Erfahrungen mit UV/VIS-Sonden zur Überwachung der Spurenstoffelimination auf Kläranlagen
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Plattform „Verfahrenstechnik Mikroverunreinigungen“
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Stand: Februar 2018
Erfahrungen mit UV/VIS-Sonden zur Überwachung
der Spurenstoffelimination auf Kläranlagen
Version 1
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Inhaltsverzeichnis:
1 HINTERGRUND ........................................................................................................................ 3
2 WARUM SAGT DAS SAK254 ETWAS ÜBER DIE ELIMINATION DER SPURENSTOFFE
AUS? .......................................................................................................................................... 4
3 WELCHE INFORMATIONEN KANN DER SAK254 LIEFERN? .............................................. 6
3.1 Informationen des SAK254 für die Ozonung ........................................................................................ 6
3.2 Informationen des SAK254 für Aktivkohle-Verfahren ........................................................................... 6
4 PRAKTISCHE HINWEISE ZUM UMGANG MIT UV/VIS-SONDEN ...................................... 8
4.1 Anordnung im Verfahren .................................................................................................................... 8
4.2 Auswahl des Sondentyps..................................................................................................................11
4.3 Einbau ..............................................................................................................................................13
4.4 Tipps für die Ausschreibung .............................................................................................................13
4.5 Wartung / Qualitätssicherung ..........................................................................................................14
5 KOSTEN .................................................................................................................................. 18
6 ALTERNATIVE ZU UV/VIS-SONDEN ................................................................................... 18
7 FAZIT ....................................................................................................................................... 18
Redaktion A. Meier (VSA)
Fachliche Begleitung: Arbeitsgruppe VSA Plattform „Verfahrenstechnik Mikroverunreinigungen“,
C. Abegglen (VSA), C. Bassanello (VSA-Gruppe Messtechnik), M. Böhler
(Eawag), M. Brennecke (Triform), P. Eberhard (ARACOM), J. Fleiner
(Eawag), J. Grelot (VSA), M. Hachenberg (Wupperverband), M. Hofer
(unimon), M. Horisberger (Triform), A. Joss (Eawag), J. Neef (KomS), R.
Pfendsack (ARA Reinach), A. Piazzoli (Envilab), A. Riedener (Sigrist
Photometer), M. Schachtler (ARA Neugut), S. Vogel (Endress und Hauser),
P. Wunderlin (VSA), M. Zbinden (Hach Lange)
Titelbild: SAK254-Sonde ARA Reinach, Foto R. Pfendsack
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1 Hintergrund
Die Reinigungsleistung von Verfahren zur Spurenstoffelimination auf Kläranlagen wird mit
gesetzlich vorgeschriebenen, periodischen Labormessungen von zwölf Leitsubstanzen überwacht.
Da diese Resultate jedoch erst Tage bis Wochen später verfügbar sind, besteht zusätzlich der
Bedarf nach einer Messung vor Ort, um die Spurenstoffelimination im alltäglichen Betrieb zu
überprüfen.
Die direkte Analyse von Spurenstoffen vor Ort ist zu aufwendig und kostspielig. Gegenwärtig gibt
es auf dem Markt keine «Online-Messungen» für Spurenstoffe. Dies ist Gegenstand der aktuellen
Forschung. Daher wurden bereits verschiedene Summenparameter auf deren Korrelation mit der
Elimination von Spurenstoffen untersucht (siehe „Konzepte zur Überwachung der
Reinigungsleistung von weitergehenden Verfahren zur Spurenstoffelimination“ [1]). Daraus
resultierte, dass die Messung des UV-Absorbanz-Signals (trübungskompensiertes Signal), auch
SAK (= spektraler Absorptionskoeffizient) genannt, bei der Wellenlänge 254 nm im Zu- und Ablauf
der Stufe zur Spurenstoffelimination empfohlen wird. Das SAK254 korreliert gemäss den
bisherigen Erfahrungen gut mit der Spurenstoffelimination und weist auch gegenüber dem
Summenparameter DOC (gelöste organische Stoffe) Vorteile auf. UV/VIS-Sonden sind
kommerziell erhältlich und wurden auf einzelnen grosstechnischen Kläranlagen eingesetzt sowie
im Rahmen von Pilotversuchen getestet.
Definitionen:
UV/VIS-Sonden können entweder bei Wellenlängen im gesamten UV- und sichtbaren
Bereich (ca. 200 nm bis ca. 700 nm) messen (Spektralsonden) oder bei einzelnen
Wellenlängen aus diesem Spektrum
UV-Bereich: Wellenlängen 100-380 nm
SAK = Spektraler Absorptionskoeffizient, Einheit Extinktion/Meter [E/m] oder [1/m]
SAK254-Sonden messen den spektralen Absorptionskoeffizienten bei der Wellenlänge
254 nm (Signal trübungskompensiert)
SAK254=((SAK254,Zulauf-SAK254,Ablauf)/SAK254,Zulauf)*100%
Das vorliegende Dokument fasst das vorhandene Wissen zum Einsatz von UV/VIS-Sonden zur
Überwachung der Reinigungsleistung bezüglich Spurenstoffe zusammen. Zukünftig werden in
zahlreichen Projekten UV/VIS-Sonden eingesetzt, wodurch weitere Erfahrungen gesammelt
werden. Das vorliegende Dokument kann daher zu einem späteren Zeitpunkt mit diesen
zusätzlichen Erkenntnissen ergänzt werden.
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2 Warum sagt das SAK254 etwas über die Elimination der Spurenstoffe
aus?
Bei der UV-Absorbanz-Messung schickt man UV-Licht durch eine Abwasserprobe und misst, wie
viel des eingestrahlten UV-Lichts das gereinigte Abwasser durchdringen kann. Je mehr Licht
absorbiert und somit auf der anderen Seite der Abwasserprobe nicht mehr detektiert wird, desto
mehr Fremdstoffe sind in der Abwassermatrix. Zahlreiche gelöste organische Stoffe (DOC) und
davon speziell viele organische Spurenstoffe weisen aromatische Ringe oder Doppelbindungen
auf, welche das UV-Licht bei 254 nm absorbieren (siehe Abbildung 1, Absorbanzspektrum von
Phenol und ähnlichen Substanzen mit aromatischem Ring). Diese Aromaten werden sowohl gut
mit Ozon oxidiert, als auch gut an Aktivkohle adsorbiert (genauere Informationen zum
Messprinzip sind in [1] und [3] enthalten). Allgemein gilt, dass durch die Elimination der
Spurenstoffe diese Molekülstrukturen zerstört respektive aus dem Abwasser entfernt werden.
Dies reduziert folglich den SAK. SAK254
Abbildung 1: Absorbanzspektrum von Phenol und ähnlichen Substanzen [2, ergänzt].
Abbildung 2 und Abbildung 3 zeigen, dass sowohl für Ozon als auch für Aktivkohle eine gute
Korrelation zwischen dem SAK254 und der Elimination von Mikroverunreinigungen (MV) besteht.
Die Korrelation ist jedoch Abwasser-spezifisch. Das bedeutet, dass sie für jede ARA separat
bestimmt werden muss. Zudem können auch saisonale Unterschiede vorkommen, wenn
beispielsweise die Abwasserzusammensetzung stark ändert. Auf der ARA Neugut – die erste ARA
mit dieser online Messung - musste die Korrelation aber nicht saisonal angepasst werden.
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Abbildung 2: Stufenversuch ARA Neugut, einmalig durchgeführt – Korrelation des Mittelwerts der Elimination der zwölf
Leitsubstanzen über die ganze ARA (24h-Sammelproben) zwischen 73 und 93% mit dem SAK254 (=UV) über die
Ozonung bei Trockenwetter, Steuer- und Regelung mittels eines SAK254-Sondenpaars, ein bis drei Tage pro Einstellung,
alles aufeinander folgende Tage, Korrelation R2=0.96, Y=1.64x+0.11 [4]
Abbildung 3: Absorbanzmessung über MV-Stufe (GAK im Wirbelbett) im Vergleich zur Elimination des Mittelwerts der
zwölf Leitsubstanzen über die Pilotanlage (48h Sammelproben), Pilotversuch ARA Penthaz, gemessen mit einer
einzigen SAK254-Sonde (alternierend SAK254,Zulauf und SAK254,Ablauf) (Graphik Triform) [5]
Auswertungen von Spurenstoffmessungen auf der ARA Neugut zeigen, dass sich nicht für alle
zwölf Leitsubstanzen einzeln eine solch gute Korrelation des SAK254 mit der
Spurenstoffelimination wie in Abbildung 2 ergibt. [6] Beispielsweise korrelieren die Elimination
von Candesartan und Methylbenzotriazol schlecht mit dem SAK254. Die Elimination von
Hydrochlorothiazid, Metoprolol, Venlaflaxin und Benzotriazol hingegen lässt sich gut über das
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SAK254 voraussagen. Die beste Korrelation wurde bei [5] und [6] mit allen zwölf Leitsubstanzen
erreicht.
3 Welche Informationen kann der SAK254 liefern?
3.1 Informationen des SAK254 für die Ozonung
Es ist möglich, über das SAK254 eine Ozonung zur Elimination von MV bedarfsgerecht zu steuern
oder zu regeln. Der Ozonverbrauch kann dadurch, verglichen mit einer durchflussproportionalen
Steuerung, reduziert und das Reinigungsziel bedarfsgerechter erreicht werden. Eine solche
Regelungs-Strategie wurde auf der ARA Neugut getestet und wird gegenwärtig angewandt. [4;7]
Ein Vorteil einer solchen Regelung ist, dass der erhöhte Ozonbedarf im Falle hoher Nitrit-
Konzentrationen im Zulauf zur Ozonung automatisch gedeckt wird. Nitrit wird zwar mit dem
SAK254 nicht direkt erfasst (geringe bis keine Absorption), aber es hat einen indirekten Einfluss
auf das SAK254: Nitrit reagiert sehr schnell mit Ozon zu Nitrat und konsumiert daher Ozon, das
dann nicht mehr für die Reaktion mit organischen Stoffen zur Verfügung steht – die SAK-
Abnahme wird dementsprechend verringert. Die SAK-Abnahme kompensiert somit den Einfluss
von Nitrit. [8]
Falls sich aufgrund einer Fehlfunktion Ozon im Ablauf des Ozonreaktors befindet, beeinflusst dies
das SAK254,out-Signal, da auch Ozon bei der verwendeten Wellenlänge stark absorbiert [9]. Auf der
ARA Bülach kam es wegen dieses Effekts bei der Steuerung nach dem SAK254 kurzzeitig zu einer
starken Überdosierung von Ozon (Details dazu in [9]). Dies kann mit einem Limit für die maximale
Ozonzugabe einfach verhindert werden.
3.2 Informationen des SAK254 für Aktivkohle-Verfahren
Eine Steuerung von Aktivkohle-Stufen mit Aktivkohle-Dosierung oder Kombinationen von Ozon
und Aktivkohle über SAK254,in ist möglich, bisher gibt es damit jedoch erst wenig Erfahrungen.
PAK
Im Gegensatz zur Ozonung, wo eine Veränderung der Ozondosis eine sofortige Änderung des
SAK254 verursacht, führt eine Veränderung der PAK-Dosierung zu einer langsameren Änderung
des SAK254. Verfahren mit PAK reagieren aufgrund der langen Verweilzeit der PAK im System
träger als Ozonungen. Es ist noch unklar, ob mit einer Steuerung/Regelung nach dem SAK254 bei
PAK-Verfahren eine massgeblich tiefere Aktivkohle-Dosierung erreicht wird.
Auf der ARA Ravensburg (PAK-Dosierung mit Sedimentation und Filtration, D) wird die PAK-
Dosierung nach dem SAK254,Zulauf-Signal gesteuert. Dabei wurden den SAK254,Zulauf-Werten PAK-
Dosiermengen zugeordnet, sowie eine maximale PAK-Dosiermenge festgelegt. Die Erfahrungen
mit dieser Steuerung sind positiv. Das primäre Ziel der ARA Ravensburg ist CSB-Elimination. Es
liegen jedoch auch Spurenstoff-Messungen vor.
Auf der ARA Herisau (PAK-Dosierung mit Sedimentation und Filtration) mit stark schwankender
Abwasserzusammensetzung aufgrund bedeutender Industriebetriebe im Einzugsgebiet wurde die
UV/VIS-Sonde im Ablauf der Nachklärung vorerst lediglich zur Berechnung einer einmalig
festgelegten Trockenwetter-SAK254-Tagesganglinie verwendet, um den täglichen Verlauf der
Spurenstoff-Fracht annähernd abzubilden (ohne Verwendung einer Korrelation zu MV). Die täglich
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dosierte PAK-Menge ist konstant und wird anhand der Tagesganglinie zugegeben. Die Umsetzung
einer stundenweisen Dosierung nach online SAK254,Zulauf-Werten ist technisch realisierbar, bedingt
jedoch ein stabiles SAK254,Zulauf-Signal resp. ein Konzept, welches die SAK254-Sonde im Zulauf der
PAK-Stufe auf ihre Funktion absichert. Zusätzlich dient der ARA Herisau die Korrelation zwischen
dem SAK254 und der Elimination von Mikroverunreinigungen als tägliches Monitoring des
Betriebes.
Das SAK254 kann bei PAK-Verfahren somit als unabhängiger Kontrollparameter verwendet
werden: Betriebsstörungen wie der Ausfall oder Probleme mit der PAK-Dosierung, der Ausfall
eines Rührers im Kontaktreaktor oder ein Ausfall der Polymer- oder Fällmitteldosierung sind
anhand des SAK254 deutlich zu erkennen.
Die Messung des SAK254 hat sich zudem bei Rührversuchen mit PAK bewährt, um die
Leistungsfähigkeit verschiedener Produkte miteinander zu vergleichen und dadurch die
Produktwahl zu unterstützen und die Qualitätssicherung verschiedener Lieferungen zu
gewährleisten.
GAK im Wirbelbett
Die online SAK-Messungen des Pilotversuchs mit GAK im Wirbelbett auf der ARA Penthaz zeigten,
dass die Reinigungsleistung (bezüglich SAK254) schnell auf die für dieses Verfahren typischen,
periodischen Zugaben frischer GAK reagiert (siehe Abbildung 4) und das Verfahren folglich
gezielte Änderungen der Dosierung bei veränderter Abwasserzusammensetzung zulässt. [5] Diese
SAK254-Messungen erlaubten in diesem Fall wichtige Aussagen zum Funktionsprinzip des
Verfahrens „GAK im Wirbelbett“.
Betriebstage [d]
125 126 127 128 129 130 131 132 133 134 135 136 137 138
0 50
0.2
0.4 45
Abnahme SAK 254 [%]
0.6
Zugabe GAK [kg]
0.8 40
1
1.2 35
1.4
1.6 30
1.8
2 25
Abbildung 4: Einfluss der periodischen Zugabe an frischer Kohle (rot, gemittelt ca. 15 g/m3) auf das online SAK254
über die MV-Stufe, Pilotversuch GAK im Wirbelbett, ARA Penthaz [5]
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GAK im statischen Filter
Die Resultate der grosstechnischen Untersuchungen auf der ARA Bülach Furt deuten darauf hin,
dass das SAK254 auch bei GAK-Filtern als Kontrollparameter zur Erkennung der sinkenden
Reinigungsleistung über die Zeit und folglich des Austausch-Zeitpunkts genutzt werden kann. [10]
4 Praktische Hinweise zum Umgang mit UV/VIS-Sonden
4.1 Anordnung im Verfahren
Für die Ermittlung des SAK254 ist eine Messstelle vor und nach der Reinigungsstufe zur
Spurenstoffelimination, unabhängig vom eingesetzten Verfahren, notwendig.
Im konkreten Fall lohnt es sich zu prüfen, ob die Installation lediglich einer Sonde für den Zu- und
Ablauf der MV-Stufe möglich ist. Dies wurde im Pilotversuch auf der ARA Penthaz so umgesetzt,
wo die Sonde alle 10 Minuten wechselweise mit Zu- respektive Ablauf der MV-Stufe durchströmt
wurde. Ein gezielter Test auf der ARA Bülach zeigte, dass 4 Minuten ausreichen, um einen
stabilen SAK254-online-Messwert zu erhalten [9]. Dies hängt jedoch von der Anzahl Messwerte pro
Minute und der Mittelwertausgabe der Sonde sowie dem Wasseraustausch im System
(Fliessgeschwindigkeit, Schlauchvolumen etc.) ab. In dieser Anordnung fällt ein allfälliger Drift für
beide Messungen identisch aus, wodurch das SAK254 entsprechend weniger beeinflusst wird.
Wenn zwei Sonden eingesetzt werden, ist eine Verbindung der beiden Sonden sinnvoll, damit ein
(automatisierter) Sondenabgleich stattfinden kann [4]. Auf der ARA Neugut sind drei
Sondenpaare im Einsatz, die sich gegenseitig überwachen. Diese hohe Anzahl von Sonden diente
jedoch der Weiterentwicklung der Sonden und wird nicht für den alltäglichen Betrieb benötigt.
Ozonung
Im Fall einer Ozonung wurden die Messstellen in bisherigen Anwendungen (ARA Neugut und ARA
Reinach) im Zu- und Ablauf der Ozonung installiert (siehe Abbildung 5). Der SAK254,Ablauf wurde
somit vor der biologischen Nachbehandlung angeordnet, damit der Zeitversatz zwischen
SAK254,Zulauf und SAK254,Ablauf möglichst gering ist. Die Messung des SAK254,Ablauf nach der
Nachbehandlung ist jedoch auch denkbar. Dies hätte den Vorteil, dass die SAK254,Ablauf-Sonden
einfacher zu warten sind, da die leicht abbaubaren Substanzen aus der Ozonung in der
biologischen Nachbehandlung bereits eliminiert wurden und sich somit weniger biologischer
Bewuchs bildet.
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Abbildung 5: Anordnung UV/VIS-Sonden zur Messung des SAK254 bei der Ozonung, Graphik: VSA-Plattform
PAK
Beim „Ulmer-Verfahren“ (PAK-Dosierung mit Sedimentation und Filtration) kann der SAK254,Ablauf
vor oder nach der Filtration angeordnet werden (Abbildung 6). Nach der Filtration sind gemäss
den Erfahrungen des KomS Verfälschungen der Messergebnisse durch Feststoffe geringer und
eine allfällige Elimination im Sandfilter wird miterfasst. Untersuchungen des KomS zeigen jedoch
auch, dass sich die SAK254-Werte vor und nach der Filtration nur geringfügig unterscheiden. Falls
in der MV-Stufe nur ein Teilstrom und in der Filtration der gesamte Abwasserstrom behandelt
wird, erhält man mit dem SAK254,Ablauf–Signal nach der Filtration eine Aussage zum gesamten
Auslauf und nicht spezifisch zur MV-Stufe. In Abbildung 7 sind die SAK254-Werte an allen drei
eingezeichneten Messstellen auf der ARA Herisau (Teilstrombehandlung) dargestellt.
Abbildung 6: Anordnung UV/VIS-Sonden zur Messung des SAK254 beim „Ulmer-Verfahren“, Graphik: VSA-Plattform
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Abbildung 7: Spektrale Absorption bei 254 nm für die Messstellen Ablauf Nachklärung (blau), Ablauf PAK-Stufe (grün),
Ablauf Filter (braun), zusätzlich die Wassermenge der Umgehung PAK-Stufe (schwarz), ARA Herisau, P. Eberhard
(ARACOM)
Bei einer Dosierung der PAK vor einer Sandfiltration werden die Messung für SAK254,Zulauf im
Ablauf der Nachklärung und diejenige für SAK254,Ablauf im Ablauf des Sandfilters installiert (siehe
Abbildung 8).
Abbildung 8: Anordnung UV/VIS-Sonden zur Messung des SAK254 bei der PAK-Dosierung vor den Sandfilter, Graphik:
VSA-Plattform
Für die Überwachung einer Anlage mit PAK-Dosierung in ein Belebtschlamm-Verfahren müsste die
SAK254,Zulauf-Sonde im Zulauf zur Biologie installiert werden. Dort ist jedoch aufgrund hoher
Konzentrationen organischer Stoffe keine Korrelation zu den Spurenstoffen vorhanden. UV/VIS-
Sonden können an diesem Ort lediglich zur Bestimmung anderer Parameter (z.B. CSB) eingesetzt
werden. Ob eine alleinige SAK254,Ablauf-Messung im Ablauf des Filters oder eine SAK254,Zulauf-
Messung nach ca. dem ersten Viertel des Belebtschlamm-Beckens (dort ist ein Grossteil der
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leicht abbaubaren organischen Substanzen bereits entfernt) wertvolle Informationen zur
Überwachung der MV-Stufe liefern könnten, wurde bisher noch nicht untersucht.
4.2 Auswahl des Sondentyps
Grundsätzlich können UV/VIS-Sonden für jeden Abwassertyp bei nachgeschalteten Verfahren zur
Überwachung der Spurenstoffe eingesetzt werden. Im Fall von hohen Konzentrationen an
Bleichmitteln (z.B. aus Textil-Industrie) muss gemäss Sondenhersteller beachtet werden, dass
UV/VIS-Sonden in diesem Fall eventuell zu hohe Werte liefern. Auch sehr hohe Konzentrationen
an Nitrat können gemäss Erfahrungen des Wupperverbands [11] den SAK massiv beeinflussen.
Gemäss [8] führte bei Laborversuchen eine Erhöhung der Nitratkonzentration um 50 mg Nitrat
pro Liter zu einer Erhöhung des SAK254-Werts um ca. 1/m. Der Einfluss einzelner Substanzen
könnte bei stark variierender Abwasserzusammensetzung problematisch sein und muss bei der
Interpretation der Messergebnisse berücksichtigt werden. Die SAK-Abnahme, die durch die
Oxidation von Nitrit zu Nitrat verursacht wird, ist vernachlässigbar. [8]
Bei der Auswahl der Sonde und der Armatur sind vor allem die Lichtquelle und Wellenlänge, die
Auslegung der Messspaltgrösse, die Reinigung der Sonde, die Art der Datenverarbeitung (z.B.
Anzeigewert in [1/m] am Display), die Trübungskompensation und die Wartungsfreundlichkeit der
Messstelle (manuelle Reinigung und Überprüfung) entscheidend. Die nachfolgenden Abschnitte
liefern zu diesen Einflussfaktoren zusätzliche Informationen.
Lichtquelle
Heute werden hauptsächlich Xenon Blitzlampen oder Quecksilberdampf-Lampen eingesetzt.
Zudem gibt es Sonden, die LED als Lichtquelle einsetzen. Gemäss Sondenhersteller sind zur
Überwachung von MV-Stufen alle genannten Lichtquellen geeignet. Sie haben bei kurzen
Wellenlängen eine ähnliche Lebensdauer und auch die Kosten sind vergleichbar. Die Lichtquellen
unterscheiden sich in der notwendigen Aufwärmzeit, wobei diese für den Dauerbetrieb nicht
relevant ist.
Wellenlänge
Für die Überwachung der Spurenstoffelimination sowohl bei einer Ozonung als auch bei PAK-
Anlagen hat sich die Wellenlänge 254 nm bewährt. Andere, evtl. zusätzliche Wellenlängen geben
Zusatzinformationen, sind aber meist nur bei speziellen Fragestellungen (z.B. zur Detektion
einzelner Farben) notwendig. [12]
Messspalt
Die Breite des Messspalts (siehe Abbildung 9) besagt, welche Wassersäule zwischen Lichtquelle
und –Empfänger ist. Je grösser der Messspalt, desto präziser werden die Messungen. Es muss
aber sichergestellt werden, dass genügend Licht beim Empfänger ankommt. Dies ist eventuell
nicht der Fall bei hoher Trübung. Der Messspalt muss daher auf die Wasserqualität abgestimmt
werden. In nachgeklärtem Abwasser hat sich ein Messspalt zwischen 35 mm und 100 mm
bewährt. Dies entspricht je nach Sondentyp einem Messbereich von ca. 0 – 75 m-1,
beziehungsweise von ca. 0 – 30 m-1. Bei der Auswahl des UV/VIS-Sondentyps sollte darauf
geachtet werden, dass die zu messenden Werte nicht am Rand des Messbereichs liegen, da sich
die Genauigkeitsangabe zur Messsonde z.B. +/-2,5% auf den Endwert des Messbereichs bezieht.
Bei speziellen Fragestellungen wie z.B. auf der ARA Herisau (UV/VIS-Sonden für SAK254, SAK366
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(UV Bereich) und Farbigkeit SAK436, SAK525, SAK620 (VIS Bereich)) ist es allenfalls sinnvoll, durch
den Hersteller vorgängig eine Abwasseranalyse durchführen zu lassen, um sicherzustellen, dass
die Sonden nebst der korrekten Festlegung des Messspaltes für jede Messstelle auch über die
optimale globale Kalibration verfügen.
Abbildung 9: Foto SAK254-Sonde Versuchshalle Eawag, senkrecht durchflossen, Foto Plattform
Reinigung
Bei Anwendungen mit Ozon ist eine automatisierte chemische Reinigung der Sonden (z.B. mit
Phosphorsäure) sehr wichtig, um ein langsames Abwandern (driften) der Messwerte aufgrund der
zu erwartenden Biofilmbildung speziell nach der Ozonung zu verhindern. Für Aktivkohle-
Anwendungen reicht meist eine automatische mechanische Reinigung (z.B. mit Wischer oder
Druckluft) der Sonden aus. Falls viel Eisen eingesetzt wird, ist gemäss Erfahrungen des
Wupperverbands [11] und der Pilotversuche auf der ARA Vidy in Lausanne [13] allenfalls eine
chemische Reinigung nötig. Das Reinigungsintervall muss an die Abwasserqualität angepasst
werden. Im grosstechnischen Versuch auf der ARA Bülach hat sich ein Intervall von 4 Stunden
zwischen den automatischen Reinigungen mit Phosphorsäure und Druckluft sowie eine manuelle,
mechanische Reinigung (durch den Betreiber) pro Woche bewährt [9]. Auf der ARA Herisau wird
zusätzlich zur automatischen Druckluftreinigung wöchentlich manuell mit Säure gereinigt. Die
automatische Druckluftreinigung reicht nicht aus, um die Zielvorgabe für die relative Abweichung
zwischen Sonden- und Laborwerten von +/-10% einzuhalten (siehe Abschnitt Qualitätssicherung).
Auf der ARA Neugut müssen die Sonden dank einer optimierten automatischen Spülung mit
Phosphorsäure lediglich halbjährlich manuell gereinigt werden.
Trübung
Trübung durch ungelöste Stoffe führt dazu, dass das Licht gestreut und dadurch ein höherer SAK
gemessen wird. Viele Sonden (und nicht nur Spektralsonden) kompensieren die Trübung, indem
sie zusätzlich zum SAK254 den SAK bei einer anderen Wellenlänge messen und daraus den
Trübungs-kompensierten SAK254 berechnen. Bei sehr hohen Trübungs-Werten (z.B. bei Sonden im
Ablauf der Nachklärung, während Regenereignissen) kann es vorkommen, dass die automatische
Trübungskompensation nicht mehr ausreicht. Eine Vorfiltration verhindert diese Schwierigkeiten
gemäss den Erfahrungen des KomS und der Eawag [8], die Filter verstopfen jedoch rasch und es
kann zur Verzögerung und Verfälschung des Messresultats kommen [7]. Wenn dieser Effekt bei
der Interpretation der Ergebnisse berücksichtigt wird, kann auf eine Vorfiltration verzichtet
werden. Der Betreiber der ARA Neugut konnte mit einer Durchflussmenge grösser 2 Liter pro
Minute eine Verfälschung des Messwerts aufgrund von vereinzelten Schlammflocken im System
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verhindern. Bei einer höheren Fliessgeschwindigkeit durchfliessen Verunreinigungen die
Messzelle schneller und beeinflussen so das Messsignal nicht merkbar. Bei einer permanent
erhöhten Trübung hat der hohe Durchfluss jedoch keinen Einfluss auf den Messwert.
Für die Wahl der globalen Kalibration des Herstellers auf Spektralsonden mit
Trübungskompensation ist die Trübung der jeweiligen Messstelle gemäss Erfahrungen auf der
ARA Herisau einer der entscheidenden Faktoren. Die Trübung kann ebenfalls einen Effekt auf die
Qualität der automatischen Reinigung mittels Druckluft haben. Alternativ gibt es auch die
Möglichkeit die Messfenster mit automatischen Reinigungsbürsten zu reinigen.
4.3 Einbau
Der Einbau muss sorgfältig durchgeführt werden, damit die Sonden genaue Messwerte liefern.
Gemäss den Erfahrungen auf der ARA Neugut [4] konnte ein stabiles Signal erreicht werden,
wenn beim Einbau auf Folgendes geachtet wurde: Anströmung der Messzelle von unten nach
oben, ein Durchfluss >2 l/min (abhängig vom Messspalt, Fliessgeschwindigkeit ist entscheidend),
um Ablagerungen von Feststoffen vorzubeugen und Verhindern von Luftblasen in der
Probenahmevorrichtung. Die Erfahrungen des KomS und der Eawag bestätigen, dass die
Luftblasen bei geneigtem Einbau oder dem Einbau mit komplett senkrechter Fliessrichtung (siehe
Abbildung 9) entweichen können.
Die Sonden können über einen Bypass (Durchflussarmatur, Abbildung 9) oder getaucht
(Abbildung 10) eingebaut werden. Der Einbau direkt in der Hauptleitung ist grundsätzlich auch
denkbar, wobei noch keine Erfahrungen vorliegen.
Abbildung 10: SAK254,Ablauf-Sonde mit 35mm Messspalt auf der ARA Reinach (LED als Lichtquelle), Oberwynental,
getaucht montiert im darunter liegenden Kanal vor der Sandfiltration, Foto Plattform
4.4 Tipps für die Ausschreibung
In der Ausschreibung der Sonden soll möglichst genau beschrieben werden, an welchen
Messstellen und mit welcher Funktion diese eingesetzt werden sollen. Der Ausschreibungstext
sollte folgende Angaben enthalten (Aufzählung nicht abschliessend):
Messparameter
Messbereich
Messmedium
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Einbausituation (Eintauchsensor im Becken, direkt in der Hauptleitung oder in einem
Bypass)
Anströmung der Sonde
Reinigung
Anordnung der Messumformer (z.B. ablesen des Messwerts vor Ort)
Leitungsmaterial
Anzahl Sonden und zu messende Abwasserströme
…
Zudem ist es sinnvoll, den Einbau der in-situ-Sonden bereits bei der baulichen und mechanischen
Anlageplanung zu berücksichtigen, um Konflikte mit anderen Einbauten (z.B. Kettenräumer im
Sedimentationsbecken) zu verhindern.
4.5 Wartung / Qualitätssicherung
Erste Erfahrungen zeigen, dass der Umgang mit UV/VIS-Sonden speziell zu Beginn Zeit und
Geduld braucht. Es muss zwischen der Wartung der gesamten Messstelle (Sensor, Transmitter,
Armatur, Reinigungseinheit, allenfalls Zuleitungen) und der Wartung des Sensors unterschieden
werden. Die Wartung der Messstelle macht einen Grossteil des Unterhalts aus und ist stark von
den Prozessbedingungen abhängig (primär Reinigung des Sensors und der Armatur), weshalb
hierzu nur bedingt Prognosen gemacht werden können. Bei der Wartung des Sensors sind aber
allgemeine Aussagen durch die Hersteller möglich (Kalibrations-Intervall, Austausch von
Verschleissteilen wie Lampen oder UV-Filter). Der Wartungsaufwand hängt zudem von der
gewünschten Genauigkeit der Messung und somit deren Verwendungszweck ab. Nur bei
sorgfältiger Qualitätssicherung liefern die Sonden ein stabiles Signal.
Qualitätssicherung der UV/VIS-Sonden mittels Vergleich der absoluten Sondenwerte mit Labor-
SAK-Werten
Zur Qualitätssicherung können die Messwerte der Sonden regelmässig mit Messwerten filtrierter
Proben (0.45 μm Membranfilter) des UV/VIS-Spektrometers bei 254 nm im ARA-Labor verglichen
und entsprechend angepasst werden (siehe Beispiel Abbildung 11). Man muss beachten, dass
die meisten SAK-Sonden ohne Vorfiltration betrieben werden und somit online SAK-Messungen
nicht-filtrierter Proben mit filtrierten Laborproben verglichen werden. Abbildung 12 zeigt den
Einfluss der Filtration der Labor-SAK-Messung anhand eines Beispiels.
14Plattform „Verfahrenstechnik Mikroverunreinigungen“
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Abbildung 11: Beispiel einer Qualitätskontrolle, Vergleich SAK254 Onlinewert mit SAK254 Laborwert (filtriert, Zielgrösse
+-10%, Klärwerk Mannheim, Ablauf Sandfilter, Vergleich Messwerte Juli/August (blau) und nach Korrektur der
Messwerte ab September 2014 (orange) [14]
20
18 Filtrierte Proben 0.45
nicht-filtrierte Proben
16
14
Labor-SAK [1/m]
12
10
8
6
4
2
0
0 5 10 15 20
online SAK [1/m]
Abbildung 12: Vergleich online Messungen SAK254 mit SAK254-Messungen mit Labor anhand filtrierter (blau) resp.
nicht-filtrierter (grün) Proben, Pilotversuch ARA Penthaz, Graphik Triform
Zu Beginn kann es sinnvoll sein, täglich die Sondenwerte mit den Laborwerten abzugleichen. Ein
Spektrometer im ARA-Labor zur Messung im UV-Bereich plus die passenden Quarzküvetten
(50 mm, sauber und spülmittelfrei) sind folglich eine Voraussetzung zur Kalibrierung und
Überprüfung der Sonden. Die vorhandenen Photometer in ARA-Labors messen teilweise nur im
VIS-Bereich. In diesen Fällen ist die Anschaffung eines neuen UV/VIS-Spektrometers nötig. Die
Nullmessung erfolgt mit deionisiertem oder destilliertem Wasser. [15]
Beim Einsatz von SAK254-Sonden bei aktivkohlebasierten Verfahren reicht eine relativ geringe
Genauigkeit aus. Der absolute Wert der maximalen Abweichung der Sondenwerte von den
Laborwerten wird je nach Ansprüchen und Verwendung festgelegt. Die ARA Herisau hat
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beispielsweise +/-10% als Zielvorgabe für die relative Abweichung zwischen Sonden- und
Laborwerten festgelegt. Die Labor-SAK-Messungen in 24h Sammelproben wurden in den
allgemeinen Probeplan aufgenommen und ergänzen routinemässig die herkömmliche
Betriebsüberwachung. Es empfiehlt sich zudem, die Abweichung der Sondenwerte von den
Laborwerten in Stichproben (z.B. über 10 min) zu messen.
Sobald die Abweichung der Differenz der SAK254-Messung und den Labormesswerten zum
Sollwert in eine Richtung immer grösser wird (Drift), ist eine gründliche Reinigung nötig. Ein
Messstellen-Drift ist meist auf eine Verschmutzung oder auf eine Veränderung des Fliessregimes
zurückzuführen. Falls nach der Reinigung immer noch eine Abweichung besteht, handelt es sich
um einen Sensor-Drift und der Sensor muss neu kalibriert werden oder es müssen
Verschleissteile am Sensor ausgetauscht werden (Lampen, Filter). Drift kann nur mit
regelmässigem Abgleich der Sondenwerte mit Laborwerten, resp. mit zwei Sonden (siehe unten)
erkannt werden. Speziell wenn die beiden Sonden gegenläufig driften, beeinflusst dies das SAK
stark. Diese Problematik kann mit dem Einsatz lediglich einer Sonde für SAK254,Zulauf und
SAK254,Ablauf (siehe „Anordnung im Verfahren“) reduziert werden.
Qualitätssicherung mittels gegenseitigem Sonden-Abgleich und Vergleich der über das SAK
prognostizierten Reinigungsleistung mit MV-Analysen
Falls lediglich das SAK interessiert, kann allenfalls auf einen Abgleich der absoluten
Sondenwerte mit Labor-SAK-Messungen verzichtet werden. In diesem Fall erfolgt die
Qualitätssicherung über die gegenseitige Kontrolle der eingesetzten Sonden für SAK254,Zulauf und
SAK254,Ablauf (beide Sonden können sowohl Zu- als auch Ablauf messen, oder nur eine Sonde
alternierend verwenden) und den Abgleich der prognostizierten Reinigungsleistung mit MV-
Analysen.
Zur bedarfsgerechten Steuerung- und Regelung einer Ozonung ist gemäss Aussage des
Betriebsleiters der ARA Neugut eine sehr gute Übereinstimmung der UV/VIS-Sonden notwendig.
Für die ARA Neugut ist eine Abweichung der beiden Sonden SAK254,Zulauf zu SAK254,Ablauf von
maximal 0.05 E/m tolerierbar (Auswirkungen geringer Abweichungen siehe Abbildung 13). Der
absolute SAK-Wert ist nebensächlich und ein Abgleich mit Labor-SAK-Werten erübrigt sich auf der
ARA Neugut. Zentral für die ARA Neugut ist die Übereinstimmung der von den online-SAK-
Messungen vorausgesagten MV-Elimination, die auf der Korrelation in Abbildung 2 basieren, mit
dem Mittelwert der Analyse der zwölf Leitsubstanzen (siehe Abbildung 14). Dafür wird eine
Zielvorgabe von minimal +/-3% (idealer +/- 2 %) angestrebt.
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Abbildung 13: Auswirkungen geringer Abweichungen des SAK254,Zulauf und des SAK254,Ablauf auf die mit der
Korrelation in Abbildung 2 berechnete, prognostizierte Elimination der Mikroverunreinigungen (EMV) auf der ARA
Neugut, Graphik M. Schachtler ARA Neugut
Abbildung 14: Vergleich der prognostizierten Reinigungsleistung der online SAK254-Messungen mit Laboranalysen der
MV-Elimination (Mittelwert der zwölf Leitsubstanzen) über die gesamte ARA Neugut zur Qualitätssicherung, Graphik M.
Schachtler ARA Neugut
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5 Kosten
Die Kosten für den Einsatz von SAK254-Sonden beruhen auf Erfahrungswerten und sind lediglich
ein grober Anhaltspunkt.
Notwendige Aggregate Ungefähre Kosten [CHF]
1 SAK254-Sonde mit automatischer Reinigung 15‘000 – 25‘000
inkl. Messumformer, Installation,
Durchflussarmatur, Probenahme-Pumpe,
Engineering, Inbetriebnahme
Exkl. Verrohrung und elektrische Einbindung
UV-Labormessgerät (allenfalls vorhanden oder 8‘000 - 12‘000
nicht nötig)
Tabelle 1: ungefähre Kosten beim Einsatz von SAK254-Sonden zur Überwachung des Reinigungseffekts
6 Alternative zu UV/VIS-Sonden
Statt online Sonden zu installieren ist es auch möglich, rein durch periodische SAK254-Messungen
von 24h-Sammelproben im Labor auf der Kläranlage Informationen über den Spurenstoffabbau
zu erhalten. Diese können zwar nicht für die Steuer- und Regelung eingesetzt werden, geben
jedoch einen guten Anhaltspunkt zur Funktion der MV-Stufe. Beispielsweise haben
Labormessungen der UV-Absorbanzabnahme während des halbtechnischen Pilotversuchs des
KomS auf der ARA Schönau gezeigt, wie die Reinigungsleistung bei einem Abstellversuch
während 3 Tagen kontinuierlich sank und schliesslich auf einem konstanten Wert blieb. [16] Je
nach Verwendungszweck der SAK-Messung reichen daher regelmässige Labor-SAK254-Messungen
aus.
Zur Steuerung/Regelung von Aktivkohle-Verfahren mit Aktivkohle-Dosierung ist auch die
Installation eines TOC-Analyzers im Zulauf zur MV-Stufe eine Möglichkeit.
7 Fazit
Das SAK254 korreliert gut mit dem Abbau von Spurenstoffen und liefert wertvolle Informationen
zur Funktion der MV-Stufe. Durch Steuer- und Regelung von Ozonungen nach dem SAK254,Zulauf
respektive SAK254 lässt sich die Ozonzugabe stark optimieren. Beim Einsatz von Aktivkohle
dienen die SAK254-Sonden entweder zur Steuerung nach SAK254,Zulauf, wobei damit erst wenige
Erfahrungen gesammelt wurden, oder als Ergänzung der Steuer- und Regelung für ein Monitoring
des Prozesses. Die Daten der online Sonden sind eine Ergänzung zu den gesetzlich
vorgeschriebenen Laboranalysen für die Überwachung des Reinigungseffekts.
Da die Qualitätssicherung der UV/VIS-Sonden zur Erstellung eines stabilen Signals aufwendig ist,
muss zumindest während der Inbetriebnahme-Phase mit einem erhöhten Wartungsaufwand
gerechnet werden. Somit soll die Anschaffung der online Sonden gut durchdacht sein. Als
Alternative können die UV-Messwerte aus dem UV/VIS-Spektrometer des ARA-Labors als
Kontrollparameter verwendet werden.
18Plattform „Verfahrenstechnik Mikroverunreinigungen“
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Quellenverzeichnis:
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Reinigungsleistung von weitergehenden Verfahren zur Spurenstoffelimination,
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the presence of congeners by multivariated calibration. Anais da Academia Brasileira
Ciências. vol.73 no.4 Rio de Janeiro.
[3] VSA- Ordner „Messtechnik in der Siedlungsentwässerung“, Kapitel 10.6.3, (2003), (eine
neue Fassung wird 2018 erscheinen)
[4] Schachtler, M., Hubaux, N. (2016). BEAR: Innovative Regelstrategie der Ozonung – UV
Messtechnik für Regelung und Überwachung der Elimination von Mikroverunreinigungen.
Aqua & Gas Nr. 5, S. 84-93.
[5] Triform, essais-pilotes – traitement des micropolluants par charbon actif en micrograins,
2017. rapport micropolluants essai N°1, Version A
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Spurenstoffelimination. Korrespondenz Abwasser Nr. 10.
[7] Fleiner, J. (2015). Praxisanwendung einer online UV-Messung zur Optimierung der
Ozondosierung zur Elimination von Mikroverunreinigungen aus kommunalem Abwasser,
Masterarbeit. In Zusammenarbeit mit der Eidgenössischen Anstalt für Wasserversorgung,
Abwasserreinigung und Gewässerschutz, Eawag, Dübendorf, Schweiz, und der ARA Neugut,
Dübendorf, Schweiz. www.micropoll.ch
[8] Wittmer, A., Ramisberger, M., Böhler, M., Heisele, A., Hollender, J., Mc Ardell, C., Longrée, P.,
Siegrist, H. (2013) UV-Messung zur Regelung der Ozondosis und Überwachung der
Reinigungsleistung – Labor- und halbtechnische Pilotversuche. Eawag, Schlussbericht,
Projekt-Nr. 85341.
[9] Krappmann N., Bachelorarbeit 2017: Praxisanwendung und Test von zwei online UV-Sonden
zur optimierten Ozondosierung und zur Überwachung der Effizienz der Spurenstoffelimination
aus kommunalem Abwasser, Bachelor-Arbeit an der Eawag, Hochschule Weihenstephan –
Triesdorf (D), Erstkorrektor Prof. Dr. - Ing. O. Christ, Zweitkorrektor Dipl. Ing. M. Böhler
(unveröffentlicht).
[10] Wunderlin, P., Joss, A., Fleiner, J. (2017). Zwischenbericht Elimination von Spurenstoffen
durch granulierte Aktivkohle (GAK) Filtration: Grosstechnische Untersuchungen auf der ARA
Bülach Furt, Eawag und Praxispartner, www.micropoll.ch/dokumente/berichte/
[11] Hachenberg, M., Wupperverband, E-Mails 2017.
[12] Eberhard P. und Götz C., (2017). S::can Sonden ARA Bachwis, Präsentation Aracom und
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19Plattform „Verfahrenstechnik Mikroverunreinigungen“
www.micropoll.ch
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[13] Margot, J., Magnet, A., Thonney, D., Chèvre, N., de Alencastro, F., Rossi, L. 2011. Traitement
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[14] Neef, J., 2017: Präsentation Erfahrungen mit SAK-Sonden, Baden-Württemberg, KomS,
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[15] D. Rensch, J. Margot, M. Schachtler, P. Wunderlin (2016). Betriebsüberwachung von Anlagen
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[16] Rössler, A., Metzger, S., 2015. Untersuchungen zur Spurenstoffelimination mittels simultaner
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Spurenstoffe Baden-Württemberg, www.micropoll.ch/dokumente/berichte/
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