Vergleich der Leistungsfähigkeit von Biofilmverfahren bei Sanierungen bzw. Erweiterungen von kommunalen Kläranlagen

Repräsentativität der Untersuchungen: Generell musste bei der Analyse der weltweit bisher durchgeführten und publizierten Untersuchungen zu den einzelnen Biofilmverfahren festgestellt werden, dass für die Einsatzzwecke in der kommunalen bundesdeutschen Abwasserreinigung aus diversen Gründen (z.B. längere Winterperioden mit anschließenden langanhaltenden Schneeschmelzen in skandinavischen Ländern, zur anorganischen Feststoffreduzierung eingesetzte Vorfällungen mit hieraus resultierender Kohlenstoffminderung, häufig keine Mischsystembedingungen) keine ausreichende Repräsentativität gegeben ist. Etliche Einflussparameter hinsichtlich Abwasserzusammensetzung (Kohlenstoffgehalte, C/NVerhältnisse etc.), verfahrenstechnischer Randbedingungen (Temperatur, pH-Werte, Anordnung der Denitrifikationsstufe etc.) sowie Versuchsdurchführung erweisen sich als so signifikant, dass bei der Vorbereitung und Auswertung der im weiteren dargestellten wissenschaftlichen Untersuchungen der Repräsentativität der hieraus abgeleiteten Aussagen ein besonderer Stellenwert eingeräumt wurde. Insbesondere die Einhaltung der NgesÜberwachungswerte nach deutscher Überwachungsmethodik und Probenahme (im Vergleich zu anderen Ländern erheblich höhere Anforderungen bei der Stickstoffelimination, vor allem bei NH4-Stoßbelastungen) ist hervorzuheben. Die Vorgehensweise bei der Festlegung und Einstellung der geeigneten Versuchsbedingungen wird im folgenden für die jeweiligen Biofilmverfahren im Detail erläutert, und zwar a) die Versuchsdurchführung Pegazur-Verfahren b) die Versuchsdurchführung EvU-Verfahren c) die Versuchsdurchführung Kaldnes-Verfahren betreffend. 6.1. Allgemeines Aus der in Tabelle 3 im Kapitel 4 dargestellten Palette diverser Anordnungsmöglichkeiten der in dieser Arbeit eingehend untersuchten Biofilmverfahren wurde die vorgeschaltete Denitrifikation ausgewählt, die sich aufgrund der bei den einzelnen Versuchen vorgefundenen Abwassercharakteristika (insbesondere wegen der für eine weitergehende Denitrifikation ausreichenden Kohlenstoff-Zulauffrachten) anbot. Somit konnten auch zugleich Untersuchungsergebnisse für dieses bundesdeutsch in weitverbreitetem Umfang zur kommunalen Abwasserreinigung eingesetzte Denitrifikationsverfahren - gekoppelt mit einer anaeroben Schlammstabilisierung - gewonnen werden. Zu den Versuchsstrategien ist im allgemeinen anzuführen, dass die einzelnen Versuchsdurchführungen in erster Linie von dem Ziel geprägt waren, die kinetischen Abbauund Eliminationsraten bei den für die kommunale Abwasserbehandlung typischen Belastungen in den unterschiedlichen Temperaturbereichen des Sommer- und des Winterbetriebs zu ermitteln. Zudem sollte das Abbauverhalten teilweise auch bei höheren Belastungsbedingungen eruiert werden, um die betrieblich akzeptablen oberen Leistungsgrenzen definieren zu können. Auf der Basis dieser Untersuchungsschwerpunkte ist es möglich, für die bundesdeutschen Reinigungsanforderungen kommunaler Kläranlagen im Hinblick auf eine weitgehende Reduzierung der organischen Schmutzfrachten und der anorganischen Stickstoffkomponenten repräsentative Kenngrößen und Dimensionierungsparameter zu entwickeln. [...]

- 82 5.8.2 Hinweise zur Anlagenkonfiguration und -ausrüstung 5.8.2.1 Belüftung Die Ermittlung der erforderlichen O2-Zufuhr kann im Prinzip gemäß ATV-Arbeitsblatt A131 durchgeführt werden, wobei ein OVC = 1,6 kg O2/kg BSB5 als Folge des sehr hoch anzunehmenden Schlammalters angesetzt werden kann. Für den Nitrifikations- und Denitrifikationsprozess gilt ein OVN = (4,6 NO3-Ne +1,7 NO3-ND)/BSB5 mit mittleren Stoßfaktoren fc=1,2 und fn=2,0. In Bezug auf die O2-Betriebswerte ist ein cx = 2 mg/l sinnvoll, wobei ausgehend von den Diffusoreigenschaften der strukturierten Festbetteinheiten signifikant höhere spezifische Eintragswerte (nach Schlegel, 1986 bis zu 50% Zugewinn) zugrundegelegt werden können. Somit kann insgesamt in Abhängigkeit von der Beckentiefe eine maximale O2-Ausnutzung zwischen 20 und 30% erreicht werden. Zu Dimensionierungszwecken ist eine O2-Ausnutzung von 15-18 g/(Nm *m) anzusetzen. Desweiteren sind relativ hohe α-Werte (0,8) zu berücksichtigen, weil im Vergleich zur Belebtschlammbiozönose eine weitaus geringere Koaleszenzwirkung aufgrund des geringen suspendierten Biomassenanteils vorliegt. In Abhängigkeit von der spezifischen Oberfläche und vorhandenem Belastungsprofil kann 3 2 eine Luftbeaufschlagung zwischen 5 und 20 Nm /(h*m horizontale Festbettgrundfläche) gewählt werden (siehe Pape, 1995). Zur Bemessung der Belüftungseinrichtungen (feinblasige Druckluft) erscheinen O2-Gehalte zwischen 2 und 4 mg/l nach Literaturangaben als effektive Betriebsgröße, wenn man maximale spezifische Nitrifikationskapazitäten erzielen und gleichzeitig das O2-Zufuhr /O2Bedarf [OC/OA]-Verhältnis =1-2 einhalten möchte (siehe Abb.28 nach Kroiss, 1994). 5.8.2.2 Rückspülung Durch die intervallmäßigen Rückspülvorgänge mit Luft können Ablagerungen minimiert und somit die Biofilmdicken kontrolliert werden, so dass von einer Verdopplung der spezifischen Oberflächen und Belastungen bei der Dimensionierung ausgegangen werden kann. Die hierzu 3 2 erforderliche Spülluftmenge qL beträgt 7-10 m /(m *h) bei einer Dauer von 15min und einer Häufigkeit von 0,5 pro d. 5.8.2.3 Überschussschlammproduktion Der Schlammanfall ist von etlichen Parametern (Abwasserzusammensetzung, Flächenbelastung, hydraulische Bedingungen etc.) abhängig, was zu einem außerordentlich großen Schwankungsbereich führt. So liegen in der Literatur die spezifischen Schlammproduktionsraten zwischen 0,01 und 0,5 kg TS/kg BSB5, elim. (nach Pape, 1995) bzw. 1,08 bis 1,19 gTS/g BSB5 (nach Beier, Obenaus und Rosenwinkel, 1997). Zu Dimensionierungszwecken kann von einem mittleren Wert 0,75 kg TS/kg BSB5 gemäß ATV-Arbeitsblatt A135 ausgegangen werden. [...]

- 78 Von BIONET-Anlagen sind ebenfalls gute Denitrifikationsergebnisse bekannt, die zu NgesEliminationsraten von 80-85% im Mittel führten. In der Literatur werden zu diesem 2 Themenkomplex flächenspezifische NO3-Belastungen in der Größenordnung von 2,26 g/m *d (Böhm/Wilderer, 1997) bis 4,0 g/m *d (Kruse, 1994) genannt. 5.8.1 Für die Bemessung relevante Belastungszahlen Aus den oben aufgeführten Bandbreiten und etlichen, bisher weitgehend unveröffentlichten Ergebnissen von halbtechnischen BIONET-Anlagen lassen sich für die Bemessung relevante Belastungszahlen herleiten, und zwar für: 5.8.1.1 reinen Kohlenstoffabbau Bei spezifischen Oberflächen von 150 m /m und 68% Füllgrad ergibt sich eine biologisch 2 3 aktive Oberfläche von 100 m /m . 2 Auf dieser Basis kann die BSB5-Flächenbelastung zu 10 g/m *d angenommen werden, was zu einer BSB5-Raumbelastung von 1000 g/m *d führt. Der Flächenbelastungswert korrespondiert mit dem mittleren Wert der von Schlegel, 1997 angegebenen Bandbreite von 8 2 bis 12 g BSB5/m *d. 5.8.1.2 Nitrifikation Bei spezifischen Oberflächen von 200 m /m und 68% Füllgrad ergibt sich eine biologisch 2 3 aktive Oberfläche von 140 m /m . 2 Auf dieser Basis kann die NH4-Flächenbelastung zu 1,0 g/m *d angenommen werden, was zu einer NH4-Raumbelastung von 140 g/m *d führt. Der Flächenbelastungswert korrespondiert mit der von Schlegel angegebenen Bandbreite von 1,0 bis 2,0 g TKN/m *d. Nach der ATV-Arbeitsgruppe 2.6.3 (1996) sind beim Envicon-Festbett BA-Werte bis 0,8 g NH4/m *d möglich. Auslegungshinweise zur NH4-Flächenabbauleistung werden für Nitrifikationsstufen ohne Vorklärung auch von Beier, Seyfried et al. gegeben, die in der Größenordnung von 1,0 g 2 2 NH4/m *d (ohne Zwischenklärung) bzw.1,5 g NH4/m *d (mit Zwischenklärung) liegen (siehe Abb.25). In Abhängigkeit der NH4-Zulauffrachten ergeben sich die in Abb.26 dargestellten Raumabbauleistungen zwischen 100 und 250 g NH4/m *d. [...]