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Kleine Helden geben Alarm

Schneller und automatisierter Toxizitätstest im Labor
Kleine Helden geben Alarm

Die Giftwirkung von schädlichen Substanzen im Wasser hängt von vielen Faktoren ab. Tests zur Messung der Toxizität sind daher schwierig und nur wenige eignen sich für den automatisierten und effizienten Labor- und/oder Online-Betrieb. Einer davon ist das Nitrifikanten-Toximeter von LAR. Es liefert genaue und reproduzierbare Messergebnisse mithilfe von vielen kleinen Helden, die bei vorhandenen toxischen Substanzen Alarm geben.

Die Autoren: Jens-Uwe Schröter Vertriebsleiter Inland, LAR Process Analysers Dr. Christiane Schönborn Laborleitung, Gemeinschaftsklärwerk Betriebsgesellschaft

Die toxikologische Bewertung erfolgt im Bereich der Wasseranalytik 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 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 wirkt. Die Aufnahme von Giftstoffen durch Wasserlebewesen erfolgt 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. Der Entwicklungs- und Gesundheitszustand spielt ebenfalls eine wichtige Rolle. So kann eine vorangegangene Schwächung der Organismen die toxische Wirkung verstärken. Zudem existieren chemisch-physikalische Faktoren im Wasser, die die Organismen sowie die Ausbreitung und Verfügbarkeit der Giftstoffe beeinflussen. Parameter wie pH-Wert, Temperatur, Strömung, Sauerstoff- und Salzkonzentration können den Stoffwechsel einschließlich der Aufnahme, Verteilung, Abbau und Ausscheidung der giftigen Substanzen verändern.
Eine Gewässervergiftung kann zu Fisch- und Pflanzensterben führen. 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. Am empfindlichsten gegenüber Giftstoffen reagieren die sog. Nitrifikanten, die unter Anwesenheit von Sauerstoff die Umsetzung von Ammonium (NH4+) über Nitrit (NO2-) zu Nitrat (NO3-) realisieren und damit für den entscheidenden Schritt bei der biologischen Stickstoff-elimination verantwortlich sind. Da die Nitrifikanten zudem eine sehr geringe Wachstumsgeschwindigkeit besitzen, müssen sie vor toxischen Abwasserinhaltsstoffen geschützt werden. Aus diesem Grund entwickelte LAR das Nitrifikanten-Toximeter NitriTox, das gegenüber anderen Tests erhebliche Vorteile besitzt.
Das Toximeter ist mit einer permanent im Gerät enthaltenen, hochempfindlichen Bakterienzucht ausgestattet. Die verwendeten Nitrifikanten produzieren im Fermenter selbstständig und konstant Biomasse. Durch die Trennung des Fermenters von der Messzelle stehen für jede Messung – die eine kleine Teilmenge der kultivierten Biomasse verwendet – genügend nitrifizierende Bakterien zur Verfügung. Eine Beeinflussung der Bakterien im Fermenter durch toxische Substanzen ist ausgeschlossen.
Bei der Umsetzung von Ammonium zu Nitrit/Nitrat verbrauchen die Nitrifikanten Sauerstoff. Als Toxizitätssignal wird die Sauerstoffverbrauchsrate innerhalb von 5 bis 15 min ermittelt. Das Toximeter misst diese Sauerstoffzehrung. Giftige Inhaltsstoffe der Probe bewirken eine Hemmung, was den Sauerstoffverbrauch sinken lässt. Daraus werden Rückschlüsse auf die Toxizität der Probe gezogen.
Über einen 10,4“-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.
Schutz der Biologie einer Kläranlage
Eine große Industriekläranlage in Sachsen- Anhalt betreibt eine zweistufige aerobe Reinigung. In der 1. Stufe der Biologie soll der chemische Sauerstoffbedarf (CSB) des Industrieabwassers abgebaut werden, vor allem solche Abwasserinhaltsstoffe, die die Nitrifikation hemmen. In der nachgeschalteten 2. Stufe erfolgen die Abreinigung der verbliebenen Kohlenstoffbelastung und die Nitrifikation. In der Vergangenheit traten Störungen durch Einleitungen auf, die zu einem Anstieg der Ammonium-Konzentration innerhalb der 2. Stufe führten. Der Betreiber vermutete einen Zusammenhang zwischen Nitrifikantentoxizität und dem CSB-Abbau in der 1. Stufe. Dies konnte im Rahmen einer Messreihe am NitriTox nachgewiesen werden: Je höher die Rest-CSB-Konzentration am Ablauf der 1. Stufe ist, umso größer ist auch die Nitrifikationshemmung. Bei CSB-Ablaufwerten der 1. Stufe zwischen 200 und 600 mg/l bewegt sich die Toxizität zwischen 0 und 60 %. Die schnellen Ergebnisse des Nitrifikanten-Toximeters helfen, die Belüftung in der 1. Stufe zu optimieren, um einen ausreichenden Abbau zu ermöglichen und so die 2. Stufe effektiv vor Toxizität zu schützen.
Ein weiterer Grund für die Anschaffung des Nitrifikanten-Toximeters war, dass bei einem Störfall der NitriTox hilft, den Verursacher schnell einzugrenzen. Bisher waren hierfür externe DIN-Labortests notwendig, die rund eine Woche dauern.
Der Parameter „Nitrifikationshemmung“ wurde neu in die „Allgemeinen Entsorgungsbedingungen“ des an die Kläranlage angeschlossenen Chemieparks aufgenommen. Dafür entfiel der sogenannte GL-Wert, der die Hemmung der Leuchtintensität von Bakterien angibt. Dieser hatte sich bei der Beurteilung von Störfällen als wesentlich weniger aussagefähig erwiesen.
prozesstechnik-online.de/cav0813440
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