spezies kann bereitgestellt und aufrechterhalten werden;
bessere Nutzung der Mikroorganismen-Mischkultur (Biomasse);
bessere Flockungseigenschaften; und
besseres Absetzen in sekundären Absetzstufen.

Auf diese Weise können durch Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens wirtschaftliche Vorteile erzielt werden. Ferner können durch Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens gründlichere Kenntnisse über die mikrobiologischen Prozesse, d.h. die mikrobiologische Umwandlung, die in den biologischen Abbaustufen einer Abwasserreinigungsanlage stattfinden, erhalten werden.
Die Anwendung von Fluoreszenzemissionsmessungen bei biologischen Verfahren wird in den US-Patenten 4,686,372 und 4,577,110 erwähnt. Keines dieser Patente erwähnt jedoch die Verwendung von Fluoreszenzemissionsmessungen für die Steuerung der mikrobiologischen Zersetzung von biologisch abbaubarem Material oder für die Bewertung des Gehalts an biologisch abbaubarem Material in einem wässrigen System.
Beschreibung der Zeichnung
Die Zeichnung besteht aus 12 Figuren, unter denen
1 ein Flußdiagramm der Abwasserreinigungsanlage (The Central Purification Plant, Stadt von Holstebro, Dänemark) zeigt, in der die praktischen Versuche der Beispiele 1, 2 und 3 durchgeführt wurden;
2 die Strömungsbedingungen in einem der Belüftungsbehälter von The Central Purification Plant, Stadt von Holstebro, Dänemark, zeigt;
3 den tatsächlichen Strom von einströmendem Abwasser in The Central Purification Plant, Stadt von Holstebro, Dänemark, im Zeitraum vom 1. bis zum 30. April 1988 zeigt;
4 die aufgezeichnete Fluoreszenzemission (ausgedrückt als normierte Fluoreszenzeinheiten (NFU)) für eine Zeitspanne von 60 Stunden (entsprechend den 60 Stunden von Ansatz Nr. 18 von Beispiel 1) zeigt;
5 die aufgezeichnete Fluoreszenzemission (ausgedrückt als normierte Fluoreszenzeinheiten (NFU)) für eine Zeitspanne von 60 Stunden (entsprechend den 60 Stunden von Ansatz Nr. 19 aus Beispiel 1) zeigt;
6 ein Prozessteuerungssystem für die Steuerung des pH-Werts von gelöschtem Kalk und Steuerung der Belastung mit biologisch abbaubarem Material durch Zugabe von Eisen(II)-sulfat auf der Basis der aufgezeichneten Werte der Fluoreszenzemission (nachgewiesen bei einer Wellenlänge von etwa 460 nm) in einer biologischen Behandlungsstufe (Bioreaktor) zeigt;
7 den Einlaßstrom von industriellem Abwasser aus einem getrennten Einlaßstrom, der mit "West" bezeichnet wird, von the Central Purification Plant, Stadt von Holstebro, Dänemark, im März und April 1988 zeigt;
8 den Einlaßstrom von industriellem Abwasser aus einem getrennten Einlaßstrom, der mit "West" bezeichnet wird, von The Central Purification Plant, Stadt von Holstebro, Dänemark, im November und Dezember 1988 zeigt;
9 die aufgezeichneten Werte der Fluoreszenzemission (in NFU, nachgewiesen bei einer Wellenlänge von etwa 460 nm) für 90 Stunden in den beiden Zeiträumen März-April 1988 (nach einem herkömmlichen Verfahren, d.h. ohne Steuerung der Belastung mit biologisch abbaubarem Material des Belüftungsbehälters von The Central Purification Plant, Stadt von Holstebro, Dänemark) und November-Dezember 1988 (mit Steuerung der Belastung mit biologisch abbaubaren Material des Belüftungsbehälters von The Central Purification Plant, Stadt von Holstebro, Dänemark, gemäß der vorliegenden Erfindung);
10 einen Vergleich der aufgezeichneten Werte der Fluoreszenzemission im Belüftungsbehälter (NFU, nachgewiesen bei einer Wellenlänge von etwa 460 nm) und die Ergebnisse der BSB₅-Analyse der entsprechenden Abwasserproben aus dem Belüftungsbehälter von The Central Purification Plant, Stadt von Holstebro, Dänemark, für eine Zeitspanne von 24 Stunden zeigt;
11 einen Vergleich der täglichen Veränderungen der BSB₅-Konzentration im getrennten industriellen Abwassereinlaß ("West") von The Central Purification Plant, Stadt von Holstebro, Dänemark für eine gesamte Zeitspanne von 5 Tagen im Juni 1988 zeigt;
12 die Ergebnisse der Messungen der NADH-Fluoreszenz, des Sauerstoffgehalts und des pH-Werts in einem gesteuerten Fermentationsverfahren, wobei ein plötzlicher Glucosepuls angewandt wird (vgl. nachstehendes Beispiel 11), zeigt.
Die Figuren werden in den nachstehenden Beispielen weiter beschrieben.
Ausführliche Beschreibung der Erfindung
In der vorliegenden Anmeldung bezeichnet der Ausdruck "Steuern" den Vorgang des Regulierens oder absichtlichen Beeinflussens einer oder mehrerer Variablen eines Verfahrens auf der Basis von Messungen einer oder mehrerer der Variablen des Verfahrens. Letztere Variable(n) wird/werden als gemessene Variable(n) bezeichnet, während die zuerst genannte(n) Variable(n) herkömmlicherweise als gesteuerte Variable(n) bezeichnet wird/werden. Der gewünschte numerische Wert der gesteuerten Variablen wird als Sollwert bezeichnet, während eine Änderung einer beliebigen Variable, die bewirken kann, dass die gesteuerte Variable des Prozesses sich ändert, als Last bezeichnet wird. Ein Prozesssteuerungssystem, das zur Steuerung eines Prozesses, wie des vorliegenden Prozesses, verwendet wird, wird herkömmlicherweise als Rückkopplungssystem bezeichnet, wobei der gemessene Wert der gesteuerten Variable an eine Vorrichtung zurückgeführt wird, die als Vergleicher bezeichnet wird und in der die gesteuerte Variable mit dem Sollwert verglichen wird. Wenn es eine Differenz zwischen der gemessenen Variable und dem Sollwert gibt, dann wird eine Abweichung ermittelt. Diese Abweichung wird in eine Steuervorrichtung eingegeben, die wiederum das schließliche Steuerelement, z.B. ein Steuerventil oder eine Regulationseinrichtung für eine Pumpgeschwindigkeit, einstellt, um die gesteuerte Variable auf den Sollwert zurückzuführen.
Der Ausdruck "Mikroorganismen-Mischkultur" bezieht sich in der vorliegenden Anmeldung auf Kulturen, die eine Mehrzahl, normalerweise eine Vielzahl von Spezies von Mikroorganismen umfassen, wie autotrophe sowie heterotrophe und aerobe, anaerobe und fakultative Bakterien sowie niedere eukaryontische Organismen, wie Protozoen, Hefen, Pilze und andere Organismen, die üblicherweise in aktiviertem Schlamm in der biologischen Behandlungsstufe einer Abwasserreinigungsanlage vorhanden sind, z.B. mehrzellige Organismen, wie Pantoffeltierchen (Paramaecium) und Parasiten, insbesondere Bakterien verzehrende Parasiten. Derartige Mikroorganismen-Mischkulturen, wie sie vorstehend definiert wurden, werden auch als Biomasse oder aktivierter Schlamm bezeichnet. Der Ausdruck "aktivierter Schlamm" wird herkömmlicherweise für Mikroorganismen-Mischkulturen, wie sie vorstehend definiert wurden, verwendet, die in der biologischen Behandlungsstufe vorhanden sind, um biologisch abbaubares Material, insbesondere zersetzbare organische und/oder anorganische Masse, abzubauen. Derartige Mikroorganismen-Mischkulturen nutzen die Nährstoffe im Abwasser, das behandelt werden soll, und wandeln dabei organische und anorganische Masse in Biomasse und Endprodukte des Stoffwechsels, wie Nitrate, Stickstoff, Sulfate, Phosphate, Kohlendioxid und dergl., um. Diese Umwandlung kann unter anaeroben, aeroben oder anoxischen Bedingungen stattfinden. Die tatsächliche Zusammensetzung der Mikroorganismen-Mischkultur kann stark variieren, da die Zusammensetzung hochgradig von den vorherrschenden Bedingungen abhängig ist.
In der vorliegenden Anmeldung bezieht sich der Ausdruck "biologisch abbaubares Material" auf organische und/oder anorganische Masse, die biologisch zersetzbar ist, wobei die Zersetzung stattfindet, indem die organische und/oder anorganische Masse, insbesondere die organische Masse, einem Transformationsprozess unterworfen wird, der von Mikroorganismen-Mischkulturen (Biomasse, aktivierter Schlamm) durchgeführt wird, wobei das Transformationsverfahren in einer wässrigen Umgebung, z.B. in Wasser, Abwasser, Schmutzwasser, dem Wasser eines Sees, Meerwasser, Flußwasser und dergl., stattfindet. Die Mikroorganismen-Mischkultur nutzt das vorhandene biologisch abbaubare Material als Quelle für Nährstoffe und/oder Energie, wobei auf diese Weise das biologisch abbaubare Material in zusätzliche Biomasse und Endprodukte des Stoffwechsels, wie Nitrate, Stickstoff, Sulfate, Phosphate, Kohlendioxid und dergl., umgewandelt wird.
Der Ausdruck "Fluoreszenz" und der Ausdruck "Fluoreszenzemission" beziehen sich auf die Emission von Strahlungsenergie durch ein Molekül oder Ion in einem angeregten Zustand. Das Molekül oder Ion erreicht den angeregten Zustand durch Absorption von Strahlungsenergie. Absorption von ultravioletter oder sichtbarer Strahlung (oder Anregung durch diese Strahlung) verursacht einen elektronischen Übergang (in 10^–18 Sekunden), so dass das Molekül aus dem elektronischen Grundzustand in ein Schwingungsniveau des ersten angeregten elektronischen Zustands angeregt wird. Diese Absorption von Licht wird üblicherweise als Anregung bezeichnet. Nach der Anregung muss das Molekül eine Energiemenge, die äquivalent zu der absorbierten Energiemenge ist, emittieren, wenn es in den elektronischen Grundzustand zurückkehren soll. Diese Energie kann verschiedene Formen annehmen, z.B. Licht, Wärme und dergl. Wenn die Energiemenge als Licht mit längerer Wellenlänge (niedrigerer Energie) als die Wellenlänge des für die Anregung verwendeten Lichts emittiert wird und die Zeit für diese Emission von Licht ungefähr 10^–18 Sekunden beträgt, dann wird eine derartige Emission als Fluoreszenz bezeichnet.
In der vorliegenden Anmeldung bezeichnet der Ausdruck "biogene Fluorophore" Substanzen, die von lebendem Material (lebenden Zellen) synthetisiert werden, wobei die Moleküle derartiger Substanzen zum Fluoreszieren imstande sind, wenn sie mit Licht bestrahlt werden. Biogene (biologische) Pluorophore umfassen Proteine, insbesondere Tryptophan und Tyrosin enthaltende Proteine, Tryptophan und Tyrosin enthaltende Peptide, Tryptophan und Tyrosin enthaltende Derivate von Aminosäuren, Cofaktoren, Purine, Pyrimidine, Nucleoside, Nucleotide, Nucleinsäuren, Steroide, Vitamine und andere. In diesem Zusammenhang sind NADH (Nicotinamidadenindinucleotid) und NAD(P)H bevorzugte Beispiele für biogene Fluorophore. Weitere Beispiele für biologische Substanzen, die imstande sind, zu fluoreszieren, sind Tyrosin, Tryptophan, ATP (Adenosintriphosphat), ADP (Adenosindiphosphat), Adenin, Adenosin, Östrogene, Histamin, Vitamin A, Phenylalanin, p-Aminobenzoesäure, Dopamin (3,4-Dihydroxyphenylethylamin), Serotonin (5-Hydroxytryptamin), Dopa(3,4-Dihydroxyphenylalanin), Kynurenin und Vitamin B12.
Jedes biochemische oder chemische Molekül (biogenes Fluorophor) weist ein charakteristisches Anregungs- und Fluoreszenzspektrum auf. Üblicherweise ist das Fluoreszenzspektrum oder die Fluoreszenzbande in zwei oder mehr Peaks oder Maxima geteilt, wobei jeder Peak bei einer spezifischen Wellenlänge auftritt. Um die Fluoreszenzemission eines fluoreszierenden Moleküls nachzuweisen, ist es erforderlich, diese Emission bei einer Wellenlänge, die innerhalb der Umhüllenden der Fluoreszenzbande für das Fluorophor liegt, und vorzugsweise bei einer Wellenlänge, die einem Peak im Fluoreszenzspektrum entspricht, nachzuweisen. Außerdem sollte das Fluorophor mit Licht, das bei einer Wellenlänge emittiert wird, die innerhalb der Umhüllenden der Anregungsbande für das Fluorophor liegt, und vorzugsweise mit Licht bei einer Wellenlänge, die einem Peak der Anregungsbande entspricht, bestrahlt werden.
Der Ausdruck "charakteristisch" bezeichnet im Zusammenhang mit einem biogenen Fluorophor/mit biogenen Fluorophoren, daß es sich bei dem biogenen Fluorophor um ein Fluorophor handelt, das inhärent von dem fraglichen lebenden biologischen Material, d.h. der Mikroorganismen-Mischkultur, in einer Menge gebildet wird, die die biologische Aktivität, z.B. die Stoffwechselaktivität, des lebenden Materials widerspiegelt. Typischerweise sind die biogenen Fluorophore als intrazelluläre Substanzen in den Mikroorganismen vorhanden.
Der Anregungspeak bzw. der Fluoreszenzpeak für wichtige Beispiele der vorstehend genannten Fluorophore sind in der nachstehenden Tabelle angegeben.
Tabelle 1 Beispiele für biologisch wichtige fluoreszierende Substanzen
Es wird bei der praktischen Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens bevorzugt, dass das Licht bei einer Wellenlänge von mehr als 250 nm und insbesondere bei einer Wellenlänge im Bereich von 250 nm bis 780 nm, z.B. bei etwa 340 nm, emittiert wird und dass die Fluoreszenzemission bei einer Wellenlänge von mehr als 250 nm, vorzugsweise im Bereich vom 250 nm bis 800 nm, insbesondere im Bereich von 280 nm bis 500 nm, z.B. bei etwa 460 nm, nachgewiesen wird.
Der Ausdruck "wässrige Umgebung" bezieht sich in der vorliegenden Anmeldung auf eine Flüssigkeit, die Wasser als hauptsächlichen Grundbestandteil, vorzugsweise in einem Anteil von mehr als 80 Gew.-%, insbesondere von mehr als 90 Gew.-%, ganz besonders von mehr als 96 Gew.-%, z.B. von mehr als 97 Gew.-%, am stärksten bevorzugt von mehr als 99 Gew.-%, enthält, wobei die Flüssigkeit als Lösungsmittel und/oder Dispersionsmedium dient und auf diese Weise lösliche und/oder unlösliche und/oder suspendierte und/oder dispergierte Substanzen, Materialien und/oder Mikroorganismen-Mischkulturen, wie sie vorstehend definiert wurden, umfasst, und dabei das biologische System bildet.
In der vorliegenden Anmeldung wird der Ausdruck "Abwasser" als eine gemeinsame Bezeichnung für wässrige aus-strömende Medien verwendet, die organische und/oder anorganische Substanzen enthalten, die in der Umwelt als Folge des Vorhandenseins und/oder der Aktivität von Menschen unter Einschluss der industriellen Aktivität in ihrem weitesten Sinn, die z.B. häusliche und industrielle Aktivität, Landwirtschaft, Forstwirtschaft und Fischereiindustrie umfasst, vorhanden sind oder gebildet werden und von denen es erwünscht ist, dass sie behandelt werden, so dass man gereinigtes Wasser enthält, das weniger umweltverschmutzend ist als das Abwasser, mit dem Hauptzweck, die Umwelt zu erhalten und/oder sogar zu verbessern und/oder für eine Herstellung von gereinigtem Wasser zu sorgen, das als Leitungswasser wiederverwendet werden kann. Typischerweise wird das Abwasser ständig oder jahreszeitlich erzeugt.
In der vorliegenden Anmeldung bezeichnet der Ausdruck "online-Messung" Messungen mit kurzen Ansprechzeiten, d.h., der numerische Wert oder das elektrische Signal, die als Ergebnis der tatsächlichen Messung erhalten werden, werden im wesentlichen augenblicklich im Hinblick auf den Prozess aufgezeichnet.
Der Ausdruck "Verfahrensparameter" bezeichnet eine physikalische Größe, die unter bestimmten Bedingungen unveränderlich ist, im Gegensatz zu anderen physikalischen Größen, die variieren können, wobei darauf hinzuweisen ist, dass die erstgenannte physikalische Größe selbst variieren kann, wenn sich bestimmte Bedingungen ändern. Unter bestimmten Umständen ist ein Verfahrensparameter also eine Verfahrensvariable. Bei einem gegebenen Reinigungsverfahren sind Beispiele für unveränderliche Verfahrensparameter, die Volumenkapazitäten verschiedener Behälter, Becken und dergl. und die Größe und Kapazität anderer Ausrüstungsgegenstände, die bei dem Verfahren verwendet werden. Beispiele für Prozessparameter, die während des Betriebs des Verfahrens gesteuert werden können, d.h. Verfahrensvariable, sind die Belastung mit biologisch abbaubarem Material (Konzentration und Qualität), die Sauerstoffkonzentration, der pH-Wert, die Temperatur, die Trübung, die Dosiergeschwindigkeit von Fällungschemikalien, die Dosiergeschwindigkeit von Enzymen, die zur Umwandlung nicht ohne weiteres biologisch abbaubaren, Kohlenstoff enthaltenden Materials in ohne weiteres abbaubares, Kohlenstoff enthaltendes Material imstande sind, die Geschwindigkeit der Rückführung von aktiviertem Schlamm, die Einlassfließgeschwindigkeit, die Auslassfließgeschwindigkeit, die Rührgeschwindigkeit, die Sauerstoffdosiergeschwindigkeit, die Luftdosiergeschwindigkeit (Belüftung), die Gesamtmenge an aktiviertem Schlamm im System und die Geschwindigkeit der Rückführung von aktiviertem Schlamm.
Basierend auf Kenntnissen über das fragliche Verfahren und die Anlage, in dem das Verfahren durchgeführt wird, ist der Fachmann in der Lage, geeignete Prozessparameter, die auf der Basis von Veränderungen der Fluoreszenzemission und/oder Veränderungen davon, die für das System gemessen werden, gesteuert werden, auszuwählen.
In der vorliegenden Anmeldung bezieht sich der Ausdruck "Trennverfahren" auf Verfahren, bei denen Material und/oder Substanzen voneinander getrennt werden, insbesondere auf solche Verfahren, bei denen Material und/oder Substanzen, die getrennt werden sollen, in verschiedenen physikalischen Zuständen vorliegen, z.B. im flüssigen und im festen Zustand, im gasförmigen und im festen Zustand oder im gasförmigen und im flüssigen Zustand, jedoch auch auf Verfahren, bei denen zwei flüssige Phasen getrennt werden. Bevorzugte Trennverfahren sind Verfahren, die herkömmlicherweise bei Wasser- oder Abwasserreinigungsverfahren angewandt werden und hauptsächlich mechanischer An sind, wie die Entfernung von sichtbaren umweltverschmutzenden Materialien (Feststoffen) aus dem einströmenden Abwasser einer Abwasserreinigungsanlage; die Flotation und Sedimentation, z.B. unter Verwendung von Ausrüstungsgegenständen, wie groben Sieben, feinen Sieben, Zerkleinerungsvorrichtungen, Abschöpfbehältern, Gitterkammern, Absetzbehältern und Sedimentationsbehältern.
In der vorliegenden Anmeldung bezieht sich der Ausdruck "chemische Reaktionen" auf chemische Reaktionen mit biologisch abbaubarem Material, wie es vorstehend definiert wurde, als einem der Reaktanten, wobei der andere Reaktant/die anderen Reaktanten z.B. Fällungschemikalien sind, die imstande sind, mit biologisch abbaubarem Material zu reagieren, so dass ein Niederschlag/Niederschläge gebildet werden, die sich von der Flüssigkeit absetzen können. Außerdem umfasst der Ausdruck "chemische Reaktionen" das Verfahren der Ausflockung, insbesondere der Ausflockung von kolloidalen Feststoffen und sehr fein definierter, suspendierter Masse, die durch Zugabe von Koagulationsmitteln absetzbar gemacht werden. Diese Koagulationsmittel sind Chemikalien, die in Wasser in form von feinen Teilchen mit einer positiven elektrischen Ladung dispergiert werden, die das elektrische Feld von natürlichen festen Teilchen in einer kolloidalen Suspension neutralisieren. Als Folge dieses Phänomens ballen sich kolloidale Suspensionen unter Bildung von Flocken zusammen, die durch das Ausflocken größer und größer werden. Die Flocken setzen sich ab, trennen sich auf diese Weise von der Flüssigkeit und fangen und schließen aufgrund der Gravitationskraft Teilchen ein, die nicht als Flocken vorliegen.
Als Fällungschemikalien und/oder Koagulationsmittel können herkömmlicherweise Kalk, gelöschter Kalk und Salze zwei- oder dreiwertiger Metalle, wie Eisen(III)-chlorid, Eisen(III)-sulfat, Eisen(II)-Sulfat, Aluminiumsulfat, Natriumaluminat, Aluminiumchlorid, Magnesiumcarbonat-hydroxid, Calciumcarbonat, Calciumhydroxid, aktivierte Silikate, Guargum, Stärken, Tannine, Natriumalginat, Polyaluminiumsulfat, Polyaluminiumhydroxychlorid, Bio-F1ock^R und synthetische Polyelektrolyte, z.B. Zetag^R, Magnafloc, Superfloc^R und dergl. verwendet werden.
Nachstehend werden das Verfahren der chemischen Ausfällung von biologisch abbaubarem Material und das Verfahren des Ausflockens und der Sedimentation zusammenfassend als chemische Fällung bezeichnet. Außerdem werden die Fällungschemikalien und die Koagulationsmittel, die bei diesen Verfahren verwendet werden, zusammenfassend als Fällungschemikalien bezeichnet.
Um für optimale oder nahezu optimale Bedingungen für das chemische Fällungsverfahren zu sorgen, sollte der pH-Wert des biologischen Systems, das den chemischen Reaktionen unterworfen wird, in einem Bereich von etwa 6,5 bis etwa 11,0 gehalten werden, wobei der optimale oder nahezu optimale pH-Wert von der verwendeten Fällungschemikalie abhängt. Der pH-Wert des biologischen Systems, das einem Reinigungsverfahren unterworfen wird, sollte also kontinuierlich ein-gestellt werden, um die bestmöglichen Ergebnisse der chemischen Reaktion zu erhalten. Wenn z.B. Eisen(II)-sulfat verwendet wird, dann liegt der pH-Wert vorzugsweise im Bereich von 8 bis 11. Die Temperatur ist zweckmäßigerweise Umgebungstemperatur.
Der Ausdruck "biologische Behandlung" bedeutet in der vorliegenden Anmeldung eine Behandlung eines wässrigen Systems, so dass der Gehalt an biologisch abbaubarem Material im wässrigen System wesentlich verringert wird, indem das wässrige System einem biologischen Abbauverfahren unterworfen wird. Dieses Verfahren beinhaltet es, das wässrige System in Kontakt mit Mikroorganismen zu bringen, die imstande sind, biologisch abbaubares Material des wässrigen Systems abzubauen. Zum Beispiel wird das wässrige System in einen Behälter, ein Becken oder dergl. eingeführt, die Mikroorganismen-Mischkulturen, d.h. aktivierten Schlamm (Biomasse) enthalten, wobei das biologisch abbaubare Material in dem zu behandelnden wässrigen System durch die vorhandenen Mikroorganismen abgebaut oder zersetzt wird. Normalerweise flocken bei dieser biologischen Behandlung die Mikroorganismen aus, und die ausgeflockten Mikroorganismen werden in Kontakt mit dem zu behandelnden wässrigen System gebracht. Die Verteilung der ausgeflockten Mikroorganismen in dem wässrigen System wird mittels Belüftung (in den Fällen von aeroben Zersetzungsbedingungen) wahlweise in Kombination mit Rühren, erzielt. Wenn die mikrobiologische Zersetzung des biologisch abbaubaren Materials beendet ist, dann werden die ausgeflockten Mikroorganismen üblicherweise von der Suspension abgetrennt, und zwar oftmals einfach dadurch, dass man die Suspension sich absetzen lässt. Vorzugsweise wird mindestens ein Teil des abgesetzten Materials, der eine wesentliche Menge an ausgeflockten Mikroorganismen enthält, in den Einlass der biologischen Behandlungsstufe zu-rückgeführt, wo er mit dem wässrigen System, das einem biologischen Abbau unterworfen werden soll, gemischt wird. In den meisten Fällen ist es erforderlich, einen Teil der Biomasse, d.h. der als Folge der Zersetzung gebildeten Mikroorganismen, aus der biologischen Behandlungsstufe zu entfernen. Dieses Material wird z.B. einer Filtration unterworfen und auf eine beliebige zweckmäßige Weise abgelagert.
Abhängig von den Mikroorganismen-Mischkulturen, die in der biologischen Behandlungsstufe vorhanden sind, kann es erforderlich sein, den pH-Wert des wässrigen Systems, das behandelt werden soll, einzustellen, um optimale oder nahezu optimale Zersetzungsbedingungen zu erzielen. Im allgemeinen ist es bevorzugt, dass der pH-Wert des wässrigen Systems, das behandelt werden soll, in einem Bereich von 6 bis 9 liegt, da dieser Bereich von den meisten Mikroorganismen toleriert wird. In den meisten Fällen ist der bevorzugte pH-Bereich 7 bis B. Falls möglich, sollte auch die Temperatur des wässrigen Systems, das behandelt werden soll, auf die vorhandenen Mikroorganismen-Mischkulturen eingestellt werden. Die meisten Mikroorganismen tolerierten Temperaturen innerhalb des Bereichs von 10 bis 70°C; psychrophile Mikroorganismen zeigen Aktivität bei Temperaturen im Bereich von 5 bis 25°C, mesophile Mikroorganismen zeigen Aktivität bei Temperaturen im Bereich von 25 bis 40°C, und thermophile Mikroorganismen zeigen Aktivität bei Temperaturen im Bereich von 40 bis 60°C. In einigen Fällen kann es von Vorteil sein, weitere Nährstoffe zu dem wässrigen System, das in der biologischen Behandlungsstufe behandelt werden soll, zu geben, wenn in dem wässrigen System ein Mangel an bestimmten essentiellen oder den biologischen Abbau verstärkenden Substanzen herrscht. In jedem Fall sollte das wässrige System, das behandelt werden soll, eingestellt werden, um optimale Wachstumsbedingungen zu erzielen, d.h. eine maximale spezifische Wachstumsrate für die Mikroorganismen, die in den Mikroorganismen-Mischkulturen vorhanden sind. Derartige optimale Bedingungen können durch Vorversuche in einer Technikumsanlage oder einer Laboranlage bestimmt werden.
Der Ausdruck "gereinigtes Wasser mit einem wesentlich geringeren Gehalt an biologisch abbaubarer Masse als das wässrige System" bedeutet Wasser, das eine Konzentration an biologisch abbaubarer Masse aufweist, die mindestens 5 mal geringer, vorzugsweise mindestens 10 mal geringer und insbesondere mindestens 20 mal geringer und ganz besonders mindestens 50 mal geringer als die im wässrigen System ist. In vielen Fällen ist das Endprodukt reines Wasser.
Der Ausdruck "reines Wasser" bedeutet Wasser mit einer Konzentration an Kohlenstoff, Stickstoff und/oder Phosphor enthaltenden Komponenten, die einen solch geringen Grad aufweisen, das praktisch kein derartiges Material für biologisches oder mikrobiologisches Wachstum in dem gereinigtem Wasser selbst oder im Vorfluter für das gereinigte Wasser vorhanden ist. Irgendwelches biologisches oder mikrobiologisches Wachstum in Vorflutern für reines Wasser wird nicht durch das Einleiten von reinem Wasser in den Vorfluter verursacht. Ausgedrückt als biologischer Sauerstoffbedarf (BSB) hat die dänische Gesetzgebung als obere Grenze 15 mg/l beim schließlich ausströmenden Wasser aus Abwasserreinigungsanlagen, d.h. für gereinigtes Wasser, festgelegt, was in der Praxis als numerische Richtschnur für die Definition des Ausdrucks "reines Wasser" in der vorliegenden Anmeldung dienen kann. Im Hinblick auf den Gehalt an suspendierten Feststoffen in gereinigtem Wasser ist es möglich, im wesentlichen alle suspendierten Feststoffe aus dem Abwasser durch Einführen einer zusätzlichen Trennverfahrensstufe/von zusätzlichen Trennverfahrensstufen, z.B. eines Sandfilters/von Sandfiltern, in das gesamte Wasserreinigungsverfahren zu entfernen.
Der Ausdruck "mikrobiologische Aktivität" bedeutet die Stoffwechselaktivität von Mikroorganismen-Mischkulturen, die im wässrigen System und in der biologischen Behandlungsstufe vorhanden sind. In allen lebenden Zellen sind die Elektronenträger NADH und NAD(P)H vorhanden. Sie spielen eine sehr wichtige Rolle beim Zellstoffwechsel: NADH und NAD(P)H spielen Schlüsselrollen beim Katabolismus bzw. beim Anabolismus. Die Zellen halten einen Pool dieser reduzierten Pyridinnucleotide für verschiedene Reduktionsreaktionen aufrecht. Zum Beispiel gibt beim aeroben Stoffwechsel das im Citronensäurecyclus erzeugte NADH seine Elektronen an die Enzyme der Atmungskette ab. Andererseits gibt beim anaeroben Stoffwechsel das bei der Glykolyse erzeugte NADH seine Elektronen an reduzierbare Zwischenstoffe, wie Acetaldehyd, Butaraldehyd und Ethanol, ab. Die Mikroorganismen können in verschiedenen Stoffwechselzuständen abhängig von den Umgebungsbedingungen vorliegen. Mikroorganismen, die aerob wachsen, sind in einem anderen Stoffwechselzustand im Vergleich mit denen, die unter anaeroben Bedingungen wachsen. In den erstgenannten ist der Stoffwechselweg der oxidativen Phosphorylierung aktiv, und die Verfügbarkeit von Sauerstoff hält die Mikroorganismen in einem mehr oxidativen Stoffwechselzustand im Vergleich zu Mikroorganismen unter anaeroben Bedingungen. Abhängig vom Stoffwechselzustand halten die Mikroorganismen also einen vergleichsweise hohen oder einen vergleichsweise niedrigen NAD(P)H-Pool aufrecht.
Ohne an irgendeine Theorie gebunden zu sein, nimmt man an, dass im Fall von hohen Konzentrationen an biologisch abbaubarem Material in dem wässrigen biologischen System die Mikroorganismen einen Teil ihres Pools an NADH, d.h. des Energiepools, beim Abbau des biologisch abbaubaren Materials verwenden und daher einen hohen Grad an Aktivität zeigen, was wiederum zu einem niedrigen Spiegel an NADH führt. Bei niedrigen Konzentrationen an biologisch abbaubarem Material in dem wässrigen System haben die Mikroorganismen die Möglichkeit, die als Folge des Abbauprozesses freigesetzte Energie in gebundene (potentielle) Energie umzuwandeln. Diese gebundene Energie kann z.B. in Form einer erhöhten Menge an Mikroorganismen oder einer erhöhten Konzentration an energiereichen Substanzen, wie NADH, in den Mikroorganismen vorliegen. Es scheint, dass die Beziehungen, wie die, die hier angenommen werden, in Kombination mit der überraschenden Möglichkeit, Fluoreszenzmessungen in hochgradig gemischten und komplexen Systemen, die hier in Betracht gezogen werden, es ermöglichen, die Fluoreszenzmessung für die erfindungsgemäßen Steuerungs- und Bewertungszwecke heranzuziehen.
Ferner wird in Betracht gezogen, dass die Qualität eines biologisch abbaubaren Materials oder typischer der Schwankungen der Qualität im Hinblick auf die biologische Abbaubarkeit unter Verwendung von NADH-Messungen bewertet werden können. Genauer gesagt spiegeln Schwankungen in der Menge an NADH, die bei einer Mikroorganismenkultur gemessen wird, die in einem biologischen System vorhanden ist, das auch biologisch abbaubares Material umfasst, Schwankungen in der Qualität des biologisch abbaubaren Materials wider. Die relativen Mengen an NADH, die bei einem biologischen System, wie es vorstehend definiert wurde, gemessen werden, spiegeln also die relative biologische Abbaubarkeit des in dem System vorhandenen abbaubaren Materials wider.
Der Ausdruck "relative Menge" bedeutet den Anstieg oder die Abnahme von NADH, die in einem biologischen System, das eine Mikroorganismen-Mischkultur und biologisch abbaubares Material umfasst, gemessen werden, wobei der Anstieg oder die Abnahme eine Folge von Schwankungen der biologischen Abbaubarkeit oder der Qualität des biologisch abbaubaren Materials sind. Alternativ dazu kann die relative Menge an NADH durch Vergleich von dem NADH, das bei biologisch abbaubarem Material, dessen biologische Abbaubarkeit bewertet werden soll, gemessen wurde, mit dem NADH, das bei einem biologischen System gemessen wurde, das die Mikroorganismen-Mischkultur und ein Material von bekannter biologischer Abbaubarkeit umfasst, bewertet werden. Im letztgenannten Fall muss das biologische Abbauvermögen der Mikroorganismen-Mischkultur bei den beiden NADH-Messungen ähnlich sein.
In diesem Zusammenhang bedeutet der Ausdruck "biologische Abbaubarkeit", wie er mit Bezug auf die Qualität eines biologisch abbaubaren Materials verwendet wird, die Einfachheit, mit der das biologisch abbaubare Material von einer Mikroorganismen-Mischkultur, z.B. in einem biologischen System, wie es vorstehend definiert wurde, im Hinblick auf den Energiebedarf einer derartigen Zersetzung zersetzt wird. Ohne weiteres biologisch abbaubare Materialien führen also zu einem relativ geringen Energiebedarf bei der zu zersetzenden Mikroorganismenkultur, während weniger leicht biologisch abbaubare Materialien eine wesentlich größere Menge an Energie erfordern, um zersetzt zu werden.
Es ist bekannt, dass zwei hauptsächliche Systeme für die Aufnahme von biologisch abbaubaren Substanzen durch Mikroorganismen bestehen, d.h. ein System, das auf dem Prinzip des aktiven Transports der Substanz durch die Zellmembran oder die Zellwand basiert, und ein System, das auf dem Prinzip des passiven Transports durch die Zellmembran oder die Zellwand basiert. Man nimmt an, dass ohne weiteres biologisch abbaubare Materialien, z.B. Materialien von hoher biologischer Abbaubarkeit, leicht oder unmittelbar von Mikroorganismen der fraglichen Kultur unter Verwendung sowohl des aktiven als auch des passiven Transportsystems assimiliert werden. Es wird also in Betracht gezogen, dass derartige Materialien imstande sind, durch die Zellwand von Mikroorganismen der Kultur zu diffundieren, ohne dass sie in irgendeiner wesentlichen Weise, die einen Energieeinsatz durch die Mikroorganismen erfordert, modifiziert werden müssen, und anschließend durch intrazelluläre Stoffwechselprozesse in den Mikroorganismen zersetzt werden. Weniger leicht biologisch abbaubare Materialien sind Materialien, die nicht, entweder durch passiven oder durch aktiven Transport, durch die Zellwand diffundieren zu können, ohne zuerst modifiziert worden zu sein. Es wird in Betracht gezogen, dass die weniger leicht biologisch abbaubaren Materialien Abmessungen oder Kettenlängen aufweisen, die nicht geeignet sind, durch die Zellwand oder die Zellmembran zu treten, und zwar entweder auf Grund ihrer sterischen Struktur oder aufgrund ihrer Größe. Derartige Materialien müssen modifiziert werden, z.B. in Substanzen geeigneter Abmessungen abgebaut werden, bevor sie durch die Zellwand oder die Zellmembran diffundieren können und anschließend einer intrazellulären Zersetzung unterliegen. Man nimmt an, dass die Modifizierung einen Abbau oder eine Spaltung von Komponenten des biologisch abbaubaren Materials in kleinere Moleküle, z.B. durch Hydrolyse, umfasst.
Die kritische Größe oder Länge der Kohlenstoffkette des Materials, das die Zellmembran oder die Zellwand passieren kann, unterscheidet sich für den aktiven und passiven Transport. Im Fall eines biologisch abbaubaren Materials, das hauptsächlich Kohlenstoffpolymere umfasst, die durch passiven Transport aufgenommen werden sollen, sollten diese vorzugsweise in Kohlenstoffverbindungen gespalten werden, die eine geringere Anzahl an Kohlenstoffatomen umfassen, wie eine Kohlenstoffkette von zwei Kohlenstoffatomen. Man nimmt an, dass Verbindungen, die nicht mehr als zwei Kohlenstoffatome enthalten, ohne Schwierigkeit die Zellwand oder Zellmembran passieren können, während Verbindungen, die eine Kohlenstoffkette mit mehr als zwei Kohlenstoffatomen enthalten, vor der Diffusion modifiziert werden müssen. Im Fall des aktiven Transports können größere Moleküle, wie Glucose, durch die Zellwand oder die Zellmembran transportiert werden, ohne dass zu hohe Mengen an Energie erforderlich wären.
Es wird in Betracht gezogen, dass die erforderliche Modifizierung von nicht ohne weiteres biologisch abbaubarem Material mindestens teilweise durch die Mikroorganismen der Kultur erfolgt. Man nimmt also an, dass die Mikroorganismen Substanzen synthetisieren, z.B. proteolytische oder hydrolytische Enzyme oder extrazelluläre Enzyme, wie Amylasen, Lipasen oder Proteasen, die imstande sind, das biologisch abbaubare Material in der gewünschten Weise zu modifizieren. Diese Synthese erfordert Energie, z.B. in Form von NADH.
Durch Messung der relativen Menge an NADH ist es also möglich, den relativen Energieverbrauch der Mikroorganismen abzuschätzen und auf diese Weise Schwankungen in der biologischen Abbaubarkeit des biologisch abbaubaren Materials zu bewerten.
Es wird in Betracht gezogen, dass eine Abnahme der relativen Menge an NADH, die z.B. durch Messung der Fluoreszenzemission von NADH bei einer Mikroorganismenkultur unter Verwendung der in der vorliegenden Anmeldung angegebenen Prinzipien der Messung der Fluoreszenzemission bewertet wird, anzeigt, dass das biologisch abbaubare Material eine verringerte biologische Abbaubarkeit aufweist, während ein Anstieg der relativen Menge an NADH eine erhöhte biologische Abbaubarkeit widerspiegelt. Dies wird durch die Ergebnisse der Versuche, die im nachstehenden Beispiel 11 beschrieben werden, angedeutet, bei denen die Fluoreszenzemission von NADH bei einer Mikroorganismenkultur stark ansteigt, wenn den Mikroorganismen eine unmittelbar assimilierbare Kohlenstoffquelle (Glucose) zugeführt wird, deren Verbrauch eine geringere Menge an Energie im Vergleich zu komplexeren Kohlenstoffquellen erfordert (vgl. die vorstehende Theorie).
Gemäß der vorstehenden Erklärung ist es möglich, die biologische Abbaubarkeit eines gegebenen Materials durch ein Verfahren zu bewerten, das die Messung der Menge an NADH, die in einem biologischen System vorhanden ist, das

a) Mikroorganismen-Mischkulturen und das Material, dessen biologische Abbaubarkeit bewertet werden soll, umfasst;
b) den Vergleich der gemessenen Menge an NADH mit der Menge an NADH, die in einem biologischen System vorhanden ist, das Mikroorganismen-Mischkulturen mit einem ähnlichen biologischen Abbauvermögen und ein biologisch abbaubares Material bekannter Zusammensetzung umfasst; und
c) die Bestimmung der Differenz der Menge an NADH, die in den beiden biologischen Systemen vorhanden ist, umfasst.

Bei dem Material kann es sich um ein beliebiges biologisch abbaubares Material, z.B. wie es vorstehend definiert wurde, handeln, und das Verfahren ist von besonderem Interesse im Zusammenhang mit Materialien, die zersetzt werden sollen, z.B. unter Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Die biologische Abbaubarkeit eines biologisch abbaubaren Materials, das einer Abwasser- oder Schmutzwasserreinigungsanlage zugeführt wird, kann ein wichtiger Parameter bei der Steuerung der Anlage sein, indem sie es ermöglicht, genauer die biologischen Abbauprozesse der Anlage an die biologische Abbaubarkeit des Materials, das behandelt werden soll, anzupassen und auf diese Weise z.B. eine Überlastung der Anlage zu vermeiden, indem z.B. die Menge an Material, das der Anlage oder bestimmten Stufen des Verfahrens zugeführt wird, die in der Anlage durchgeführt werden, gesteuert wird, oder indem das Material vor oder während der biologischen Abbaubehandlung in der Anlage modifiziert wird. Ferner kann das vorstehende Verfahren zur Bewertung der biologischen Abbaubarkeit bei der kontinuierlichen Analyse der Qualität von Abwasser aus verschiedenen Quellen, z.B. Auslassen von verschiedenen Arten von Industriebetrieben, herangezogen werden. Zum Beispiel ist es möglich, die plötzliche Abgabe verschiedener toxischer Substanzen, z.B. von Schwermetallen, organischen Lösungsmitteln, oberflächenaktiven Stoffen oder anderen chemischen Substanzen, von denen man annimmt, dass sie eine Belastung für die Mikroorganismenkultur darstellen und daher zu Schwankungen beim NADH-Wert in der gleichen Weise, wie es vorstehend erläutert wurde, oder sogar zum Tod der Mikroorganismenkultur führen, zu bestimmen.
Bei der praktischen Anwendung des Verfahrens wird es oft bevorzugt, die Fluoreszenzemission des Systems während einer anfänglichen Versuchsphase zu überwachen und sorgfältig den Einfluss einer Verstärkung oder Einschränkung der Behandlung, um das biologisch abbaubare Material zu verringern oder zu zersetzen, teilweise auf der Basis des Systems im engeren Sinn und teilweise auf der Basis der Fluoreszenzemission zu überwachen, wobei auf diese Weise die Korrelation zwischen dem Einfluss von Behandlungsparametern, dem Zustand des Systems im engeren Sinn und der Fluoreszenzemissionsmessung sowie die Wechselwirkung zwischen diesen Parametern ermittelt wird, um kritische und/oder geeignete Behandlungsmaßnahmen, die in besonders wirksamer Weise und/oder in besonders wirtschaftlicher Weise verwendet werden können, um das System auf der Basis der Messung der Fluoreszenzemission zu steuern, zu identifizieren. In der Praxis wird das vermessene Fluorophor/werden die vermessenen Fluorophore aus der Gruppe der Tryptophan und Tyrosin enthaltenden Proteine, der Tryptophan und Tyrosin enthaltenden Peptide, der Tryptophan und Tyrosin enthaltenden Derivate von Aminosäuren, der Purine, der Pyrimidine, der Nucleotide, der Nucleotide, der Nucleinsäuren der Steroide und der Vitamine ausgewählt, und die Messung wird in geeigneter Weise unter Verwendung einer online-Fluoreszenzsensorausrüstung, z.B. einer Ausrüstung des Typs, der in den nachstehenden Beispielen verwendet wird, durchgeführt.
Das Licht, mit dem das System bestrahlt wird, ist zweckmäßigerweise Licht, das bei einer Wellenlänge von mehr als 250 nm emittiert wird, und die Fluoreszenzemission wird vorzugsweise bei einer Wellenlänge von 280 bis 500 nm nach-gewiesen. Die Wellenlänge sollte natürlich auf das spezielle System, insbesondere auf die Art der Fluorophore, die in dem System vorhanden ist, eingestellt werden.
Gemäß den vorstehenden Ausführungen sind wichtige Ausführungsformen des Verfahrens Ausführungsformen, bei denen es sich bei dem Fluorophor um ein Nicotinamidadenindinucleotid, wie NADH oder NADPH, handelt. In diesem Fall wird das Licht vorzugsweise bei einer Wellenlänge von etwa 340 nm emittiert, und die Fluoreszenzemission wird vorzugsweise bei einer Wellenlänge von etwa 460 nm nachgewiesen.
Wie vorstehend erwähnt wurde, sind NADH/NADPH wichtige Elemente der Stoffwechselwege, und daher stehen diese Substanzen in direkter Beziehung zum Vermögen aller Mikroorganismen, durch Stoffwechsel biologisch abbaubare Substanzen in harmlose Substanzen, die abgegeben werden können, umzuwandeln.
Für den Fall, dass es sich bei dem Fluorophor um NADH oder NADPH handelt und dass die Qualität des biologisch abbaubaren Materials, das in die biologische Behandlungsstufe geleitet wird, so ist, dass das biologisch abbaubare Material nicht vorwiegend aus leicht assimilierbaren Substanzen besteht, wird die Steuerung des Verfahrens so durchgeführt, dass einer oder mehrere Verfahrens des Prozesses in Richtung auf eine Verringerung des Gehalts an biologisch abbaubarem Material in dem System, insbesondere des Gehalts an biologisch abbaubarem Material, das in dem Teil des Systems vorhanden ist, der einer biologischen Behandlung unterworfen wird, gesteuert werden, wenn eine verringerte Fluoreszenzemission in der biologischen Behandlungsstufe aufgezeichnet wird, und es wird in Richtung auf die Möglichkeit eines erhöhten Gehalts an biologisch abbaubarem Material gesteuert, wenn eine erhöhte Fluoreszenzemission in der biologischen Behandlungsstufe aufgezeichnet wird.
Gemäß einer besonderen Ausführungsform des Verfahrens wird biologisch abbaubares Material, das in Abwasser vorhanden ist, durch eine chemische Reaktionsstufe der Abwasserbehandlungsanlage, vorzugsweise in einem primären Absetzbehälter davon und vorzugsweise durch Zugabe von fällenden Salzen, gefällt, und die Dosierungsgeschwindigkeit des Salzes/der Salze, die zu dem Abwasser gegeben werden, wird auf der Basis der online-Messung der Fluoreszenzemission bei Bestrahlung mit Licht und/oder von Veränderungen davon für eines oder mehrere biogene Fluorophore, die in dem System vorhanden sind, gesteuert. In diesem Fall werden die fällenden Salze zweckmäßigerweise aus der Gruppe, die aus zwei- oder dreiwertigen Metallen, insbesondere Eisensalzen, Aluminiumsalzen, Natriumsalzen, Magnesiumsalzen und/oder Calciumsalzen oder Gemischen davon und ganz besonders Eisen(II)-sulfat, Eisen(III)-sulfat oder Eisen(III)-chlorid besteht, ausgewählt.
Ferner wird in Betracht gezogen, dass es, um für einen relativ konstanten Wirkungsgrad der biologischen Behandlungsstufe(n) zu sorgen, d.h. für optimale oder nahezu optimale Bedingungen für die Mischkultur von Organismen und wahlweise für weitere Organismen, die in dem Abwasser vorhanden sind, das der biologischen Behandlung unterworfen wird, wobei die Organismen zur Zersetzung von organischer und/oder anorganischer Masse (biologisch abbaubares Material) imstande sind, von Vorteil ist, die Zersetzung verstärkende Mittel zuzugeben, wenn das nicht verarbeitete Abwasser eine hohe Konzentration an nicht ohne weiteres biologisch abbaubarem Material aufweist.
Als die Zersetzung verstärkende Mittel können z.B. Abfallstoffe modifizierende Mittel, wie Enzyme, die zur Umwandlung von nicht ohne weiteres biologisch abbaubarem Material in einfach assimilierbare Substanzen imstande sind, verwendet werden. Die Enzyme können in Form von Enzymen technischer Qualität oder als Fermentationsflüssigkeit, die die gewünschten Enzyme in nicht abgetrennter Form enthält, zugegeben werden. Ein weiteres Beispiel für die Zersetzung verstärkende Mittel sind ohne weiteres biologisch abbaubare Substanzen, von denen man annimmt, dass sie die Mikroorganismen-Mischkulturen mit der erforderlichen Menge an Energie für die Zersetzung des schwieriger abbaubaren Materials versorgen, da die Substanzen leicht oder unmittelbar durch die Mikroorganismen assimilierbar sind, auf diese Weise also nur die Funktion von Nährstoffen haben, die neue Energie während des intrazellulären Stoffwechsels der Mikroorganismen bereitstellen.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden industrielles Abwasser und Siedlungsabwasser einem Abwasser- oder Schmutzwasserreinigungsverfahren unterworfen, das mechanische, chemische und biologische Behandlungsstufen umfasst. Die tatsächliche Ausführung eines derartigen Abwasserreinigungsverfahrens, d.h. die tatsächlichen Einheitsoperationen und die verwendeten Ausrüstungen, können stark variieren. Ein Beispiel für die Ausführung des Verfahrens einer Abwasserreinigungsanlage ist in 1 gezeigt. Das einströmende Abwasser kann einen oder mehrere getrennte Einlaßströme umfassen. Wenn das Abwasserreinigungsverfahren zur Behandlung vergleichsweise großer Volumina, z.B. mehr als 20 % des zugeführten Gesamtvolumens, von industriellem Abwasser mit hohen Konzentrationen an biologisch abbaubarem Material ausgelegt ist, dann wird derartiges industrielles Abwasser dem Verfahren (der Anlage) vorzugsweise in einem oder mehreren getrennten Einlaßströmen zugeführt.
Eine Fluoreszenzsensorausrüstung, die zur Emission von Licht bei einer Wellenlänge von vorzugsweise mehr als 250 nm und insbesondere bei etwa 340 nm und zum Nachweis einer Fluoreszenzemission bei einer Wellenlänge von 280 bis 500 nm und insbesondere bei etwa 460 nm imstande ist, wird im Belüftungsbehälter der biologischen Behandlungsstufe angeordnet. Die tatsächliche Anordnung der Fluoreszenzsensorausrüstung ist nicht kritisch. Die Fluoreszenzsensorausrüstung sollte jedoch gegenüber Falschlicht geschützt werden, da Sonnenlicht die Messungen beeinträchtigen und beeinflussen kann. Es kann also erforderlich sein, die Fluoreszenzsensorausrüstung abzuschirmen, um zu verhindern, dass Falschlicht auf die Sensorausrüstung fällt. Die verwendete Fluoreszenzsensorausrüstung ist imstande, die Fluoreszenzemission von Nicotinamidadenindinucleotid (NADH) zu messen. Die Konzentration an NADH im Belüftungsbehälter wird also mittels der Fluoreszenzsensorausrüstung gemessen. Die Konzentration an NADH ist ein quantitativer Indikator der mikrobiologischen Aktivität im Belüftungsbehälter, und so wird das Ergebnis der Fluoreszenzemissionsmessung als Maß für den tatsächlichen Zustand der vorhandenen Mikroorganismen-Mischkulturen, d.h. der mikrobiologischen Aktivität, herangezogen. Die Fluoreszenzsensorausrüstung ist imstande, die Fluoreszenzemission von NADH als normierte Fluoreszenzeinheiten (NFU) zu messen, da sie mit gut definierten NADH-Lösungen geeicht wurde. Eine NFU entspricht einer Änderung der Fluoreszenz, die durch eine Konzentration von 0,122 pM NADH bei 30°C und einem pH-Wert von 8,0 in einem Konzentrationsbereich von 1,0 bis 25,0 pM NADH hervorgerufen wird. Die aufgezeichneten Werte in NFU sind proportional zum Gehalt an NADH (reduzierte Form) in den Mikroorganismen, die in dem Belüftungsbehälter vorhanden sind.
Der Sensor sollte in dem Belüftungsbehälter in einer Position mit gründlichem Mischen und ohne eine Beeinträchtigung durch Falschlicht, z.B. Tageslicht, angeordnet werden (typischerweise 10 bis 15 cm unterhalb der Wasseroberfläche ist ausreichend). Es ist auch wichtig, dass das von dem Sensor emittierte Licht frei in das umgebende Wasser abgestrahlt werden kann. Der Sensor ist mit einem Quarzfenster ausgestattet, durch das das Licht vom und zum Sensor tritt. Durch die Verwendung von Quarz wird sichergestellt, dass keine Anheftung während des Betriebs auftritt, die die tatsächlichen Aufzeichnungen stört.
Üblicherweise sind die NFU-Aufzeichnungen von einem Sensor, der im Belüftungsbehälter angeordnet ist, ausreichend, um die gewünschten Informationen zu erhalten, es kann jedoch mehr als ein Sensor verwendet werden, falls dies abhängig von der Ausführung der biologischen Behandlungsstufe erforderlich ist.
Vor der biologischen Behandlungsstufe (Belüftungsbehälter) wird das getrennt eingelassene industrielle Abwasser mit einer hohen Konzentration an biologisch abbaubarem Material vorzugsweise einer chemischen Reaktion durch Zugabe von Eisen(II)-sulfat unterworfen. Der Zweck der chemischen Reaktion besteht darin, qualitativ und/oder quantitativ biologisch abbaubares Material aus dem Abwasser, insbesondere Substanzen mit schlechter biologischer Abbaubarkeit, d.h. Substanzen, die nicht ohne weiteres biologisch abbaubar sind, z.B. Fettsäuren, und insbesondere Substanzen in Form von Kolloidteilchen, zu fällen.
Durch chemische Fällung eines Teils des biologisch abbaubaren Materials im eingelassenen Abwasser wird der Unterschied zwischen der minimalen Belastung und der maximalen Belastung des Belüftungsbehälters mit biologisch abbaubarem Material verringert. Diese Verringerung der möglichen Variation der Belastung mit biologisch abbaubarem Material in der biologischen Behandlungsstufe führt zu besseren Bedingungen für die vorhandenen Mikroorganismen-Mischkulturen, und das biologische Abbauverfahren wird in einem mehr stationären Zustand betrieben.
Die aufgezeichneten NFU-Werte im Belüftungsbehälter werden an eine Steuereinrichtung übertragen. Der Sollwert des Steuersystems kann konstant sein oder vorzugsweise gemäß einer vorgegebenen Funktion variieren. Es wird bevorzugt, die vorgegebene Funktion für jedes einzelne Abwasserreinigungsverfahren durch Analyse der stündlichen, täglichen, wöchentlichen und jahreszeitlichen Variationen in der Belastung der Reinigungsverfahrensanlage mit dem biologisch abbaubaren Material zu bestimmen. Die vorgegebene Variation des Sollwerts ist also eine Erfahrungssache, d.h. sie basiert auf beobachteten Tatsachen. Der Sollwert kann also im wesentlichen gemäß der Variation in der Belastung mit dem biologisch abbaubaren Material, wie sie in 11 gezeigt ist, variieren.
Das Ausgabesignal der Steuereinrichtung stellt das schließliche Steuerelement, d.h. eine Regeleinrichtung für die Pumpgeschwindigkeit, ein, wobei eine Veränderung der Dosierungsgeschwindigkeit des Eisen(II)-sulfats, das dem getrennten Strom des industriellen Abwassers, das der chemischen Reaktion unterworfen wird, zugegeben wird, bewirkt.
Es wird in Betracht gezogen, dass die Menge an Fällungschemikalien, d.h. z.B. an Eisen(II)-sulfat, die zu dem Abwasser in einer chemischen Reaktionsstufe gegeben wird, um biologisch abbaubares Material und/oder biologisches Material zu fällen, in der gleichen Größenordnung wie im Fall der Zugabe von Fällungschemikalien auf der Basis des Gehalts an Gesamtphosphor (P) im eingelassenen Abwasser (rohes Schmutzwasser) und im schließlich ausströmenden Wasser (gereinigtes Wasser) liegt. Im Fall einer gewünschten Phosphorkonzentration im schließlich ausströmenden Wasser von 1 bis 2 mg P/l sollte das Molverhältnis aus zugegebenem Metallion und Gesamtphosphor im eingelassenen Abwasser wie folgt sein:

– Gleichzeitige Fällung, Fe(II) oder Al(III), Molverhältnis = 1–1,5
– Vorfällung, Ca(II) + Fe(II), pH-Wert: 8–9, Molverhältnis = 1 oder Vorfällung, Al(III), Molverhältnis = 1–2
– Nachfällung, Al(III), pH-Wert 6,5–7,2, Molverhältnis = 1–2 Wenn dementsprechend die gewünschte Phosphorkonzentration im schließlich ausströmenden Wasser im Bereich von 0,3 bis 0,5 mg P/l liegt, dann sollte das Molverhältnis an zugegebenem Metallion und Gesamtphosphor im eingelassenen Abwasser wie folgt sein:
– Gleichzeitige Fällung, Fe(II) oder Al(III), Molverhältnis = 2 + Kontaktfiltration, Fe(II) oder Fe(III), Molverhältnis = 2
– Nachfällung, Al(IIT), pH-Wert: 5,5-6,5, Molverhältnis = 2 + Kontaktfiltration, Fe(III), Molverhältnis = 2
– Vorfällung, Ca(II) + Fe(II), pH-Wert 9–10, Molverhältnis = 1,5 oder Al(III), Molverhältnis = 2

Vorzugsweise sollten die Konzentration an Sauerstoff und an aktiviertem Schlamm (Biomasse) in der biologischen Behandlungsstufe, d.h. im Belüftungsbehälter, gesteuert werden, um sie bei einer relativ konstanten Konzentration zu halten, und es sollten nur Schwankungen dieser Spiegel innerhalb eines sehr engen Bereiches, zumindest wenn kurze Zeitspannen (z.B. Stunden, Tage) in Betracht gezogen werden, zugelassen werden. Auf lange Zeit können die Spiegel an Sauerstoff und an aktiviertem Schlamm in gewissem Ausmaß langsam ansteigen oder abfallen, ohne ernsthaft die gewünschte mikrobiologische Aktivität der im Belüftungsbehälter vorhandenen Mikroorganismen-Mischkulturen zu schädigen. Da Sauerstoff essentiell für den biologischen Abbauprozess ist, können rasche und starke Schwankungen der Sauerstoffkonzentration die gewünschte Zusammensetzung der Reihe von Spezies der vorhandenen Mikroorganismen zerstören. Unter bestimmten Umständen, d.h. im Fall einer Betriebsweise, die alternierend oxische und anoxische Bedingungen in der biologischen Behandlungsstufe umfasst, ist das erfindungsgemäße Verfahren aber auch anwendbar.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung kann das C/N-Verhältnis (Kohlenstoff/Stickstoff-Verhältnis) der Denitrifizierungsstufe einer Abwasser- oder Schmutzwasserbehandlungsanlage, d.h. die Umwandlung von Nitratstickstoff in gasförmigen (atmosphärischen) Stickstoff, auf der Basis von Messungen/Aufzeichnungen von Schwankungen an NADH oder NADPH, die in der Mikroorganismen-Mischkultur vorhanden sind, in ähnlicher Weise, wie es für die vorstehende Ausführungsform der Erfindung erläutert wurde, gesteuert und/oder optimiert werden, wobei die Fluoreszenzmessungen im Belüftungsbehälter stattfinden. In diesem Fall wird das Licht vorzugsweise bei einer Wellenlänge von etwa 340 nm emittiert, und die Fluoreszenzemission wird bei einer Wellenlänge von etwa 460 nm nachgewiesen.
Das Verhältnis C/N ist ein kritischer Parameter beim Denitrifizierungsverfahren, und das Verhältnis sollte vorzugsweise nicht unter einem bestimmten Wert liegen, der empirisch für eine beliebige tatsächliche Denitrifizierungsstufe einer Abwasserreinigungsanlage bestimmt wird. Eine empirische Faustregel für das gewünschte Verhältnis C/N der Denitrifizierungsstufe besagt, dass, um ein zufriedenstellendes Denitrifizierungsverfahren sicherzustellen, C/N vorzugsweise mindestens 2,5 im Fall von Methanol als Kohlenstoffquelle betragen sollte und dass C/N vorzugsweise mindestens 10 im Fall von aktiviertem Schlamm aus einer primären Absetzbehandlung als Kohlenstoffquelle betragen sollte.
Wenn ein Mangel an ohne weiteres biologisch abbaubarem kohlenstoffhaltigem Material (entsprechend dem "C" im Verhältnis C/N) beim Denitrifizierungsverfahren besteht, dann ist der aufgezeichnete NFU vergleichsweise niedrig oder fällt. Auf der Basis der Informationen, die durch die Fluoreszenzmessung gewonnen werden, kann das Verhältnis C/N durch geeignete Einstellung der relevanten Prozessparameter, die vorstehend erwähnt wurden, gesteuert werden. Üblicherweise wird das Verhältnis C/N durch Zugabe von Material, das ohne weiteres biologisch abbaubare, Kohlenstoff enthaltende Substanzen umfasst, zur Denitrifizierungsverfahrensstufe erhöht.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur quantitativen und/oder qualitativen Bewertung des Gehalts an biologisch abbaubarem Material oder der Schwankungen dieses Gehalts in einem wässrigen System, umfassend eine Mikroorganismen-Mischkultur, wobei das Verfahren Messen der Fluoreszenzemission von einem oder mehreren charakteristischen biogenen Fluorophoren, die in der Mischkultur enthalten sind und die imstande sind, als Indikator(en) des Grads der mikrobiologischen Aktivität der Mischkultur und damit der Menge und/oder der Qualität des biologisch abbaubaren Materials, das in dem wässrigen System vorhanden ist, zu dienen, vorzugsweise von Tryptophan und Tyrosin enthaltenden Proteinen, Tryptophan und Tyrosin enthaltenden Peptiden, Tryptophan und Tyrosin enthaltenden Derivaten von Aminosäuren, Purinen, Pyrimidinen, Nucleosiden, Nucleotiden, Nucleinsäuren, Steroiden und Vitaminen, bei Einstrahlung von Licht, das bei einer Wellenlänge von vorzugsweise mehr als 250 nm, insbesondere 250 nm bis 780 nm, emittiert wird, wobei die Fluoreszenzemission vorzugsweise bei Wellenlängen von mehr als 250 nm, z.B. von 250 nm bis 800 nm, nachgewiesen wird, und Verwenden der gemessenen Werte der Fluoreszenzemission als Basis für die Bewertung umfasst.
Vorzugsweise handelt es sich bei dem charakteristischen biogenen Fluorophor um NADH oder NADPH, und die Schwankungen in der Qualität des biologisch abbaubaren Materials werden vorzugsweise durch online-Messungen der Fluoreszenzemission eines oder mehrerer charakteristischer biogener Fluorophore bewertet.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann in einer Abwasser- oder Schmutzwasserreinigungsanlage für die biologische Behandlung und wahlweise die mechanische und/oder chemische Behandlung von biologisch abbaubarem Material, das in einer wässrigen Umgebung vorhanden ist durchgeführt werden, wobei die Anlage im biologischen Behandlungsabschnitt mindestens einen Sensor umfasst, der imstande ist, die Fluoreszenzemission und/oder Veränderungen davon für mindestens ein charakteristisches biogenes Fluorophor, das in dem biologischen Behandlungsabschnitt vorhanden ist, der eine Mikroorganismen-Mischkultur umfasst, zu messen, wobei die Anlage ferner eine Datenverarbeitungseinrichtung, die mit dem Sensor verbunden ist, wobei die Datenverarbeitungseinrichtung imstande ist, das aufgezeichnete Fluoreszenzemissionssignal in einen Messwert umzuwandeln und diesen Messwert mit dem Sollwert zu vergleichen, und eine Steuerungseinrichtung, die mit der Datenverarbeitungseinrichtung verbunden ist, wobei die Steuerungseinrichtung eingestellt ist, um die biologische und wahlweise die mechanische und/oder chemische Behandlung des biologisch abbaubaren Materials auf der Basis des Signals, das aus der Datenverarbeitungseinrichtung als Ergebnis des darin durchgeführten Vergleichs erhalten wird, zu steuern, umfasst.
Vorzugsweise umfasst die Abwasserreinigungsanlage ferner einen Abschnitt zur Bestimmung der Qualität und/oder Quantität des biologisch abbaubaren Materials, das in der Anlage behandelt werden soll, wobei der Abschnitt folgendes umfasst:

ein biologisches System, das eine Mikroorganismen-Mischkultur und eine Probe des biologisch abbaubaren Materials und mindestens einen Sensor, der imstande ist, die Fluoreszenzemission und/oder Veränderungen davon für mindestens ein charakteristisches biogenes Fluorophor, das in dem biologischen System vorhanden ist, zu messen, umfasst;
eine Datenverarbeitungseinrichtung, die mit dem Sensor verbunden ist, wobei die Datenverarbeitungseinrichtung imstande ist, das aufgezeichnete Fluoreszenzemissionssignal in einen Messwert umzuwandeln und diesen Messwert mit einem vorhergehenden Messwert zu vergleichen, um Schwankungen in der Quantität und/oder Qualität des biologisch abbaubaren Materials zu bewerten; und wahlweise
eine Steuereinrichtung, die mit der Datenverarbeitungseinrichtung verbunden ist, wobei die Steuereinrichtung imstande ist, die biologische und wahlweise die mechanische und/oder chemische Behandlung des biologisch abbaubaren Materials auf die Quantität und/oder Qualität des biologisch abbaubaren Materials auf der Basis des Signals, das aus der Datenverarbeitungseinrichtung als Ergebnis des darin durchgeführten Vergleichs erhalten wird, einzustellen.

Zum Beispiel stellt ein Chemostat, der in Verbindung mit dem Abwassereinlass der Reinigungsanlage angeordnet ist und der erfindungsgemäß betrieben wird, die wesentlichen Informationen über die Qualität des Abwassers im Hinblick auf die An des vorhandenen biologisch abbaubaren Materials, d.h. ob das Material ohne weiteres biologisch abbaubar ist (Materialtyp mit kurzer Kohlenstoffkette) oder nicht ohne weiteres biologisch abbaubar ist (Materialtyp mit mittlerer/langer Kohlenstoffkette), bereit.
Durch Bestimmung der Qualität und/oder Quantität des biologisch abbaubaren Materials, das im einströmenden Abwasser oder in einem Teil des einströmenden Abwassers vorhanden ist, z.B. dem Abwasser, das von industriellen Auslassen zu-geführt wird, können unerwünschte und gelegentlich verheerende Schwankungen der mikrobiologischen Aktivität in der biologischen Behandlungsstufe/den biologischen Behandlungsstufen der Abwasserreinigungsanlage ausgeglichen werden, indem die notwendigen Maßnahmen abhängig von der tatsächlich bestimmten Qualität und/oder Quantität getroffen werden, d.h. durch Steuerung der Qualität und/oder Quantität des biologisch abbaubaren Materials, das der biologischen Behandlungsstufe/den biologischen Behandlungsstufen zugeführt wird. Diese Steuerung kann bewirkt werden, indem einer oder mehrere Verfahrensparameter, auf die Bezug genommen wurde und die vorstehend erörtert wurden, gesteuert werden.
Der genannte Abschnitt für die Bestimmung der Qualität und/oder Quantität des biologisch abbaubaren Materials im Abwasser, das behandelt (gereinigt) werden soll, eignet sich auch zum Nachweis unerwünschter Substanzen und unerwünschten Materials im einströmenden Abwasser, wobei derartige Substanzen schädlich oder gefährlich (oder toxisch) für das sehr empfindliche mikrobiologische Gleichgewicht einer biologischen. Behandlungsstufe ist, die Teil einer Abwasserreinigungsstufe ist. Unter derartigen gefährlichen oder sogar toxischen Substanzen, die oftmals in Abwasser auftreten, können oberflächenaktive Stoffe, organische Lösungsmittel und Schwermetallverbindungen oder – komplexe genannt werden, wobei alle diese Substanzen einen beschränkenden Einfluss auf die mikrobiologische Aktivität ausüben und in schweren Fällen ein Abtöten der Mikroorganismen-Mischkultur oder mindestens derjenigen Spezies der Mischkultur, die üblicherweise eine gewünschte mikrobiologische Aktivität bei der Zersetzung von organischem Material oder organischen Substanzen zeigen, verursachen.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Modifizierung oder Zersetzung eines biologisch abbaubaren Materials, das in einer wässrigen Umgebung vorhanden ist, wobei es das Verfahren umfasst, das biologisch abbaubare Material mindestens einer biologischen Behandlung und wahlweise einer oder mehreren Trennverfahren und/oder chemischen Reaktionen in einer Abwasserreinigungsanlage oder einer Abwasserzersetzungsanlage, wie sie vorstehend definiert wurden, zu unterwerfen.
Vorzugsweise wird nicht ohne weiteres biologisch abbaubares Material durch Zugabe einer wirksamen Menge einer Substanz, die imstande ist, das nicht ohne weiteres biologisch abbaubare Material in Material umzuwandeln oder zu spalten, das leicht durch Mikroorganismen-Mischkulturen assimiliert werden kann, modifiziert, wobei es sich bei der Substanz z.B. um ein Enzym, wie ein hydrolytisches oder proteolytisches Enzym, z.B. eine Lipase, eine Protease, Pepsin, Chymotrypsin, Rennin und eine Amylase, oder eine Esterase, eine Carboxylase, eine Urease, eine Invertase oder Pepsin; ein oxidierendes Mittel; einen anorganischen Katalysator; oder Mikroorganismen, wie Bakterien oder Hefen, handelt.
Beispiel 1
Fluoreszenzemission von NADH in einem Belüftungsbehälter (Bioreaktor) einer Abwasserbehandlungsanlage
Untersuchungen in vollem Maßstab wurden in The Central Purification Plant, Stadt von Holstebro, Dänemark, durchgeführt, einer Abwasserbehandlungsanlage vom herkömmlichen Typ, die mechanische, chemische und biologische Behandlungsstufen umfasst. Ein Flussdiagramm ist in 1 gezeigt. Die Anlage, die ursprünglich für eine Last von 150 000 PE ausgelegt wurde, ist imstande, Siedlungsabwasser und industrielles Abwasser aus der benachbarten Gemeinde zu behandeln. Zum Zeitpunkt der vorliegenden Versuche wurde in der Anlage Abwasser in einer Menge, die ungefähr 225 000 PE entspricht, behandelt.
Ein Hauptteil des industriellen Abwassers wurde über einen getrennten Einlass (mit "West" bezeichnet) der Anlage zugeführt. Dieser Teil machte etwa 40 %, bezogen auf das Volumen, und etwa 60 %, bezogen auf den BSB (biochemischer Sauerstoffbedarf, der täglichen Zufuhr aus.
Die stündlichen Veränderungen der Zufuhrgeschwindigkeit an Wasser und biologisch abbaubarem Material (ausgedrückt als BSB) waren stark. Im Verlauf des Tages konnten die genannten Zufuhrgeschwindigkeiten um das 6-fache variieren.
Der Teil des industriellen Abwassers, der getrennt zugeführt wurde, wurde einer chemischen Fällung durch Zugabe von gelöschtem Kalk und Eisen(II)-sulfat unterworfen. Durch die chemische Behandlung wird der Gehalt an biologisch abbaubarem Material in einer frühen Stufe des gesamten Abwasserreinigungsverfahrens verringert, so dass die spätere biologische Behandlung in den Belüftungsbehältern erleichtert wird.
Der Zweck der Testansätze bestand darin, festzustellen, ob die NADH-Aufzeichnung tatsächlich den Aktivitätsgrad der Mikroorganismen-Mischkultur, die im Belüftungsbehälter vorhanden ist, überwacht und ob eine Veränderung in der tatsächlichen Dosierung der Fällungschemikalien einen Einfluss auf die NADH-Aufzeichnung im Belüftungsbehälter hat. Ferner wurde der Einfluss der tatsächlichen Anordnung der Sensorausrüstung zur Aufzeichnung der Fluoreszenzemission von NADH im Belüftungsbehälter untersucht.
Die Fällungschemikalien wurden direkt in das Abwasser bei einer konstanten Dosiergeschwindigkeit vor der ersten Absetzbehandlung gegeben (vgl. 1).
In den Testansätzen wurde eine Fluoreszenzsensorausrüstung (FluoroMeasure^R- System, bezogen von BioChem Technology Inc., US-Patent 4,577,110) verwendet. Diese besondere Ausrüstung ist für die Verwendung im Labor ausgelegt. Da die Ausrüstung außerhalb verwendet werden sollte, wurde sie in einem eigens entworfenen wasserdichten Kasten angeordnet. Der Kasten wurde ferner mit einer geeigneten Heizeinrichtung ausgestattet, um frostfreie Bedingungen für die Ausrüstung sicherzustellen. Der Kasten wurde im Belüftungsbehälter (vgl. 1 und 2) angeordnet, und der Grad an NADH sowie die Veränderungen davon wurden aufgezeichnet. Die Sonde der Sensorausrüstung wurde in einem Bereich des Belüftungsbehälters angeordnet, wo einströmendes Abwasser und aktivierter Schlamm vollständig gemischt sind und daher der biologische Abbau abläuft. Während der Testansätze wurden die Aufzeichnungen durch keinerlei Fehler gestört. Während der Testphase bestand die einzige Wartung der Sensorausrüstung in einer gelegentlichen Reinigung der Sonde.
Die Betriebsdaten sind nachstehend angegeben: gesamter Einlass:

ca. 25 000 m³/Tag (vgl. 3)
ca. 12 000 kg/Tag BSB (biologisch abbaubares Material, ausgedrückt als biochemischer Sauerstoffbedarf)
ca. 10 000 kg/Tag SS (suspendierte Feststoffe)
ca. 350 kg/Tag P (Phosphor)
ca. 1 200 kg/Tag N (Stickstoff)
getrennter industrieller Einlass:
ca. 10 000 m³/Tag

Gelöschter Kalk (von der Anmelderin, Aktieselskabet Faxe Kalkbrud, Dänemark) wurde zum Abwasser vor der Ausflockung mit einer solchen Dosierungsgeschwindigkeit gegeben, dass der pH-Wert bei 8 (Sollwert) im Abwasser gehalten wurde.
In die Ausflockungsbehälter wurde Eisen(II)-sulfat (von der Anmelderin, Aktieselskabet Faxe Kalkbrud, Dänemark) mit einer mittleren Dosiergeschwindigkeit, die ca. 75 kg Eisen(II)-sulfat/h entsprach, gegeben.
In den Belüftungsbehältern (Bioreaktoren) wurden die Konzentrationen an Sauerstoff bzw. suspendierten Feststoffen mittels herkömmlicher Ausrüstungen konstant gehalten.
Eine Gesamtzahl von 22 Ansätzen wurde von Mitte Februar 1988 bis Ende April 1988 durchgeführt. Die Dauer jedes Tests ist in Tabelle II gezeigt, und während dieser Zeitabschnitte wurden Daten aufgezeichnet.
Tabelle II
Bei jedem Testansatz wurde Licht von der Fluoreszenzsensorausrüstung bei einer Wellenlänge von 340 nm emittiert, und die Fluoreszenzemission aufgrund des Vorhandenseins von NADH wurde bei einer Wellenlänge von 460 nm aufgezeichnet. Die Fluoreszenzemission wurde als NFU (normierte Fluoreszenzeinheiten) aufgezeichnet.
Über eine Schnittstelle wurde die Sensorausrüstung mit einem IBM-Personalcomputer verbunden, der eine Software aufwies, die imstande war, Daten zu sammeln sowie graphische
Darstellungen dieser Daten als Funktion der Zeit zu erzeugen.
Bei allen Testansätzen wurden Veränderungen in NFU aufgezeichnet.
Basierend auf den Graphen, die die Fluoreszenzemission von NADH als Funktion der Zeit zeigen, wurde die Tageszeit für die Aufzeichnung des maximalen bzw. des minimalen Wertes abgelesen, um ein Bild der Veränderungen bei der Belastung mit biologisch abbaubarem Material im Abwassereinlass zu erhalten.
Die Testansätze Nr. 1–6 waren Vorversuche mit dem Zweck, einen ersten Hinweis auf die Möglichkeit der Verwendung der genannten Sensorausrüstung in der Umgebung einer Abwasserbehandlungsanlage zu erhalten. Diese Testansätze erwiesen sich als erfolgreich: die Ausrüstung zeichnete eine Veränderung der Fluoreszenzemission von NADH auf, und es wurde eine tägliche Veränderung von 20 bis 35 % aufgezeichnet.
Im Testansatz Nr. 7 wurde die Sensorausrüstung an drei verschiedenen Orten im Belüftungsbehälter angeordnet. Die Veränderungen der aufgezeichneten Werte betrugen weniger als 10 %, was eine vergleichsweise gleichmäßige Aufzeichnung im Belüftungsbehälter andeutet.
Der Zweck der Testansätze 8–17 und 20–22 bestand darin, mehr Aufzeichnungen der Fluoreszenzemission von NADH unter normalen (variierenden) Bedingungen für die Anlage zu erhalten, um imstande zu sein, diese Daten mit weiteren Betriebsdaten aus der Anlage zu vergleichen. Dieser Vergleich bestätigte, dass die Aufzeichnungen der Fluoreszenzemission tatsächlich den Grad der Aktivität der Mikroorganismen, die zu jedem Zeitpunkt in dem Belüftungsbehälter vorhanden sind, widerspiegelt. Ferner wurden die täglichen und wöchentlichen Veränderungen in der Belastung mit biologisch abbaubarem Material als Ergebnis der Aufzeichnungen untersucht: normalerweise werden minimale Werte an NFU (starke Belastung mit biologisch abbaubarem Material) am späten Nachmittag aufgezeichnet, und maximale Werte an NFU werden spät in der Nacht oder früh am morgen (schwache Belastung mit biologisch abbaubarem Material) aufgezeichnet; an Werktagen ist die Belastung wesentlich höher als an Wochenenden.
In den Testansätzen Nr. 18 und 19 wurde die Menge an Eisen(II)-Sulfat, die in den Ausflockungsbehälter vor der ersten Absetzbehandlung gegeben wurde, von ca. 75 kg Eisen(II)-sulfat/h auf ca. 150 kg Eisen(II)-sulfat/h für eine Zeitspanne von 24 bis 48 Stunden nach dem Beginn jedes Ansatzes verdoppelt. 4 (Ansatz 18) und 5 (Ansatz 19) zeigen die aufgezeichnete Fluoreszenzemission (in NFU) als Funktion der Zeit. Aus den Figuren ist ersichtlich, dass die doppelte Menge an Eisen(II)-sulfat, die zum Abwasser gegeben wurde, zu einer wesentlich geringeren Abnahme (in NFU) in der Mitte des Tages im Vergleich mit den vorhergehenden bzw. folgenden Tagen führt. Die erhöhte Fällung scheint zu einer Verringerung der Belastung der biologischen Behandlungsstufe geführt zu haben, da die aufgezeichneten Werte der Fluoreszenzemission von NADH im Belüftungsbehälter tatsächlich anstiegen. Dieser Einfluss ist sehr interessant, da es als Ergebnis davon möglich ist, das biologische System zu steuern und dabei eine mehr stationäre Belastung mit biologisch abbaubarem Material und eine wirksamere Reinigung des Abwassers zu erzielen.
Aus den Ergebnissen aller Testansätze ist ersichtlich, dass der täglich aufgezeichnete maximale Wert, ausgedrückt als NFU, 57 bis 90 NFU beträgt und dass der tägliche minimale Wert, ausgedrückt als NFU, 15 bis 80 NFU beträgt. ts ist offensichtlich, daß es starke Veränderungen bei den minimalen NFU-Werten gibt.
Der große Unterschied zwischen den minimalen und maximalen Werten beschreibt den Grad der Aktivität der vorhandenen Mikroorganismen, und auf diese Weise charakterisiert der Unterschied die Kapazität der Biomasse. Die minimalen Werte hängen von der Belastung mit biologisch abbaubarem Material des belüfteten biologischen Verfahrens ab. Diejenigen minimalen Werte, die vergleichsweise am niedrigsten sind, sind an den ersten Tagen der Arbeitswoche aufgezeichnet worden. Im allgemeinen kann festgestellt werden, dass diese minimalen Werte zu einem Anstieg im Verlauf der Woche neigen.
Die Aufzeichnungen der Fluoreszenzemission an NADH sind in vollständiger Übereinstimmung mit der genannten Beziehung zwischen NADH und der Belastung der Abwasserbehandlungsanlage mit biologisch abbaubarem Material.
Die Ergebnisse der Untersuchung zeigen, dass es möglich ist, die Veränderungen in der Belastung durch online-Aufzeichnung der Veränderungen des Gehalts an NADH im Belüftungsbehälter zu überwachen. Unter den tatsächlichen Betriebsbedingungen ist gezeigt worden, dass die Messung von NADH in einer umgekehrt proportionalen Beziehung zur tatsächlichen Belastung mit biologisch abbaubarem Material steht. Der Grad der Fällung des einströmenden Abwassers kann auf der Basis einer derartigen Aufzeichnung des Gehalts an NADH und der Veränderungen davon abgeschätzt werden, wobei diese Aufzeichnung on-line Informationen über den Zustand der ablaufenden mikrobiologischen Prozesse bereitstellt.
Beispiel 2
Steuerung der Belastung mit biologisch abbaubarem Material von biologischen Behandlungsstufen in einer Abwasserreinigungsanlage
Der Zweck des Versuches bestand darin, zu bestätigen, dass es möglich ist, die Belastung von biologischen Behandlungsstufen in einer Abwasserreinigungsanlage mit biologisch abbaubarem Material nach dem erfindungsgemäßen Verfahren durch Steuerung der Zugabe von Fällungschemikalien zu steuern.
Im November und Dezember 1988 wurden Testansätze im vollen Maßstab in der gleichen Anlage und im wesentlichen in der gleichen Weise wie die Testansätze von Beispiel 1 durchgeführt: der Kasten mit der Fluoreszenzsensorausrüstung wurde in einem Belüftungsbehälter angeordnet, und die Fluoreszenzemission von NADH wurde aufgezeichnet.
Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren kann die Belastung der Abwasserreinigungsanlage mit biologisch abbaubarem Material on-line durch eine online-Aufzeichnung der Fluoreszenzemission von NADH überwacht werden.
Es ist auch möglich, die Belastung der biologischen Behandlungsstufe, d.h. der Belüftungsbehälter, mit biologisch abbaubarem Material durch chemische Fällung, insbesondere von kolloidalen Teilchen des biologisch abbaubaren Materials, zu verringern.
So wurden auf der Basis der vorstehenden Beziehungen Fällungschemikalien zum Abwasser in der Anlage gemäß dem in 6 gezeigten Prozessteuerungsdiagramm gegeben. Gelöschter Kalk wurde zum einströmenden Abwasser vor der Ausflockung gegeben, und Eisen(II)-sulfat wurde zum Abwasser im Ausflockungsbehälter 1 gegeben.
Betriebsdaten:
Bei der Steuereinrichtung handelte es sich um ein programmierbares Steuersystem (SATT Control Unit (Satt Con 05–35) von Satt Control AB, Schweden).
Die weiteren Ausrüstungsgegenstände (Vorrichtungen für die pH-Wert-Messung, Strömungsmessungen und dergl., Pumpsysteme und dergl.) waren Ausrüstungsgegenstände, die herkömmlicherweise in Abwasserreinigungsanlagen verwendet werden.
Die Menge sowie die Zusammensetzung des gesamten ein-strömenden Abwassers und des getrennt einströmenden industriellen Abwassers, der pH-Wert und die Menge an zugegebenem Eisen(II)-sulfat waren ähnlich wie in Beispiel 1.
Die Dosiergeschwindigkeit von Eisen(II)-sulfat und die Dosiergeschwindigkeit von gelöschtem Kalk waren gesteuerte Variablen des Automationssystems von 6; die Dosiergeschwindigkeit von gelöschtem Kalk wurde auf der Basis des Einlaßstroms und des pH- Werts des Einlaßstroms als gemessenen Variablen gesteuert, und die Dosiergeschwindigkeit des Eisen(II)-sulfats wurde auf der Basis des Einlaßstroms und der NADH-Fluoreszenzemission als gemessenen Variablen gesteuert, wobei der Sollwert der letztgenannten Dosiergeschwindigkeit auf der Basis vorheriger Kenntnisse über die "übliche" Belastung mit biologisch abbaubarem Material (vgl. die Ergebnisse von Beispiel 1 und 11) der Anlage bestimmt wurde, d.h. der Sollwert variierte als eine vorgegebene Funktion der Zeit.
Zum Vergleich zeigen 7 und 8 die getrennten Einlaßströme für industrielles Abwasser (vgl. Beispiel 1) der Anlage für 90 Stunden (ca. 4 Tage) für die beiden Zeitspannen März bis April 1988 und November bis Dezember 1988. Für jede der vorstehenden Zeitspannen sind aufgezeichnete Werte der Fluoreszenzemission von NADH (NFU) im Belüftungsbehälter als Funktion der Zeit (Stunden) in 9 gezeigt. 9 zeigt also einen Vergleich der Aufzeichnungen der Fluoreszenzemission ohne und mit gesteuerter Fällung von biologisch abbaubarem Material (BSB) vor der biologischen Behandlung. Aus den Aufzeichnungen der NADH-Fluoreszenzemission ist ersichtlich, dass das erfindungsgemäße Verfahren herangezogen werden kann, um die Belastung mit biologisch abbaubarem Material der biologischen Behandlungsstufen auszugleichen, so dass eine vergleichsweise gleichmäßige Belastung über den Tag hinweg erzielt wird. Es ist jedoch darauf hinzuweisen, dass 9 lediglich eine angenähert ideale Situation zeigt; Situationen "ohne" und "mit" gesteuerter Fällung sind als Grenzsituationen zu betrachten, da es in der Praxis fast immer unmöglich ist, eine konstante Einlassgeschwindigkeit an biologisch abbaubarem Material sicherzustellen.
Eine gesteuerte primäre Absetzbehandlung ist besonders wertvoll für die Steuerung der Belastung der biologischen Behandlungsstufen (Belüftungsbehälter, Bioreaktoren) einer Abwasserreinigungsanlage.
Das abgesetzte Material aus dem primären Absetzbehälter, d.h. das gefällte biologisch abbaubare Material, kann als Quelle für die anaerobe Herstellung von Biogas dienen. Eine gesteuerte primäre Absetzbehandlung sorgt für einen Anstieg in der Menge sowie der Qualität des gefällten biologisch abbaubaren Materials, und es ist von großem Vorteil für die anaerobe Herstellung von Biogas, wenn das ausgefällte biologisch abbaubare Material eine hohe Qualität aufweist, d.h. dass das biologisch abbaubare Material von einer solchen Beschaffenheit ist, dass der Prozess des biologischen Abbaus des Materials im Vergleich zu anderen Arten von biologisch abbaubarem Material lang andauert.
Beispiel 3
Vergleich der tatsächlichen Belastung einer Abwasserbehandlungsanlage mit biologisch abbaubarem Material und die aufgezeichnete Fluoreszenzemission von NADH
Der Zweck dieses Versuchs bestand darin, die Beziehung zwischen der Belastung einer Abwasserbehandlungsanlage mit biologisch abbaubarem Material und der Fluoreszenzemission von NADH im Abwasser zu zeigen.
Der Versuch wurde in der gleichen Anlage und unter den gleichen Bedingungen wie in Beispiel 1 durchgeführt. Die Fluoreszenzemission von NADH (in NFU) wurde im Belüftungsbehälter aufgezeichnet. Proben des Einlaßstroms an Abwasser wurden auf den BSB₅-Gehalt (biologischer Sauerstoffbedarf, 5 Tage) untersucht, und die Ergebnisse der Analysen und der Aufzeichnungen wurden verglichen.
10 zeigt einen Vergleich der Ergebnisse einer BSB₅-Analyse und der entsprechenden Aufzeichnungen der Fluoreszenzemission als eine Funktion der Zeit. Ein Anstieg in der Belastung mit biologisch abbaubarem Material führt zu einer Abnahme der Fluoreszenzemission des NADH aus den Mikroorganismen-Mischkulturen (Biomasse, aktivierter Schlamm), die im Abwasser vorhanden sind. Wenn die Belastung mit biologisch abbaubarem Material abnimmt, dann kehrt der Grad der Fluoreszenzemission auf den Anfangswert zurück.
Die stündlichen Veränderungen in der Belastung mit biologisch abbaubarem Material sind auf das industrielle Abwasser (mit einem vergleichsweise hohen Gehalt an biologisch abbaubarem Material) zurückzuführen, das in der Anlage behandelt wird. 11 zeigt die Ergebnisse der BSB₅-Analyse von Abwasserproben aus dem Einlass. Die Kurven verdeutlichen die Veränderungen der Belastung mit biologisch abbaubarem Material während des Tages für eine Zeitspanne von 5 Tagen. Es ist ersichtlich, dass es nur geringfügige Veränderungen in der Belastung mit biologisch abbaubarem Material während der Wochenenden gibt, während die Veränderungen an den Werktagen einander ähnlich sind. Derartige Veränderungen in der Belastung mit biologisch abbaubarem Material sind repräsentativ für Abwasserbehandlungsanlagen, in denen Siedlungsabwasser und industrielles Abwasser, das große Mengen an biologisch abbaubarem Material enthält, behandelt werden.
Ferner wird in Betracht gezogen, dass es möglich ist, die Belastung mit biologisch abbaubarem Material einer Abwasserbehandlungsanlage durch Messung der Fluoreszenzemission eines oder mehrerer Fluorophore, z.B. Tryptophan und Tyrosin enthaltender Proteine, Tryptophan und Tyrosin enthaltender Peptide, Tryptophan und Tyrosin enthaltender Derivate von Aminosäuren, Purinen, Pyrimidinen, Nucleosiden, Nucleotiden, wie NADH und NAD(P)H, Nucleinsäuren, Steroiden und Vitaminen, im einströmenden Abwasser der Anlage zu über-wachen, und zwar durch Anordnung der Sonde der Fluoreszenzsensorausrüstung im Einlaßstrom des Abwassers. Es wird in Betracht gezogen, dass es durch Überwachung des einströmenden Abwassers nach dem erfindungsgemäßen Verfahren möglich ist, Informationen über den tatsächlichen Gehalt z.B. an organischen und/oder biologisch abbaubaren Substanzen im einströmenden Abwasser zu sammeln. Derartige Informationen sind besonders wertvoll und können als eine Basis für eine Prozessteuerung der Abwasserbehandlungsanlage, insbesondere für eine Steuerung der chemischen Reaktionen und/oder der biologischen Verfahrensstufen, herangezogen werden. Für diesen Zweck ist es günstig, die Fluoreszenzemission von mehreren Fluorophoren, insbesondere Fluorophoren, die aus der vorstehend genannten Gruppe der Fluorophore ausgewählt sind, aufzuzeichnen.
Beispiel 4
Prozessteuerung eines primären Absetzprozesses in einer Abwasserbehandlungsanlage
Aus den Ergebnissen von Beispiel 3 ist ersichtlich, dass es möglich ist, on-line quantitative Informationen im Hinblick auf den Gehalt an biologisch abbaubarem Material im einströmenden Abwasser einer Abwasserbehandlungsanlage durch Überwachung der Fluoreszenzemission von NADH im Einlass, z.B. im Einlass der biologischen Behandlungsstufen, nach dem erfindungsgemäßen Verfahren zu erhalten.
Es wird also in Betracht gezogen, dass es möglich, eine Vorbehandlung von einströmendem Abwasser, z.B. eine chemische Fällung insbesondere von kolloidalen Teilchen von biologisch abbaubarem Material zu steuern, so dass eine optimale Belastung der biologischen Prozesse, die in der biologischen Behandlungsstufe ablaufen, mit biologisch abbaubarem Material sichergestellt wird. Dies führt zur bestmöglichen Qualität des gereinigten Wassers im schließlich ausströmenden Medium.
Zum Beispiel kann die Steuerung der Vorbehandlung durch Steuerung der chemischen Fällung, d.h. der Dosiergeschwindigkeit der Fällungschemikalien, die zum Abwasser gegeben werden, auf der Basis der online-Informationen über die Konzentration an biologisch abbaubarem Material im ein-strömenden Abwasser stattfinden.
Beispiel 5
Prozeßsteuerung von zurückgeführtem Schlamm und überschüssigem Schlamm in einer Abwasserbehandlungsanlage
Unter Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es auch möglich, die Fluoreszenzemission von NADH in konzentriertem Schlamm zu überwachen. Derartiger konzentrierter Schlamm wird aus den Belüftungsbehältern (Bioreaktoren der biologischen Behandlungsstufen) in einer Abwasserbehandlungsanlage, die biologische Behandlungsstufen umfaßt (vgl. 1), abgegeben. Eine derartige Überwachung ergibt online-Informationen über den Grad der Aktivität des Schlamms, d.h. der vorhandenen Mikroorganismen.
Auf der Basis dieser Überwachung ist es möglich, den Strom von zurückgeführtem aktiviertem Schlamm und die Abgabe (Strom) von überschüssigem Schlamm zu steuern, so dass sichergestellt wird, dass die Belüftungsbehälter (Bioreaktoren) zu einem beliebigen Zeitpunkt eine Menge an aktiviertem Schlamm umfassen, die für eine optimale biologische Behandlung zweckmäßig ist.
Beispiel 6
Überwachung des Auslasses/der Auslasse von Abwasserbehandlungsanlagen
Das erfindungsgemäße Verfahren kann für die Überwachung des schließlich ausströmenden Mediums/der schließlich ausströmenden Medien (gereinigtes ausströmendes Wasser) aus Abwasserbehandlungsanlagen und insbesondere für die Überwachung einer adäquaten Entfernung von Mikroorganismen und biologisch abbaubarem Material, die unweigerlich im einströmenden Abwasser der Anlage vorhanden sind, herangezogen werden. Unter den Mikroorganismen, die im einströmenden Abwasser vorhanden sind, befinden sich auch pathogene Mikroorganismen und andere Mikroorganismen, die üblicherweise das Vorhandensein von pathogenen Mikroorganismen anzeigen. Zum Beispiel kann E. coli als Indikator für das Vorhandensein pathogener Mikroorganismen dienen.
Indem die Sonde der Fluoreszenzsensorausrüstung, wie sie z.B. in Beispiel 1 beschrieben wurde, im schließlich ausströmenden Medium der Anlage angeordnet wird, ist es möglich, eine online-Aufzeichnung der Fluoreszenzemission von einem oder mehreren Fluorophoren, wie Tryptophan und Tyrosin enthaltenden Proteinen, Tryptophan und Tyrosin enthaltenden Peptiden, Tryptophan und Tyrosin enthaltenden Derivaten von Aminosäuren, Purinen, Pyrimidinen, Nucleosiden, Nucleotiden, wie NADH und NAD(P)H, Nucleinsäuren, Steroiden und Vitaminen bereitzustellen. Mit derartigen Aufzeichnungen ist es möglich, Informationen über den Gehalt an lebenden Mikroorganismen, Zellen, abgebauten Zellen, Nebenprodukten der Zellproduktion und dergl. im schließlich ausströmenden Medium zu erhalten. Es wird bevorzugt, wenn der Gehalt an derartigem Material im schließlich ausströmenden Medium so gering wie möglich ist und insbesondere, dass kein Gehalt an pathogenen Mikroorganismen vorhanden ist.
Es ist offensichtlich, dass es durch Anordnung der Sonde der Fluoreszenzsensorausrüstung, wie sie vorstehend beschrieben wurde, möglich ist, Informationen über den Gehalt an biologisch abbaubarem Material, Phosphor enthaltendem Material und dergl. im schließlich ausströmenden Medium zu sammeln. Derartige Informationen können von großer Bedeutung für die Überwachung des Gesamtwirkungsgrads des Abwasserreinigungsverfahrens sein.
Durch eine Überwachung, wie sie vorstehend beschrieben wurde, kann der Prozess der sekundären Absetzbehandlung genau verfolgt werden: es ist möglich, abzuschätzen, ob die Absetzung von suspendierten Feststoffen und Schlamm (Biomasse) in zufriedenstellender Weise abläuft. Auf der Basis dieser Informationen können der Grad der Zurückführung von Schlamm aus der sekundären Absetzbehandlung sowie der Einlass dazu gesteuert werden.
Beispiel 7
Überwachung von Vorflutern
Es wird in Betracht gezogen, dass es möglich ist, eine Fluoreszenzsensorausrüstung, die zur Aufzeichnung der Fluoreszenzemission von einem oder mehreren Fluorophoren, wie Tryptophan und Tyrosin enthaltenden Proteinen, Tryptophan und Tyrosin enthaltenden Peptiden, Tryptophan und Tyrosin enthaltenden Derivaten von Aminosäuren, Purinen, Pyrimidinen, Nucleosiden, Nucleotiden, wie NADH und NAD(P)H, Nucleinsäuren, Steroiden und Vitaminen, imstande ist, in einer Messboje, wahlweise zusammen mit weiteren Ausrüstungsgegenständen, die imstande sind, z.B. die Temperatur, den pH-Wert, den Salzgehalt, die Konzentration an Sauerstoff und dergl. zu überwachen, anzuordnen.
Diese Boje kann in Vorflutern, wie dem Meer, Seen, Flüssen und anderen Wasserwegen, angeordnet werden. Auf diese Weise ist es möglich, die mikrobiologische Aktivität im Wasser in der Nähe der Boje, z.B. das Wachstum von Algen, zu überwachen.
Die Aufzeichnung der Fluoreszenzemission von einem oder mehreren Fluorophoren, wie Tryptophan und Tyrosin enthaltenden Proteinen, Tryptophan und Tyrosin enthaltenden Peptiden, Tryptophan und Tyrosin enthaltenden Derivaten von Aminosäuren, Purinen, Pyrimidinen, Nucleosiden, Nucleotiden, wie NADH und NAD(P)H, Nucleinsäuren, Steroiden und Vitaminen, nach dem erfindungsgemäßen Verfahren kann Informationen z.B. über die Zelldichte und die Wachstumsbedingungen in den Gewässern bereitstellen.
Beispiel 8
Überwachung der Biofiltrationsstufe bei der Vorbehandlung von Leitungswasser
Es ist oftmals erforderlich, Wasser für die Verwendung als Leitungswasser vorzubehandeln, da derartiges Wasser oftmals eine mikrobiologische Aktivität in einem unerwünschten Ausmaß zeigt.
Eine derartige Behandlung kann z.B. die folgenden Stufen und/oder Ausrüstungsgegenstände umfassen: Sandfänger, Kaskade, Sedimentationsbecken, Infiltrationsbecken, Ausflockung, Sandfilter, Aktivkohlefilter, Injektionsbrunnen, Sickergalerie, Extraktionsbrunnen, Belüftung, Dosierung mit pulverisiertem Kohlenstoff, rasche Filtration, sekundäre Belüftung, Spülwassersammelbecken, langsamer Sandfilter und Schlammentwässerung.
Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren kann die mikrobiologische Aktivität im Wasser durch Anordnung einer Fluoreszenzsensorausrüstung z.B. in einer beliebigen der Belüftungsstufen überwacht werden, und auf diese Weise ist es möglich, Informationen über die tatsächliche Entfernung von biologisch abbaubarem Material aus dem Wasser zu sammeln.
Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren kann auch die Qualität des schließlich ausströmenden Mediums, d.h. des Trinkwassers, on-line durch Aufzeichnung der Fluoreszenzemission von einem oder mehreren Fluorophoren, wie Tryptophan und Tyrosin enthaltenden Proteinen, Tryptophan und Tyrosin enthaltenden Peptiden, Tryptophan und Tyrosin enthaltenden Derivaten von Aminosäuren, Purinen, Pyrimidinen, Nucleosiden, Nucleotiden, wie NADH und NAD(P)H, Nucleinsäuren, Steroiden und Vitaminen, im Leitungswasserauslass des Wasserbehandlungssystems überwacht werden.
Beispiel 9
Prozessteuerung für einen biologischen Gaswäscher oder ein Gasabsorptionsverfahren
Eine biologische Gaswäscherausrüstung ist imstande, festes Material, insbesondere in Form von Stäuben oder Nebeln, aus einem Gas durch ein Naßsammelverfahren, d.h. indem eine Flüssigkeit, die imstande ist, das Sammelverfahren zu unterstützen, zugegeben oder im Kreis geführt wird, wobei die Flüssigkeit aktivierten Schlamm enthält, zu entfernen. Biologische Gaswäscher können zum Zweck der Abgasreinigung verwendet werden.
Um den Grad der mikrobiologischen Aktivität nach dem erfindungsgemäßen Verfahren zu überwachen, kann die Sonde der Fluoreszenzsensorausrüstung in einem Behälter mit aktiviertem Schlamm angeordnet werden.
Die Gasabsorptionsausrüstung stellt eine Flüssigkeit bereit, die imstande ist, eine oder mehrere lösliche Komponenten eines Gasgemisches zu absorbieren. Wie biologische Gaswäscher können Gasabsorptionsausrüstungen als integraler Bestandteil von Ausrüstungen genutzt werden, die zum Zweck der Abgasreinigung verwendet werden, z.B. für die Reinigung von Abgasen aus Kraftwerken. Derartige Gasabsorptionsausrüstungen können einen Aufbau aufweisen, der demjenigen von biologischen Gaswäschern entspricht, d.h. die für die Gasabsorption verwendete Flüssigkeit enthält vorzugsweise aktivierten Schlamm, wobei der aktivierte Schlamm imstande ist, mindestens einige der Substanzen, die im Gasgemisch, das von der Flüssigkeit absorbiert wird, vorhanden sind, abzubauen. Es wird in Betracht gezogen, dass die Überwachung des Grads der mikrobiologischen Aktivität nach dem erfindungsgemäßen Verfahren in der gleichen Weise, wie es vorstehend für die biologischen Gaswäscher beschrieben wurde, durchgeführt werden kann.
Es wird also in Betracht gezogen, dass der Grad der Fluoreszenzemission von einem oder mehreren Fluorophoren, wie Tryptophan und Tyrosin enthaltenden Proteinen, Tryptophan und Tyrosin enthaltenden Peptiden, Tryptophan und Tyrosin enthaltenden Derivaten von Aminosäuren, Purinen, Pyrimidinen, Nucleosiden, Nucleotiden, wie NADH und NAD(P)H, Nucleinsäuren, Steroiden und Vitaminen, und Veränderungen davon aufgezeichnet werden können, so dass man online-Informationen erhält, die als Basis für die Steuerung Verfahrensparametern, wie Gasstrom, Abgabe von überschüssigem Schlamm und Grad der Zurückführung, herangezogen werden können.
Beispiel 10
Überwachung der Schlammentwässerungsstufe in einer Abwasserbehandlungsanlage
Eine Abwasserbehandlungsanlage, die eine biologische Behandlungsstufe umfasst, enthält typischerweise eine Schlammentwässerungsstufe (vgl. 1). Der Zweck einer derartigen Schlammentwässerungsstufe besteht darin, entwässerten Schlamm mit einem hohen Gehalt an Trockenmasse bereitzustellen und den entwässerten Schlamm vom zurückbleibenden Wasser zu trennen.
Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es möglich, das Schlamm entwässerungsverfahren durch Anordnen der Sonde einer Fluoreszenzsensorausrüstung im Auslass für das zurück-gewiesene Wasser zu überwachen. Es ist also möglich, die Fluoreszenzemission von einem oder mehreren Fluorophoren, wie Tryptophan und Tyrosin enthaltenden Proteinen, Tryptophan und Tyrosin enthaltenden Peptiden, Tryptophan und Tyrosin enthaltenden Derivaten von Aminosäuren, Purinen, Pyrimidinen, Nucleosiden, Nucleotiden, wie NADH und NAD(P)H, Nucleinsäuren, Steroiden und Vitaminen, aufzuzeichnen.
Auf der Basis derartiger online-Aufzeichnungen kann abgeschätzt werden, ob das Schlammentwässerungsverfahren in zufriedenstellender Weise, d.h. mit einem optimalen Grad, abläuft, da ein Anstieg des Grads der Fluoreszenzemission von einem oder mehreren Fluorophoren, wie Tryptophan und Tyrosin enthaltenden Proteinen, Tryptophan und Tyrosin enthaltenden Peptiden, Tryptophan und Tyrosin enthaltenden Derivaten von Aminosäuren, Purinen, Pyrimidinen, Nucleosiden, Nucleotiden, wie NADH und NAD(P)H, Nucleinsäuren, Steroiden bzw. Vitaminen, einen Anstieg der Mengen an Proteinen und Mikroorganismen (Schlamm, Biomasse), die durchtreten, anzeigt.
Beispiel 11
Fluoreszenzemission von NADH in einem gesteuerten Fermentationsverfahren-Ansprechen auf einen Glucosepuls, der in das Fermentationssystem eingespritzt wird Ein Versuch mit einer Hefe-Nährstoffmangel-Kultur in einem Reaktor wurde durchgeführt, um die vorstehend erläuterte Theorie zu bestätigen, nämlich dass eine Abnahme der relativen Menge an NADH anzeigt, dass das biologisch abbaubare Material eine verringerte biologische Abbaubarkeit aufweist, während ein Anstieg der relativen Menge an NADH eine erhöhte biologische Abbaubarkeit widerspiegelt.
Es wurden die folgenden Bedingungen angewandt: Mikroorganismus: Hefe (DGI 342 von De Danske Spritfabrikker A/S, Kopenhagen, Dänemark (Bäckerhefe); Isolierung von Saccharomyces cerevisiae)
Ein Chemostat wird unter den vorstehenden Bedingungen betrieben. Das Substrat, das kontinuierlich dem Fermenter zugeführt wird, weist eine Konzentration auf, die einen Nährstoffmangel für die Mikroorganismen bedeutet. Nach einer Betriebsdauer von 48 Stunden wird ein Puls von 1,4 g Glucose in den Fermenter eingespritzt.
12 zeigt die entsprechenden Messungen an NFU, pH-Wert und Gehalt an Sauerstoff (in Prozent) im Fermenter in der Zeit von +40 h bis +75 h.
Aus der Figur ist ersichtlich, dass die Aufzeichnung von NFU unmittelbar nach der Glucoseinjektion von ca. 270 NFU auf ca. 320 NFU ansteigt. Dieses Ergebnis betont den Einfluss der Zugabe von ohne weiteres biologisch abbaubaren Kohlenstoffquellen (in diesem Fall wird Glucose verwendet) auch die NADH-Fluoreszenzmessung: ein merklicher Anstieg im aufgezeichneten NFU-Wert. Vom maximalen Wert (dem Peak) fällt das aufgezeichnete NFU-Signal in einer Zeitspanne von ca. 3 Stunden ab, und gleichzeitig findet eine Abnahme des Sauerstoffgehalts statt: Dies hat seine Ursache in einer Übertragung von Energie, die als NADH verfügbar ist, in andere Formen von Energie, die unter den vorherrschenden Bedingungen geeigneter sind.
Die kleineren Peaks (aufgezeichnete NPU-Werte), die nach 52 bzw. 54 Stunden auftreten, können Abbauprodukte zugeschrieben werden und sind in der Literatur beschrieben.

Claims

Verfahren zur Steuerung und/oder Optimierung eines Abwasserreinigungsverfahrens, wobei ein biologisch abbaubares Material umfassendes wäßriges System biologischem Abbau durch eine Mikroorganismen-Mischkultur unterzogen wird, so daß als Endprodukt gereinigtes Wasser mit einer Konzentration an biologisch abbaubarer Masse erhalten wird, die mindestens 5 mal geringer ist als in dem wäßrigen System, wobei das Verfahren umfaßt: Überwachen der mikrobiologischen Aktivität des biologischen Systems aus einer das biologisch abbaubare Material biologisch abbauenden Mikroorganismen-Mischkultur und/oder der Aktivitätsschwankungen durch On-line-Messung der Fluoreszenzemission und/oder Schwankungen darin, für einen in der Mikroorganismen-Mischkultur des Systems vorliegenden charakteristischen biogenen Fluorophor nach Anregung und Steuerung eines oder mehrerer Verfahrensparameter unter Verwendung der Meßergebnisse als Meßvariable(n) bei einem On-line-Automatisierungssystem.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das wäßrige System ein aerobes oder anaerobes System mit Wasser als vorwiegendem Bestandteil darstellt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 2, wobei das wäßrige System aus der Gruppe von städtlichem Abwasser, Industrieabwässern oder verschmutztem Meerwasser gewählt ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Mikroorganismen-Mischkultur aktivierter Schlamm ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der Fluorophor gewählt ist aus der Gruppe von Tryptophan und Tyrosin enthaltenden Proteinen, Tryptophan und Tyrosin enthaltenden Peptiden, Tryptophan und Tyrosin enthaltenden Derivaten von Aminosäuren, Purinen, Pyrimidinen, Nucleosiden, Nucleotiden, Nucleinsäuren, Steroiden und Vitaminen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Anregung mit bei einer Wellenlänge im Bereich von 250 bis 780 nm emittierten Licht ausgeführt wird, und die Fluoreszenzemission bei einer Wellenlänge von 280 bis 800 nm aufgenommen wird.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei die Fluoreszenzemission bei einer Wellenlänge entsprechend einem Peak im Fluoreszenzspektrum aufgenommen wird.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei der Fluorophor ein Nicotinamidadenindinucleotid wie NADH oder MADPH ist.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei die Anregung mit Licht einer Wellenlänge von etwa 340 nm ausgeführt wird und die Fluoreszenzemission bei einer Wellenlänge von etwa 460 nm aufgenommen wird.
Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, wobei einer oder mehrere der Parameter der Abwasserreinigungsverfahren in die Richtung, die den Anteil an biologisch abbaubarem Material in dem wäßrigen System vermindert, gesteuert wird/werden, wenn eine verminderte Fluoreszenzemission aufgezeichnet wird und in die Richtung gesteuert wird/werden, die einen erhöhten Anteil an biologisch abbaubarem Material erlaubt, wenn eine erhöhte Fluoreszenzemission aufgezeichnet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 10, wobei die Verfahrensparameter gewählt sind aus: Belastung mit biologisch abbaubarem Material, Sauerstoffkonzentration, pH-Wert, Temperatur, Trübung, Dosiergeschwindigkeit von chemischen Fällungsmitteln, Dosiergeschwindigkeit von Zersetzung beschleunigenden Mitteln, Geschwindigkeit der Rückführung aktivierten Schlamms, Einlaßfließgeschwindigkeit, Auslaßfließgeschwindigkeit, Rührgeschwindigkeit, Sauerstoffdosierungsgeschwindigkeit, Luftdosierungsgeschwindigkeit (Belüftung) und Gesamtmenge an aktiviertem Schlamm in dem System.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei die die Zersetzung verstärkenden Mittel aus Enzymen, Oxidationsmitteln, anorganischen Katalysatoren und Mikroorganismen gewählt sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, umfassend zusätzlich die Zugabe chemischer Fällungs- oder Flockungsmittel zu dem System vor dem Abbau.
Verfahren nach Anspruch 13, wobei der/die chemische(n) Stoff (e) ausgewählt ist/sind aus: Kalk, Löschkalk und Salzen von zwei- oder dreiwertigen Metallen, wie Eisen(III)-chlorid, Eisen(III)-sulfat, Eisen(II)-sulfat, Aluminiumsulfat, Natriumaluminat, Aluminiumchlorid, Magnesiumcarbonat-hydroxid, Calciumcarbonat und Calcium-hydroxid, aktivierten Silikaten, Guargummi, Stärken, Tanninen, Natriumalginat, Polyaluminiumsulfat, Polyaluminiumhydroxychlorid, synthetischen Polyelektrolyten und Koagulantien.
Verfahren zur quantitativen und/oder qualitativen Bewertung des Anteils an biologisch abbaubarem Material in einem wäßrigen System das eine Mikroorganismen-Mischkultur umfaßt oder der Schwankungen des Anteils, wobei das Verfahren umfaßt: On-line-Messung der Fluoreszenzemission eines charakteristischen biogenen Fluorophors, der in der Lage ist, als Indikator(en) für den mikrobiologischen Aktivitätsspiegel der Mikroorganismen-Mischkultur und damit für die Menge und/oder Qualität des in dem wäßrigen System vorliegenden biologisch abbaubaren Materials zu dienen, wenn mit Licht, emittiert bei einer Wellenlänge im Bereich von 250780 nm, bestrahlt wird und die Fluoreszenzemission bei Wellenlängen im Berich von 250 bis 800 nm aufgenommen wird, um Verwendung der Meßwerte der Fluoreszenzemission als Grundlage für die Bewertung.
Verfahren nach Anspruch 15, wobei der charakteristische Fluorophor gewählt ist aus der Gruppe von Tryptophan und Tyrosin enthaltenden Proteinen, Tryptophan und Tyrosin enthaltenden Peptiden, Tryptophan und Tyrosin enthaltenden Derivaten von Aminosäuren, Purinen, Pyrimidinen, Nucleosiden, Nucleotiden, Nucleinsäuren, Steroiden und Vitaminen.
Verfahren nach Anspruch 15 oder 16, wobei der charakteristische biogene Fluorophor NADH oder NADPH ist.