Hochempfindlicher Trübungssensor für Kläranlagen

Was sind die Unterschiede zwischen den drei Klarheitsindikatoren in Kläranlagen? Unterscheidung zwischen Trübung, SS und Transparenz

In Kläranlagen werden häufig drei Trübungskenngrößen genannt: Trübung, Sichttiefe und suspendierte Feststoffe (SS). Sie repräsentieren drei verschiedene Dimensionen der Klarheitsbewertung: Massenkonzentration, optische Eigenschaften und sensorische Wahrnehmung. Das Standardtestverfahren für suspendierte Feststoffe ist die gravimetrische Methode, bei der eine Wasserprobe durch eine Filtermembran mit bestimmten Poren geleitet und bis zur konstanten Masse getrocknet wird. Die Maßeinheit lautet mg/L. Theoretisch kann diese Massenkonzentrationskenngröße nicht online überwacht werden und muss getrocknet und gewogen werden. Zu den Substanzen, die die suspendierten Feststoffe beeinflussen, zählen Schluff, Ton und Mikroorganismen mit großem Radius. Trübung ist definiert als das Ausmaß der Lichtstreuung durch in Wasser suspendierte Partikel. Das Standardtestverfahren ist die Streulichtmethode unter 90°, bei der die Fähigkeit suspendierter Partikel, die Lichtausbreitung zu stören, gemessen wird. Die Einheit lautet NTU (bzw. FTU, Formalin-Trübungseinheit). Viele Substanzen beeinflussen die Trübung, darunter Schluff, Mikroorganismen, Algen, partikuläre organische Stoffe und Mikroblasen.

Warum ist die Methode des gestreuten Lichts in 90°-Winkel die gängigste Lösung für die Online-Trübungsmessung?

Bei dieser Methode wird ein gerichteter, paralleler Lichtstrahl aus einer Lichtquelle in eine Wasserprobe eingebracht. Ein Photodetektor befindet sich unter einem Winkel von 90° senkrecht zum einfallenden Licht. Wenn das Licht auf Schwebeteilchen in der Wasserprobe trifft, wird es gestreut. Das gestreute Licht breitet sich in alle Richtungen aus; der Photodetektor erfasst jedoch ausschließlich die Intensität des seitlich gestreuten Lichts, aus der der Trübungswert berechnet wird (die Intensität des seitlich gestreuten Lichts ist proportional zur Konzentration der Partikel im Wasser). Dies ist die gängigste Online-Trübungsmesslösung und wird von führenden Marken im Bereich der Wasserqualitätsüberwachung wie E+H, Hach, JIDE und OPTEX eingesetzt.

Vergleich der Trübungsstandards für Wasserqualität in verschiedenen Ländern

Trübungsstandards verschiedener Länder konzentrieren sich auf drei Bereiche:

1. Trinkwasser (verbindliche Standards, hohe Anforderungen);

2. Oberflächenwasser (klassifiziert nach Gewässerfunktion, in der Regel gemeinsam mit der Trübung überwacht);

3. Industrieabwasser (in der Regel als suspendierte Feststoffe berechnet).

Hier sind Beispiele für Standards aus wichtigen Ländern und Regionen: Der US-EPA-Standard legt fest, dass die Trübung von gewöhnlichem Oberflächenwasser wie Flüssen und Seen zwischen 25 und 150 NTU liegen soll; die Trübung von Trinkwasser darf 1 NTU nicht überschreiten; der Standard für industrielle Einleitstellen betrifft suspendierte Feststoffe (TSS) mit einem Grenzwert zwischen 30 und 100 mg/L.

Chinas Oberflächenwasserstandards sehen eine Trübung unter 25 NTU (Klasse V) und unter 10 NTU (Klasse III) vor. Für Abwasser aus städtischen Kläranlagen, berechnet als TSS, beträgt der strengste Einleitungsstandard weniger als 10 mg/L, während der Grenzwert für die Einleitung in Vorbehandlungsnetze 50 mg/L beträgt; der Trübungsgrenzwert für Trinkwasserauslässe liegt bei 1 NTU.

Das EU-EN-ISO-7027-System legt fest, dass die Leitgrenze für zugeführtes Wasser unter 4 FNU liegt; die Anforderung an konventionelles Abwasser aus kommunalen Kläranlagen, berechnet anhand des Gesamt-Schwebstoffgehalts (TSS), beträgt weniger als 35 mg/L, und für hochwertige, empfindliche Gewässer liegt sie unter 15 mg/L; bei Oberflächenwasser ist eine koordinierte Steuerung von Transparenz und Trübung erforderlich, wobei die Anforderung an Rohwasser im Allgemeinen unter 5 NTU liegt.

Warum sind Ihre Trübungsmessungen stets ungenau?

Schmerzpunkt 1: Industriewasser aus bestimmten Branchen ist gefärbt und weist eine geringe Transparenz auf – typischerweise beispielsweise Kokereiabwasser, Färbereiabwasser oder Abwasser mit hohem Gehalt an groben Partikeln. Dies führt zu instabilen Messwerten der Trübungssensoren mit erheblichen Schwankungen und insgesamt deutlich zu niedrigen Messwerten.

Störmechanismus: Traditionelle Trübungsmesser, die auf dem Prinzip des gestreuten Lichts beruhen, messen die Intensität des Lichtsignals, das zum Detektor zurückkehrt. Ist das Wasser gefärbt, so wird ein Teil des gestreuten Lichts vorzeitig absorbiert, wodurch das vom Detektor empfangene Lichtsignal geschwächt und der Messwert zu niedrig ausfällt. Große suspendierte Partikel können ebenfalls zu Schwankungen der Messwerte führen, wenn sie durch den Lichtübertragungspfad hindurchtreten.

Lösung: Trübungsmesser mit 860-nm-Infrarotlicht vermeiden effektiv Störungen durch Farbe. Gleichzeitig muss ein Algorithmus konfiguriert werden, der ein Verhältnismessverfahren nutzt, um den Lichtsignal-Kompensationsalgorithmus anzupassen und so Fehler durch die Bewegung großer Partikel sowie durch Farbe zu eliminieren. Zu den derzeit gängigsten Modellen mit dieser Lösung zählen der HACH TSS-Sc, der CUS51D Turbimax von E+H sowie der WQ3000-TSS/Turb von JIDE.

Schmerzpunkt 2: Bei fortschrittlichen Abwasserbehandlungsverfahren wie Membranbehandlung, MBR, Vorbehandlung für Umkehrosmose oder Nachklärbecken-Behandlung verringert sich bei sehr klarem Ablauf (typischerweise Trübung unter 1 NTU) die Ansprechgeschwindigkeit des Trübemessgeräts oder steigt die Anzeige plötzlich stark an, obwohl die Wasserprobe stabil ist.

Störmechanismus: Luftblasenstörung. Durch instabile Strömungsgeschwindigkeiten erzeugte Luftblasen beeinträchtigen die Trübemessung bei niedrigen Trübungsgraden erheblich und führen zu falsch hohen Messwerten. Nicht kalibrierte Geräte können chaotische interne Lichtsignale erzeugen, die das ohnehin bereits sehr geringe Streulicht bei der Messung niedriger Trübungsgrade beeinflussen und somit eine verminderte Ansprechgeschwindigkeit des Geräts bewirken.

Lösungen: Einbau eines entschäumungs-Fließbeckens (nach Schwerkraft- oder Druckprinzip) , Optimierung der Strömungskanalgestaltung sowie regelmäßige Nullpunktkalibrierung mit ultrareinem Wasser.

Vor Ort treten zahlreiche weitere herausfordernde Probleme bei der Trübungsmessung auf. Sie können unsere Ingenieure über unsere Website kontaktieren, um diese Fragen weiter zu besprechen. Wir laden Kunden aus verschiedenen Branchen ein, uns Fallstudien zur Verfügung zu stellen, um unsere Produkte zu verbessern und unsere Erfahrung mit Anwendungen vor Ort auszubauen.

Schmerzpunkt 3: Das Trübungsmessgerät ist unmittelbar nach der Kalibrierung äußerst genau, doch bereits nach weniger als einer Woche im natürlichen Wasser/Abwasser schwanken die Messwerte und driften nach oben.

Störmechanismus: Häufige Störungen durch Biofilme in natürlichen Gewässern und Ozeanen oder durch Calcium- und Magnesiumverbindungen, die sich aufgrund der hohen Wasserhärte im Abwasser ablagern. Diese Störungen können die Komponenten für die Lichtübertragung und -empfang leicht verdecken und so die Messergebnisse beeinträchtigen.

Lösung: Wählen Sie ein Trübungsmessgerät mit automatischer Reinigungsbürste. Diese Art von Silikonreinigungsbürste ist langlebig, einfach auszutauschen und kann das optische Fenster bei Bedarf periodisch reinigen, wodurch die Störung durch Biofilme wirksam reduziert wird. Bei Abwasser mit hoher Wasserhärte muss die Wartungshäufigkeit erhöht werden. Wählen Sie ein Trübungsmessgerät, das in korrosionsbeständigen Materialien wie Titanlegierung eingekapselt ist (hier wird die besonders kostengünstige Online-Trübungsmessanlage JIDE WQ3000-turb-Ti mit Titanlegierung und automatischer Reinigungsfunktion empfohlen). Bei der regelmäßigen Wartung kann eine Säurebehandlung Kalzium- und Magnesiumverbindungen wirksam auflösen.

Schmerzpunkt 4: Die Trübungswerte aus Laboruntersuchungen und die Daten des Online-Analysators sind nicht vergleichbar; die Abweichung beträgt mehr als 10 %, sodass keiner der beiden Seiten den Messergebnissen vertrauen kann.

Störmechanismen: Trübung und suspendierte Feststoffe sind dynamische und aktive Parameter, die sich leicht absetzen. Daher ist ein gründliches Schütteln vor der Messung unerlässlich, und ein Magnet-Rührer kann erforderlich sein, um die Messstabilität zu gewährleisten. Bei der Kalibrierung von Online-Trübungsmessgeräten im Labor sollte zudem ein vom Hersteller bereitgestellter lichtdichter Kalibrierbecher verwendet werden, und die Standard-Formalin-Lösung muss in einer vollständig dunklen Umgebung getestet werden, um Störungen durch Umgebungslicht zu vermeiden. Unter bestimmten komplexen Betriebsbedingungen kann – falls eine exakte Übereinstimmung mit den Labor-Messwerten erforderlich ist und das Gerät nicht mit der Standardlösung des Labors kalibriert werden kann (das Laborverfahren basiert möglicherweise auf der Glühlampenmethode statt auf der Infrarotlichtmethode) – die Kalibrierung mit realen Wasserproben erfolgen, um sicherzustellen, dass die Vergleichsergebnisse die Prüfung bestehen.

Wie wählt man einen hochpräzisen Trübungssensor unter komplexen Betriebsbedingungen in Kläranlagen aus?

Im gesamten Prozesssystem einer Industrieabwasseraufbereitungsanlage ist die Trübung ein zentraler Prozessparameter, der unmittelbar die Entfernungswirkung von gesamten suspendierten Feststoffen (TSS), die Schlammsetzleistung, die Überwachung der Einflusswasserqualität sowie die Einhaltung der Ausflusswasserqualitätsstandards widerspiegelt. Manuelle Probenahme und -analyse können keine genaue Rückmeldung zu Schwankungen der Wasserqualität liefern und bergen somit das Risiko einer Überschreitung der Einleitungsstandards. Turbiditätssensoren mit geringer Präzision sind zudem anfällig für verschiedene Störfaktoren wie Farbe, viskose Ablagerungen, organische Stoffe und Luftblasen, was bei langfristigem Einsatz zu häufigen Instabilitäten führen kann – insbesondere unter komplexen Betriebsbedingungen, bei denen die Unsicherheit deutlich zunimmt.

Hochpräzise Trübungssensoren hingegen sind nach Kernüberwachungsprinzipien und technischen Details konzipiert, die darauf abzielen, Störungen zu eliminieren sowie potenzielle Messdrift und -fehler zu minimieren. In diesem Abschnitt werden als Beispiele der Trübung/Feststoff-Analysator der WQ3000-Serie von JIDE sowie das niedrigbereichsorientierte Trübungs-Messgerät 1720E von Hach für Kläranlagen herangezogen.

Der Trübung/Feststoff-Analysator der JIDE-WQ3000-Serie verwendet eine Nahinfrarot-LED-Lichtquelle mit einer Wellenlänge von 860 nm, die in das Wasser eindringt und dabei unbeeinflusst bleibt von der gelblich-braunen Farbe des Abwassers oder der Farbigkeit färbereichhaltigen Abwassers – wodurch die inhärenten Fehler einer Sichtlichtdetektion vermieden werden.

Ein photoelektrisches Empfangsmodul ist im Winkel von 90° senkrecht zum einfallenden Licht positioniert, um gezielt das seitlich gestreute Licht zu erfassen, das durch suspendierte Feststoffe und kolloidale Partikel im Wasser erzeugt wird.

Die Intensität des gestreuten Lichts ist linear proportional zur Trübung des Wassers. Der Chip wandelt die Trübung unter Verwendung einer Temperaturkompensation und eines Algorithmus zur Filterung präzise in die Standard-Trübeeinheit NTU um.

Das Schaltungsdesign enthält ein Isolationssystem, um Störungen durch Umgebungslicht zu verhindern, und erreicht so eine extrem hohe Messgenauigkeit im Bereich niedriger Trübung (0–50 NTU) mit einer Auflösung von bis zu 0,01 NTU.

Der Hach 1720E-Turbiditätsmesser für niedrige Turbiditätswerte arbeitet nach dem Verfahren der gestreuten Lichtmessung in 90°-Richtung und verfügt über ein Entschäumungs- und Entgasungssystem, um die Störwirkung von Luftblasen bei der Turbiditätsmessung im niedrigen Messbereich wirksam zu eliminieren. Dieses Gerät weist einen Messbereich von 0–100 NTU und eine Genauigkeit im Bereich niedriger Turbiditätswerte von 0,001 NTU auf und eignet sich daher zur Überwachung von Trinkwasser nach höchsten Qualitätsstandards sowie von Ablaufwasser nach den strengsten Einleitungsstandards. Dieses Produkt besitzt derzeit den größten Marktanteil und genießt in der Branche hohe Anerkennung; allerdings neigen einige Feldprobenbehälter zur Verkalkung und erfordern häufige Wartung – dies sind Probleme, die von der Branche berichtet wurden. Zudem stellt das Gerät weiterhin bestimmte Anforderungen an die vor Ort vorhandene Wasserqualität.

Vergleichs- und Auswahlhilfe

Messmethoden	Kernprinzipien	Vorteile	Nachteile/Einschränkungen	Anwendungsszenarien in Kläranlagen
streuverfahren in 90°-Richtung	Erfassung des seitlich gestreuten Lichts in 90°-Richtung	Kompatibel mit sowohl hohen als auch niedrigen Messbereichen; äußerst hohe Genauigkeit bei der Messung niedriger Trübungswerte	Skalen-/Luftblasen-Störungen müssen berücksichtigt werden.	Standardüberwachung der Einlauf- und Auslaufwasserqualität
Übertragungsmethode	Messung der Abschwächung des in das Wasser eindringenden Lichts	Geeignet für grundlegende Messungen hoher Trübungswerte	Schlechte Empfindlichkeit im Bereich niedriger Trübungswerte; stark anfällig für Farbstörungen.	Nicht geeignet für eine feine Überwachung des Abwassers
Rückstreuverfahren	Erfassung gestreuten Lichts in einem nahezu 180°-Weitwinkelbereich	Sehr gut geeignet für Messungen bei ultra-hohen Konzentrationen	Schlechte Linearität im Bereich niedriger Trübung.	Nur für hochkonzentrierte Schlamm- und Zulaufproben geeignet