05.03.2026

Mikrowellen-Labortechnik: Schnelle, einfache Wasser-, Klärschlamm-, Abwasser- und Biomasseanalytik

Ulf Sengutta , CEM GmbH

"Klärschlamm" ist laut Definition der Klärschlammverordnung "der bei der Behandlung von Abwasser ... anfallende Schlamm, auch entwässert oder getrocknet...". Die Trockensubstanz des zunächst noch wasserhaltigen Schlammes besteht zu 50 bis 70 % aus organischer Masse. Hiermit sind die zwei wesentlichen Parameter zur Kennzeichnung der Klärschlammbeschaffenheit die Trockensubstanz (TS) und der organische Anteil der Trockensubstanz (oTS). [1]

Beim Klärwerksbetrieb sind regelmäßig TS-Bestimmungen notwendig. Schließlich lassen sich die Massenströme aus Primär-, Sekundär- und eventuell Tertiärschlamm nur sinnvoll verfolgen, wenn man neben dem Volumen auch den Anteil an Feststoff kennt. Bei der Schlammstabilisierung, gleichgültig ob aerob oder anaerob, ist die kennzeichnende Größe der oTS Gehalt.

Da Klärschlamm zunächst sehr dünn ist (~ 3 % TS), sind viele Verfahren zu dessen Eindickung gebräuchlich, z. B. Zentrifugen, Filterpressen, Schwerkrafteindicker usw. In der Regel werden diese Anlagen unter Zuhilfenahme anorganischer und organischer Fällungs- und Flockungsmittel betrieben. Sinnvollerweise dosiert man die Hilfsmittel nicht mengen-, sondern frachtproportional, also entsprechend der Schlammmenge und deren TS- sowie oTS-Gehalte. Auch die Schlammbeseitigung z. B. mittels Verbrennung bedarf der Kontrolle des TS-Gehaltes. Die Schlammverbrennung ist eine kostenintensive Angelegenheit. Die Anlagen werden unter Anwendung einer ausgeklügelten Technik für eine festgelegte Durchsatzleistung bezüglich TS und oTS Gehalten getrimmt. Somit gibt es vielfachen Steuerungsbedarf in Anhängigkeit des TS- und oTS-Gehaltes der Klärschlammproben. Die Analysen sollten somit auch einfach und schnell durchzuführen sein [1]

Die Bestimmung des TS-Gehaltes und des oTS-Gehaltes

Die Einheitsverfahren zur Wasser-, Abwasser- und Schlammuntersuchung beschreiben die Analyse zur Trocknung und Bestimmung des TS Rückstands so:

1. Trocknen der Probenschale
   
2. Abkühlen der Schale im Exsikkator
   
3. Einwiegen der Probe in die Schale und Trocknen im Trockenschrank bis zur Gewichtskonstanz
   
4. Entnahme der Schale und Abkühlen im Exsikkator
   
5. Rückwiegen der Probe

Die Bestimmung des oTS-Gehaltes erfolgt analog, jedoch findet statt der Trocknung im Trockenschrank nun ein Glühen im Muffelofen statt. Sowohl die Bestimmung des TS-Gehaltes im Trockenschrank sowie die Bestimmung des oTS-Gehaltes im konventionellen Muffelofen sind zeit- und arbeitsaufwändige Prozeduren. Häufig werden mehrere Stunden zur Trocknung sowie zur Veraschung im Muffelofen benötigt. Dazu kommen die langen Abkühlzeiten im Exsikkator, die bei der oTS-Bestimmung ebenfalls bis zu einer Stunde dauern können. Die Resultate liegen somit häufig erst am nächsten Arbeitstag vor und können nicht zur zeitnahen Steuerung von technischen Anlagen benutzt werden.

Abb.1: SMART 6 Trocknungswaage

Die Alternative: Bestimmung des TS-Gehaltes sowie des AFS-Gehaltes im Mikrowellen-/Halogen- Feuchtebestimmer SMART 6

Diese vorbeschriebene Problemstellung wurde vom Gerätehersteller CEM erkannt und mit der Gerätekombination Feuchtebestimmer SMART 6/Muffelofen Phoenix BLACK wurde eine Lösung entwickelt. In wenigen Minuten werden die Proben getrocknet und verascht. Mit diesen schnellen Messwerten können die technischen Anlagen gesteuert werden und es kann sogar bei der Anlieferung per LKW die Ware zeitnah gemessen werden.

Im SMART 6 wird die Schlammprobe auf ein saugfähiges Probenträgermaterial gegeben und auf die im Mikrowellengerät eingebaute Waage gelegt (Abbildung 1). Ein Temperatursensor regelt die Erwärmung durch Mikrowellenstrahlung und verhindert ein Zersetzen der Probe. Die in den Methoden vorgegebene Trocknungstemperatur von 105 °C wird auch im SMART 6 Feuchtebestimmer eingehalten. Damit sind die Messwerte zum Trockenschrank vergleichbar.

Um die gleiche Genauigkeit zu ermöglichen, die nach der Norm mit Trockenschrank und Analysenwaage erreichbar ist, wurde das SMART 6 mit einer eingebauten Waage mit einer Auflösung von 0,0001 g ausgestattet. Diese eingebaute Analysenwaage nimmt ständig das Probengewicht auf und sorgt während des Trocknungsvorganges für die Abschaltung bei Gewichtskonstanz nach wenigen Minuten Messdauer (typischerweise 2 - 3 min). Der entstandene Wasserdampf wird über ein Ventilationssystem schnell aus dem Probenraum transportiert.

Eine drastische Reduzierung der Fehlermöglichkeiten und somit eine Steigerung der Präzision erfolgt durch den hohen Automatisationsgrad im SMART 6: Der Anwender gibt die Probe auf die Probenträger und startet den Trocknungsvorgang. Der Mikrowellentrockner wiegt die Probe, trocknet und wiegt permanent während der Trocknung zurück, um den Endpunkt schnellstens zu ermitteln, anschließend wird das Ergebnis berechnet und über den integrierten Bildschirm, über Schnittstellen sowie Drucker ausgegeben. Zusätzlich kann ein Barcode Reader am SMART 6 angeschlossen werden.

Ein weiterer Vorteil ist die Vermeidung von Unfällen. Der Probenträger mit der getrockneten Schlammprobe ist am Trocknungsende kalt, man kann sich also nicht die Finger verbrennen. Die Waage ist staubdicht gesichert im SMART 6 untergebracht und kann praktisch nicht beschädigt werden, ein großer Vorteil im rauen Klärwerksbetrieb. Das SMART 6 kann praktisch an jedem Ort des Klärwerks aufgestellt werden und liefert die Ergebnisse so rasch, dass Schlammbehandlungsanlagen umgehend danach reguliert werden können.

Bestimmung der abfiltrierbaren Stoffe (AFS)

Unter dem Begriff "AFS" im wasserrechtlichen Kontext werden in Deutschland und der EU primär die abfiltrierbaren Stoffe einer Abwasserprobe verstanden. Diese sind ein wesentlicher Parameter bei der Abwasserreinigung und Überwachung. Die Abwasserverordnung (AbwV) regelt die Einleitung von Abwasser. AFS ist ein zentraler Parameter zur Beurteilung der Reinigungsleistung von Kläranlagen und der Umweltverträglichkeit von Einleitungen in Gewässer.

Die Software im SMART 6 beinhaltet zudem die Bestimmung der gelösten bzw. suspendierten Feststoffe. Dabei wird ein definiertes Volumen (z. B. 1 l) der Wasserprobe filtriert und der Filter wird im SMART 6 innerhalb von 2 min. getrocknet. Am Trocknungsende errechnet das SMART 6 den AFS-Gehalt, indem der gemessene Feststoffgehalt mit dem eingesetzten Volumen in Relation gesetzt wird. Dagegen dauert die klassische AFS-Analyse im Trockenschrank bis zu einem ganzen Arbeitstag.

Die Alternative: Bestimmung des oTS-Gehaltes mit dem Muffelofen Phoenix BLACK

Der oTS-Gehalt im Klärschlamm, oft als Glühverlust gemessen, ist ein entscheidender Indikator für dessen Stabilisierungsgrad und Energiepotenzial. Typischerweise liegt der oTS-Anteil in der Trockenmasse von kommunalem Klärschlamm bei etwa 45 % bis über 60 %. Die Bestimmung erfolgt durch Glühen (Veraschung) bei ca. 550 °C. Ein hoher oTS-Gehalt deutet auf ein hohes Potenzial zur Faulgasbildung (Methan) hin. Die Überwachung des oTS-Gehalts hilft bei der Steuerung von Schlammstabilisierung, Eindickung und Verbrennung.

Die oTS-Bestimmung erfolgt im Phoenix BLACK (Abbildung 2). Herkömmliche Konventionelle Muffelöfen benötigen viel Energie, die Veraschungen dauern viele Stunden und das Abkühlen der Tiegel im Exsikkator ist ebenfalls extrem zeitaufwändig.

Abb.2: Muffelofen Phoenix BLACK (links) und konventioneller Muffelofen (rechts)

Der Phoenix BLACK Muffelofen hat gegenüber konventionellen Muffelöfen mit Heizwendeln gravierende Vorteile: Durch die geringe Masse des Heizelements und die rasche Aufnahme der eingestrahlten Energie erreicht der Ofenraum schnell in wenigen Minuten die Solltemperatur. Ebenso schnell lassen sich Temperaturschwankungen, z. B. beim Öffnen und Einbringen der Probe, wieder ausregeln. Der hohe Luftdurchsatz ermöglicht durch die luftdurchlässige Isolationskeramik ein schnelles Verbrennen der Schlammprobe und sorgt für eine gute Entlüftung des Systems.

Die CEM-Spezialtiegel bieten den Vorteil, dass die Proben innerhalb weniger Sekunden nach der Entnahme aus dem Ofen abkühlen, ohne dabei Feuchtigkeit aufzunehmen. Somit wird ein Überführen in den Exsikkator hinfällig und beschleunigt das Handling des Rückwiegens enorm. Ein Abluftrohr wird direkt am Gerät angeschlossen, das damit selbst, wie auch seine Umgebung, frei von dreckigen Ablagerungen bleibt. Die Raumluft und somit auch der Anwender werden nicht belastet und damit dem Arbeitsschutz Rechnung getragen. Außerdem braucht die Installation nicht unter einem Abzug zu erfolgen. Sogar die dreckige Vorveraschung wird im Phoenix BLACK durchgeführt und verschmutzt somit nicht mehr den Abzug.

Die komplette Veraschung einer Klärschlammprobe erfolgt im Phoenix BLACK binnen 5 min. Danach wird der Tiegel mit dem Rückstand aus dem Phoenix BLACK entnommen, kühlt innerhalb von nur 20 s ab und kann dann auf der Waage zurück gewogen werden. Rechnet man nun die Zeiten zusammen, so wird deutlich, dass diese Messung inklusive der Zeit zum Einwiegen und Berechnen des oTS-Gehaltes, in weniger als 10 Minuten erledigt ist.

Abb.3: Überführung der Probe ins NMR-Modul
zur Bestimmung der lipophilen Stoffe

Bestimmung der Lipophilen Stoffe (Fett und Öl)

Der Mikrowellentrockner SMART 6 kann mit einem NMR-Modul gekoppelt werden. Diese Gerätekombination heißt ORACLE (Abbildung 3) und vermag in nur 30 s den Gehalt an Fett. Öl und lipophilen Stoffen im Wasser, Fett Öl oder Schlamm zu messen. Neben dem Zeitvorteil ist die Handhabung gegenüber der klassischen Extraktion extrem einfach und umweltschonend. Eine fertige Messmethode ermöglicht den sofortigen Einsatz im Routinebetrieb.

Bestimmung von Gesamt Phosphat (Gesamt P) in der Mikrowelle MARSXpress 2.0

Phosphorverbindungen - vor allem ortho-Phosphat - gelten in der Mehrzahl der stehenden und fließenden Gewässer als der limitierende Nährstoff. Eine Konzentrationszunahme durch erhöhten Eintrag (Abwasser, Bodenabschwemmung etc.) bedeutet unmittelbar eine höhere Nährstoffbelastung - "Eutrophierung" - des Gewässers mit den bekannten Auswirkungen wie verstärktes Algenwachstum, Sauerstoffzehrung bis hin zur Anoxie in der Tiefenzone etc. Deshalb ist eine kontinuierliche Messung des Phosphatgehaltes in der Umweltanalytik unerlässlich.

Abb.4: MARSXpress 2.0

Der Aufschluss geschieht in der Regel durch Erhitzen mit Peroxodisulfat. Das klassische Verfahren bei Siedetemperatur ist sehr zeitaufwändig und arbeitsintensiv. Als schnelle Alternative hat CEM mit der MARSXpress 2.0 Mikrowelle (Abbildung 4) ein Verfahren ausgearbeitet, um die Aufschlusszeiten zu verringern. Die Proben werden in speziell kalibrierten Glas-Einsätzen in nur 30 min im MARSXpress 2.0 aufgeschlossen. Es können 24 Proben gleichzeitig aufgeschlossen werden. Danach wird in den Glaseinsätzen bis zur Füllmarke aufgefüllt, wodurch ein Überführen und dadurch mögliche Fehler entfällt, und am Spektrometer wird der Gesamt Phosphat Gehalt bestimmt.

Bestimmung von CSB und Schwermetallgehalten in der MARSXpress 2.0 Mikrowelle

Analog zum Aufschluss für die Bestimmung von Gesamt Phosphat werden die Proben im MARSXpress 2.0 mit Chrom-Schwefelsäure aufgeschlossen um den CSB Gehalt zu ermitteln. Für die spektrometrische Messung der Schwermetallgehalte können normenkonforme Salpetersäure-Aufschlüsse vom Wasser und Königswasser-Aufschlüsse von Schlämmen in MARSXpress 2.0 durchgeführt werden.

Fazit

Vergleichsmessungen der TS- und oTS-Gehalte haben ergeben, dass die Resultate des SMART 6 und des Phoenix BLACK mit denen der Deutsche Einheitsverfahren zur Wasser-, Abwasser- und Schlamm-Untersuchung (DEV-Methoden) gut übereinstimmen. Auch die Bestimmung der abfiltrierbaren Stoffe und die lipophilen Stoffe sind binnen kürzester Zeit präzise durchgeführt und entsprechen den Ergebnissen aus den Standardmethoden. Analog dazu können schnell und sicher die Gehalte an Gesamt Phosphat, CSB und Schwermetallen gemessen werden. Die Geräte sind dabei so einfach zu bedienen, das auch angelerntes Personal problemlos damit umgehen kann. Die notwendigen Schlamm- und Abwasseranalysen sind schnell, sicher und leicht durchführbar.

Literatur

1. "Mikrowellengeräte zur Klärschlammanalytik", P. Martin, KA-Betriebs Info 29, 879-880 (1999)
   
2. Deutsche Einheitsverfahren zur Wasser-, Abwasser- und Schlammuntersuchung, Beuth Verlag Berlin

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