Toxizitätsmessung

Vertrauen ist gut, Kontrolle ist besser

Toxizität beschreibt die direkte schädliche Wirkung von Substanzen auf Organismen. Da die Giftwirkung im Wasser von vielen Faktoren abhängig ist, werden geeignete Labortests mit repräsentativen Wasserorganismen wie Bakterien, Algen, Krebsen und Fischeiern verwendet. Die Anwendbarkeit und Wirtschaftlichkeit dieser Tests sind sehr unterschiedlich, so dass sich nur wenige Tests für den automatisierten und effizienten Labor- und/oder Online-Betrieb eignen.

Bild: fotolia / Bernd Geller.

Im Bereich der Wasseranalytik erfolgt die toxikologische Bewertung durch die Berechnung der mittleren effektiven Konzentration (EC50) bzw. anhand der letalen Konzentration (LC50). Der EC50-Wert (engl. Effective Concentration) gibt die Dosis an, bei der 50 % der Organismen z. B. in ihrer Atmung gehemmt werden bzw. ein anderer definierter Effekt als der Tod eintritt. Im Gegensatz dazu beschreibt der LC50-Wert (engl. Lethal Concentration) die Dosis eines Stoffes, die für 50 % der Testorganismen tödlich (letal) wirkt. Die Aufnahme von Giftstoffen durch Wasserlebewesen erfolgt u.a. über die Nahrung, die Haut und über Kiemen.

Die Giftigkeit von Stoffen oder Stoffgemischen ist abhängig von verschiedenen Faktoren, wie Art des Giftes, Konzentration, Dauer der Einwirkung, Exposition etc. Aber auch die unterschiedliche Empfindlichkeit der Organismen kann die Giftwirkung beeinflussen. Zudem existieren auch chemisch-physikalische Faktoren im Wasser, wie z.B. pH-Wert, Temperatur und Strömung, die die Organismen sowie die Ausbreitung und Verfügbarkeit der Giftstoffe beeinflussen.

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Eine Gewässervergiftung kann zu Fisch- und Pflanzensterben führen. Im Falle einer Einleitung von toxischen Wässern in eine Kläranlage können diese die Kläranlagenbiologie hemmen oder töten, so dass der Reinigungsprozess ausgesetzt wird. Eine Beeinträchtigung gilt es daher zu vermeiden. Die toxikologische Bewertung von Gewässern erfolgt mit repräsentativen Testorganismen aus den verschiedenen Trophiestufen. Die Tests sind oft schwierig und langwierig und erlauben keine fortlaufende Überwachung nach einer toxischen Beeinträchtigung. Die meisten Testorganismen sterben, was ein autarkes Arbeiten unmöglich macht und Kosten für den Zukauf oder die Zucht verursacht. Deshalb sind automatisierte Verfahren mit schnellen Messergebnissen und geringem Wartungs- und Betreuungsaufwand gefragt.

Nitrifikanten-Toximeter

Bei der biologischen Abwasserreinigung wirken unterschiedliche Gruppen von Mikroorganismen zusammen, um sowohl Kohlenstoff- als auch Stickstoffverbindungen abzubauen. Zu Beginn wird in aeroben und anaeroben Zersetzungsprozessen Stickstoff in Form von Ammonium freigesetzt. Im Anschluss daran wird unter Anwesenheit von Sauerstoff die Umsetzung von Ammonium (NH4+) über Nitrit (NO2-) zu Nitrat (NO3-) realisiert. Diese zweistufige mikrobielle Umsetzung nennt man Nitrifikation. Sie stellt einen entscheidenden Schritt bei der biologischen Stickstoffelimination dar und wird von Bakterien, den sogenannten Nitrifikanten, vollzogen. Da die Nitrifikanten eine sehr geringe Wachstumsgeschwindigkeit besitzen, aber gleichzeitig sehr empfindlich gegenüber Schadstoffen sind, müssen sie vor toxischen Abwasserinhaltsstoffen geschützt werden. Aus diesem Grund wurde von der LAR AG das Nitrifikanten-Toximeter NitriTox entwickelt.

Das Toximeter ist mit einer permanent im Gerät enthaltenen Bakterienzucht ausgestattet. Die verwendeten Nitrifikanten produzieren im Zuchtgefäß (Fermenter) selbständig und konstant Biomasse, von der für jede Messung eine kleine Teilmenge verwendet wird. So steht für jede Messung genügend kultivierte Biomasse zur Verfügung. Durch die Trennung des Fermenters von der Messzelle ist eine Beeinflussung der Bakterien im Fermenter durch toxische Substanzen ausgeschlossen. Bei der Umsetzung von Ammonium zu Nitrit/Nitrat verbrauchen die Nitrifikanten Sauerstoff. Als Toxizitätssignal wird die Sauerstoffverbrauchsrate innerhalb von 5 ... 15 min ermittelt. Das LAR Toximeter misst diese Sauerstoffzehrung. Giftige Inhaltsstoffe der Probe bewirken eine Hemmung dieser Umsetzung, was den Sauerstoffverbrauch sinken lässt. Daraus werden Rückschlüsse auf die Toxizität der Probe gezogen.

Über einen Touchscreen kann der Anwender drei individuelle Warnstufen einstellen, wodurch eine Anpassung an die Anforderungen jeder Applikation möglich ist. Die Methode ist durch eine hohe Reproduzierbarkeit gekennzeichnet.

Überwachung der eigenen Reinigungsleistung

Die Firma Zimmermann Entsorgung GmbH & Co. KG  in Sachsen-Anhalt entsorgt umweltgerecht in der eigenen chemisch-physikalischen Behandlungsanlage pro Jahr ca. 120000 t von nicht brennbaren, wässrigen Stoffen. Das Unternehmen unterliegt Auflagen der nachgeschalteten Kläranlage, so dass die Toxizität (Nitrifikationshemmung) bei einer definierten Verdünnung nicht höher als 50 % sein darf. Zur Sicherstellung dieser Werte wird jeder neue Stoffstrom, mit dem die Anlage noch keine Betriebserfahrungen hat, einem externen Labortest nach DIN EN ISO 9509-L38 unterzogen. Der DIN-Test ist langwierig und dauert 5 ... 7 Tage.

Wenn das Abwasser entsprechend der zugelassenen Verdünnung eine höhere Toxizität als 50 % aufweist, werden im Labor des Entsorgungsbetriebs verschiedene Oxidations- oder Reduktionsmittel bzw. andere Behandlungsschritte eingesetzt, um die Toxizität zu senken. Nachdem ein Erfolg sichtbar ist, also die Toxizität unter 50 % gesunken ist, werden die Behandlungsschritte in der Anlage umgesetzt. Sollte die Toxizität nicht zu senken sein, wird der Abfall nicht verarbeitet. Ziel des Betreibers ist es, sich in Bezug auf die Umweltpolitik von seinen Konkurrenten, die eventuell bestimmte Abfälle annehmen, die er jedoch ablehnt, abzuheben. Er möchte seinen Kunden signalisieren und auch erklären können, warum er bestimmte Abfälle oder Chemikalien nicht abnimmt. Zur ständigen Qualitätskontrolle des Anlagenablaufs bzw. Einleitung in die nachgeschaltete Industrie-Kläranlage wird eine Mischprobe ebenfalls dem DIN-Test in einem externen Institut unterzogen. So ist nachweisbar, dass von Zimmermann Entsorgung in die nachgeschaltete Kläranlage keine stark giftigen Inhaltsstoffe eingeleitet wurden.

Zur Kontrolle der Reinigungsleistung wurden bisher Nitrifikationshemmtestkits eingesetzt, die monatlich Kosten in Höhe von ca. 2500 Euro verursachten. Durch händische Einflussfaktoren sind diese Kits durch hohe Fehlerquoten charakterisiert. Zudem war ein Labormitarbeiter jeden Tag zu 60 % seiner Arbeitszeit mit der Messung beschäftigt. Durch den Einsatz des LAR Nitrifikanten-Toximeters NitriTox werden die Kosten für die Testkits vollständig eingespart. Zusätzlich konnte die Anzahl der durchgeführten Messungen von vorher 3 .... 4 Stück pro Tag, auf mehr als 20 Messungen pro Tag erhöht werden - und das bei einem deutlich geringeren Zeitaufwand. Die Kosten für externe DIN-Tests konnten auf ein nötiges Maß minimiert werden. Insgesamt belaufen sich die Einsparungen durch den Einsatz des NitriTox auf ca. 5600 Euro pro Monat (inkl. Personal).

Der NitriTox ermöglicht akkurate und reproduzierbare Messergebnisse, so dass die Betriebssicherheit verbessert und so die nachgeschaltete Kläranlage optimal geschützt wird. Zusätzlich konnten die Zeitkosten für Labormitarbeiter deutlich reduziert und auf der Gegenseite, aufgrund der Schnelligkeit der Messungen, die Messdichte stark erhöht werden. Ein weiterer Nutzen ist die Reduzierung der bisher extrem hohen Kosten für durchgeführte Toxizitätstests oder Hemmungsuntersuchungen.

Autoren:

Jens-Uwe Schröter
LAR Process Analysers AG
Neuköllnische Allee 134
12057 Berlin
Tel: 030/278958-59
Fax: 030/278958-707
E-Mail: sales@lar.com

Dipl.-Ing. Andreas Schulze, Geschäftsführer
Fa. Zimmermann Entsorgung GmbH & Co. KG
Standort Sachsen-Anhalt

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