DWA- Regelwerk Merkblatt DWA-M Prozessmesstechnik auf Kläranlagen Teil 4: Messeinrichtungen zur Bestimmung des

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1 DWA- Regelwerk Merkblatt DWA-M Prozessmesstechnik auf Kläranlagen Teil 4: Messeinrichtungen zur Bestimmung des ph-wertes und des Redoxpotentials November 2013 Deutsche Vereinigung für Wasserwirtschaft, Abwasser und Abfall e. V.

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3 DWA- Regelwerk Merkblatt DWA-M Prozessmesstechnik auf Kläranlagen Teil 4: Messeinrichtungen zur Bestimmung des ph-wertes und des Redoxpotentials November 2013 Herausgabe und Vertrieb: Deutsche Vereinigung für Wasserwirtschaft, Abwasser und Abfall e. V. Theodor-Heuss-Allee Hennef Deutschland Tel.: Fax: Internet:

4 Die Deutsche Vereinigung für Wasserwirtschaft, Abwasser und Abfall e. V. (DWA) setzt sich intensiv für die Entwicklung einer sicheren und nachhaltigen Wasser- und Abfallwirtschaft ein. Als politisch und wirtschaftlich unabhängige Organisation arbeitet sie fachlich auf den Gebieten Wasserwirtschaft, Abwasser, Abfall und Bodenschutz. In Europa ist die DWA die mitgliederstärkste Vereinigung auf diesem Gebiet und nimmt durch ihre fachliche Kompetenz bezüglich Regelsetzung, Bildung und Information sowohl der Fachleute als auch der Öffentlichkeit eine besondere Stellung ein. Die rund Mitglieder repräsentieren die Fachleute und Führungskräfte aus Kommunen, Hochschulen, Ingenieurbüros, Behörden und Unternehmen. Impressum Herausgeber und Vertrieb: DWA Deutsche Vereinigung für Wasserwirtschaft, Abwasser und Abfall e. V. Theodor-Heuss-Allee Hennef, Deutschland Tel.: Fax: Internet: Satz: DWA Druck: Meier Druck ISBN: Gedruckt auf 100 % Recyclingpapier DWA Deutsche Vereinigung für Wasserwirtschaft, Abwasser und Abfall e. V., Hennef 2013 Alle Rechte, insbesondere die der Übersetzung in andere Sprachen, vorbehalten. Kein Teil dieses Merkblattes darf ohne schriftliche Genehmigung des Herausgebers in irgendeiner Form durch Fotokopie, Digitalisierung oder irgendein anderes Verfahren reproduziert oder in eine von Maschinen, insbesondere von Datenverarbeitungsmaschinen, verwendbare Sprache übertragen werden. 2 November 2013 DWA-Regelwerk

5 Vorwort Messeinrichtungen zur Bestimmung des ph-wertes und des Redoxpotentials basieren beide auf dem etablierten Verfahren der Potentiometrie. ph-messeinrichtungen werden vor allem zur Kontrolle des Kläranlagenzulaufs und zur Überwachung der Nitrifikation eingesetzt sowie auch zur Überwachung der Schlammfaulung verwendet. Dazu kommen Einsatzfälle bei der Prozesswasserbehandlung (Deammonifikation) und bei der industriellen Abwasserbehandlung (Neutralisation). Die Redoxmessung kann zur Automatisierung der Belüftung bei einem sequentiellen Nitrifikations-/ Denitrifikationsprozess verwendet werden. Die bereits in Teil 1 Allgemeine Anforderungen der Merkblattreihe dargestellten Entwicklungen im Bereich der Datenverarbeitung (Digitalisierung) machten eine Neufassung des Teils 4 des Merkblattes ATV-DVWK-M 256 aus dem Jahre 2001 erforderlich. Die Neuausgabe wurde dazu genutzt, wichtige Hintergrundinformationen und Betriebshinweise einzuarbeiten. Der Einsatz der in den Teilen 1 bis 8 beschriebenen Prozessmessgeräte hat naturgemäß einen finanziellen Aufwand zur Folge, was sich sowohl auf die Investition als auch auf den Betrieb bezieht. Mithilfe der in Merkblatt DWA-M Prozessmesstechnik auf Kläranlagen Teil 1: Allgemeine Anforderungen vorgelegten Übersicht über sinnvolle Messorte und Messgrößen ist ein effizienter Einsatz von Prozessmesstechnik möglich. Darüber hinaus ist die zunehmende Verbreitung von Messgeräten mit digitaler Technik eine Voraussetzung zu einer Minimierung des Aufwandes für die erforderlichen Messungen. Richtig eingesetzt, ist der mögliche Nutzen der Prozessmessgeräte in Bezug auf Kosten als auch auf die Qualität der Abwasserreinigung deutlich höher als der damit verbundene Aufwand (siehe Merkblatt DWA-M 256-1, Unterabschnitt 3.3). Frühere Ausgaben Merkblatt ATV-DVWK-M (02/2001) DWA-Regelwerk November

6 Verfasser Das Merkblatt wurde von der DWA-Arbeitsgruppe KA-13.3 Betriebsmesseinrichtungen auf Kläranlagen und dem DWA- Fachausschuss KA-13 Automatisierung von Kläranlagen erstellt, der folgende Mitglieder und Gäste angehören: GAHR, Achim HONOLD, Frank KELLER, Steffen PACHALY, Uta REICHERT, Joachim WORRINGEN, Werner Dr. rer. nat., Gerlingen Dr. rer. nat., Weilheim Dr.-Ing., Berlin (Sprecher) Dipl.-Phys.-Ing., Ratingen Mitglieder und Gäste im DWA-Fachausschuss KA-13 Automatisierung von Kläranlagen : ARNOLD, Jan-Ulrich Dr. rer. nat., Bergisch Gladbach ARNOLD, Jan-Dirk Dipl.-Ing., Bergisch Gladbach BAUMANN, Peter Dr.-Ing., Pforzheim BLÖHM, Ulrich GAHR, Achim Dipl.-Ing., Gerlingen HANSEN, Joachim Prof. Dr.-Ing., Luxemburg HARTWIG, Peter Dr.-Ing., Hannover JUMAR, Ulrich Prof. Dr.-Ing., Magdeburg KELLER, Steffen OBENAUS, Frank Dr.-Ing., Essen (Obmann) PACHALY, Uta REICHERT, Joachim Dr.-Ing., Berlin SCHEIERMANN, Thomas Dipl.-Ing., Essen THÖLE, Dieter Dr.-Ing., Essen WORRINGEN, Werner Dipl.-Phys.-Ing., Ratingen Projektbetreuerin in der DWA-Bundesgeschäftsstelle: BUDEWIG, Stefanie Dr. agr., Hennef Abteilung Wasser- und Abfallwirtschaft 4 November 2013 DWA-Regelwerk

7 Inhalt Vorwort... 3 Verfasser... 4 Bilderverzeichnis... 6 Tabellenverzeichnis... 6 Benutzerhinweis Anwendungsbereich Vorbemerkungen Zielsetzung Geltungsbereich Begriffe Kurzzeichen Definitionen Messgrößen ph Redoxpotential Messverfahren Potentiometrie als Grundprinzip der ph- und Redoxmessung Messverfahren für den ph-wert Grundlagen der ph-messung Aufbau von ph-elektroden Temperaturkompensation von ph-sensoren Messverfahren für das Redoxpotential Referenzelektroden Applikationshinweise Messort Anforderungen Hinweise Technische Merkmale Betriebsverhalten Einsatzbedingungen Handhabung Instandhaltung Service Betrieb Allgemeines Instandhaltung Inspektion (inkl. Justierung/Kalibrierung) Wartung Instandsetzung Explosionsschutz DWA-Regelwerk November

8 Recht Europäisches Recht Bundesrecht Technische Regeln DIN-Normen DWA-Regelwerk Literatur Bilderverzeichnis Bild 1: Idealtypischer Verlauf des Redoxpotentials während der biologischen Nährstoffelimination Bild 2: Prinzip der potentiometrischen Messkette Bild 3: Kennlinie einer ph-messkette Bild 4: Aufbau einer ph-elektrode Bild 5: Aufbau einer Redoxelektrode Bild 6: Referenzelektrode bestehend aus Referenzelektrolyt, Referenzableitung und Diaphragma als Bestandteil einer Messkette (hier eine ph-messkette) Tabellenverzeichnis Tabelle 1: Übliche ph-werte ausgewählter wässriger Medien November 2013 DWA-Regelwerk

9 Benutzerhinweis Dieses Merkblatt ist das Ergebnis ehrenamtlicher, technisch-wissenschaftlicher/wirtschaftlicher Gemeinschaftsarbeit, das nach den hierfür geltenden Grundsätzen (Satzung, Geschäftsordnung der DWA und dem Arbeitsblatt DWA-A 400) zustande gekommen ist. Für dieses besteht nach der Rechtsprechung eine tatsächliche Vermutung, dass es inhaltlich und fachlich richtig ist. Jedermann steht die Anwendung des Merkblattes frei. Eine Pflicht zur Anwendung kann sich aber aus Rechts- oder Verwaltungsvorschriften, Vertrag oder sonstigem Rechtsgrund ergeben. Dieses Merkblatt ist eine wichtige, jedoch nicht die einzige Erkenntnisquelle für fachgerechte Lösungen. Durch seine Anwendung entzieht sich niemand der Verantwortung für eigenes Handeln oder für die richtige Anwendung im konkreten Fall; dies gilt insbesondere für den sachgerechten Umgang mit den im Merkblatt aufgezeigten Spielräumen. 1 Anwendungsbereich 1.1 Vorbemerkungen Der ph ist eine Größe, die den sauren oder alkalischen Charakter einer wässrigen Flüssigkeit kennzeichnet. Er eignet sich zur Überwachung des Zulaufs von Kläranlagen und von Prozessbedingungen in der Abwasserreinigung. An anderen Messstellen ist die Installation von ph-messgeräten nur in Einzelfällen sinnvoll (siehe auch Merkblatt DWA-M 256-1). Das Redoxpotential stellt eine unspezifische Überwachungsgröße dar, die üblicherweise nicht einem einzigen Stoff zuzuordnen ist. Die Auswertung des zeitlichen Verlaufs des Redoxpotentials im Belebungsbecken bei der sequentiellen Sauerstoffzufuhr kann für eine einfache Automatisierung der Belüftung genutzt werden (siehe auch Merkblatt DWA-M 268; BAUMANN et. al. 2005). Beide Messgrößen werden in einem gemeinsamen Merkblatt behandelt, da beide mittels des potentiometrischen Verfahrens ermittelt werden und deshalb messtechnisch sehr ähnlich zu behandeln sind. 1.2 Zielsetzung Das Merkblatt soll Planern und Betreibern eine Hilfe bei der Auswahl von Messeinrichtungen zur Bestimmung des ph-wertes bzw. des Redoxpotentials unter Berücksichtigung der speziellen Gegebenheiten auf kommunalen oder industriellen Kläranlagen geben. Es enthält Anforderungen an die Geräte sowie Beschreibungen der Messprinzipien und die daraus resultierenden spezifischen Eigenschaften. Weiterhin werden Hinweise zur Wahl eines geeigneten Messortes, zur Installation und zum Betrieb gegeben. 1.3 Geltungsbereich Das Merkblatt DWA-M gilt für den Einsatz von Prozessmessgeräten zur Bestimmung des ph-wertes und des Redoxpotentials auf Kläranlagen. Es ist nur in Verbindung mit Merkblatt DWA-M Prozessmesstechnik auf Kläranlagen Teil 1: Allgemeine Anforderungen anzuwenden, in dem die allgemeinen Anforderungen an die Prozessmesstechnik auf Kläranlagen formuliert sind. 2 Begriffe 2.1 Kurzzeichen Kurzzeichen Einheit Erläuterung a H mol/kg Aktivität der Wasserstoffionen a OH mol/kg Aktivität der Hydroxidionen m 0 mol/kg Einheitsaktivität (entspricht 1 mol/kg) E mv Spannung (elektromotorische Kraft, alternativ mit U bezeichnet) E 0 mv Standardspannung (bei einer Aktivität von 1 mol/kg) F C/mol Faraday-Konstante (Zahlenwert: 96485) K w mol 2 /L 2 Ionenprodukt des Wassers (10 14 bei 25 C) DWA-Regelwerk November