Untersuchungen zur Behandlung von Küchenabwässern mit organischen Inhaltsstoffen

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1 Untersuchungen zur Behandlung von Küchenabwässern mit organischen Inhaltsstoffen Inhaltsverzeichnis 1 Einleitung Rechtliche Grundlagen Bestandsaufnahme und der daraus resultierende Handlungsbedarf Lösungsansätze Vorversuche - biologische Abbautests Abwasserbehandlungsmöglichkeiten (A) physikalisches Verfahren - Ultrafiltration (B) chemisch-physikalisches Verfahren - ph-werteinstellung, Fällung/Flockung und Flotation (C) kombiniertes Verfahren - Belebungs- und Membranverfahren Schlussbemerkung und Ausblick Einleitung In Schnellimbiss-Restaurants fällt bei der Zubereitung von Mahlzeiten und vor allem bei der Reinigung der Küchen Abwasser an, dessen Abwasserinhaltsstoffe hauptsächlich aus organischen Öl-, Fett- und Nahrungsmittelresten sowie Tensiden bestehen. Das anfallende Abwasser wird i.d.r. vor der Indirekteinleitung durch eine Abscheideanlage für Fette nach DIN 44, die aus Schlammfang, Fettabscheider und einer Einrichtung zur Probennahme besteht, behandelt. Beim Reinigen von Küchengeräten wie z.b. dem Friteusenfilter sowie bei der Entfernung des Fettbelages auf Böden und Kücheneinrichtungen kann der Einsatz von Spül- und Reinigungsmitteln i.d.r. nicht vermieden werden. Somit gelangen teilweise emulsionsbildende Reinigungsmittel ins Abwasser. Diese vermindern eine vollständige Abtrennung der Fette und Öle und damit die Reinigungsleistung der üblichen Fettabscheider. Die Folge ist häufig eine Überschreitung der 1

2 gültigen Grenz- oder Schwellenwerte kommunaler Abwassersatzungen für Indirekteinleiter bezüglich Temperatur, ph-wert, lipophiler Stoffe sowie des Summenparameters CSB. Folge des hohen Gehaltes an lipophilen Stoffe sind Ablagerungen in Leitungen, die zu erheblichen Querschnittsverengungen des Leitungssystems führen können und somit die öffentlichen sowie die hausinternen Leitungen verstopfen. Eine Folge der großen Mengen an organischen Inhaltsstoffen sind die Geruchsbelästigungen, die durch die einsetzende Versäuerung des Abwassers verursacht werden. Dieser Prozess macht sich bereits nach wenigen Stunden durch ein Absinken des ph- Wertes bemerkbar. In den kommunalen Abwassersatzungen werden Grenz- bzw. Schwellenwerte festgelegt. Bei einer Überschreitung erfolgt ein Entzug der Einleitungsgenehmigung bzw. muss von dem betreffenden Indirekteinleiter eine erhöhte Abwassergebühr entrichtet werden. Um dies zu vermeiden, soll eine weitergehende Abwasserbehandlungsanlage in die Restaurants eingebaut werden. An der Universität Stuttgart wurden physikalische, chemisch-physikalische sowie biologische Abwasserbehandlungsverfahren mit dem Ziel untersucht, für den oben genannten Anwendungsfall geeignete Verfahren zu finden. Im folgenden werden Informationen zum Abwasseranfall und zur Abwasserzusammensetzung in Schnellimbiss-Restaurants erläutert sowie Lösungsmöglichkeiten für eine Frachtreduzierung im Abwasser durch verschiedene innerbetriebliche Maßnahmen dargestellt. Weiterhin wird auf Vorund Nachteile einzelner Abwasserbehandlungsverfahren und Verfahrenskombinationen eingegangen und Ergebnisse durchgeführter Untersuchungen vorgestellt. 2 Rechtliche Grundlagen Aus den rechtlichen Grundlagen ergibt sich die Aufgabenstellung für die nötigen und später beschriebenen Untersuchungen. Auf die rechtlichen Grundlagen wird im Folgenden lediglich stichwortartig eingegangen. Das Wasserhaushaltsgesetz (WHG) des Bundes gibt den gesetzlichen Rahmen vor und stellt ein ordnungspolitisches Instrumentarium dar. In der Abwasserverordnung (AbwV) Verordnung an das Einleiten von Abwasser in Gewässern gibt es derzeit 57 Anhänge. In den Anhängen werden für verschiedene Industriebranchen Einleitbedingungen festgelegt. Für den vorliegenden Anwendungsfall existiert bislang kein Anhang. Das Abwasserabgabengesetz (AbwAG) ist ein finanzpolitisches Instrumentarium des Bundes. Dieses Gesetz legt Abgaben für das Einleiten von Abwasser in ein Gewässer fest, wobei die eigentliche Abgabe von Ländern erhoben wird. Vom Land Baden-Württemberg wird z.b. eine Indirekteinleiterverordnung herausgegeben, in der die Indirekteinleitung durch die Angabe von Grenzwerten sowie allgemeinen Richtwerten und Vorschriften festgehalten werden. Die Kommunen legen in ihren Abwassersatzungen auf der Basis von Mustersatzungen, die von den Länder herausgeben werden, Grenzwerte fest. Diese Satzungen orientieren sich häufig am 2

3 ATV-A115. In diesem Arbeitsblatt wird vorgeschrieben, dass bei Gastronomiebetrieben ein Fettabscheider nach DIN 44 einzubauen ist. Im Folgenden werden diverse Vorschriften und Richtlinien, die bei diesem Anwendungsfall Abwasser aus Schnellimbiss-Restaurants greifen bzw. relevant sind, aufgeführt. ATV-A 115: Einleiten von nicht häuslichem Abwasser in eine öffentliche Abwasseranlage DIN 1986: Entwässerungsanlagen für Gebäude und Grundstücke Sie enthält die Vorschrift, dass Küchenabwasser immer einen Fettabscheider durchlaufen muss, wobei Ausnahmeregelungen möglich sind. DIN 44: Abscheideranlagen für Fette Entwurf Teil 2 Die Ermittlung des Schmutzwasserabflusses Q s wird nicht mehr aus der Summe aller Abwasserteilströme, sondern aus dem maximalen Schmutzwasserabfluss ermittelt. Der Faktor für eine ungewöhnliche Menge an Fettstoffen (f m ) entfällt; der Einsatz von Enzymen im Fettabscheider bleibt weiterhin untersagt; die Umsetzung dieser DIN in Euronorm ist bereits vollzogen DIN EN 1825: Abscheideranlagen für Fette In dieser Euronorm ist der (Entwurf) der DIN 44 weitestgehend übernommen worden. Grundsätzlich dienen die einzuhaltenen Grenzwerte dem Schutz des Personals, des Ableitungssystems und dem Kläranlagenbetrieb. Die für diesen Anwendungsfall relevanten Grenzwerte für eine Indirekteinleitung sind in Tabelle 1 genannt. Tabelle 1: Relevante Grenzwerte Parameter Einheit Auszüge der in kommunalen Abwassersatzungen*) angegebenen Grenzwerte (GW) Minimaler angegebener GW Maximaler angegebener GW Temperatur [ C] 35 4 ph-wert [-] 6,5 9,5 6, 11, (München) (Dresden) absetzbare [ml/l],5 (München) 1, (Bremen) Stoffelipophile Stoffe (H 17) [mg/l] 1 (Frankfurt, Esslingen, Bielefeld) 25 Berlin H19 CSB [mg/l] 1 Wuppertal 2 (Hannover) Schwellenwert 6 (Stuttgart) *) es wurden 11 kommunale Abwassersatzungen berücksichtigt 3 Bestandsaufnahme und der daraus resultierende Handlungsbedarf Um die Ausgangssituation vor Ort zu erfassen, wurden Bestandsaufnahmen in verschiedenen Restaurants durchgeführt. Diese Bestandsaufnahmen ermöglichen die Erfassung der Abwassermengen und -zusammensetzungen sowie die bisherige Art der Abwasserbehandlung. 3

4 Abwassermenge Durch die Ermittlung des Wasserbedarfs an den verschiedenen Wasserzapfstellen in den Restaurantküchen, kann auf die anfallende Abwassermenge rückgeschlossen werden. Zu den Wasserzapfstellen in der Küche gehören z.b. die Spülmaschine, die Wasserhähne am Spül- und Handwaschbecken sowie die Reinigungsmitteldosierstationen. Wasserverbrauchsschwankungen werden mit ihren Minima und Maxima festgehalten sowie der Abwasserzulauf zur Abwasserbehandlungsanlage abgeschätzt. Dies ermöglicht eine spätere hydraulische Bemessung der Abwasserbehandlungsanlage. Wasserverbrauch [L] L/d 1338 L/d Restaurant 1 Restaurant 2 Restaurant L/d 24. Uhrzeit [h] Abbildung 1: Wasserbedarf in den untersuchten Restaurantküchen In Abbildung 1 sind unterschiedliche Wasserverbrauchsmengen untersuchter Restaurants an einem Tag zu sehen. Werden die drei Summenlinien qualitativ betrachtet, ergeben sich für die drei untersuchten Restaurants charakteristische Kurvenverläufe. Alle drei Restaurantküchen zeigen während den nächtlichen Schlussdiensten die höchsten Wasserverbräuche des gesamten Tages auf. Bei einer ausschließlich quantitativen Anschauungsweise der Wasserverbräuche, werden große tägliche Verbrauchsschwankungen deutlich. Die Wasserverbräuche können um mehr als das Doppelte ansteigen. Diese sind auf das Verhalten des Reinigungspersonals zurückzuführen und können nur durch extreme Standardisierung und Kontrolle vereinheitlicht werden. Die Wasserverbrauchsschwankungen innerhalb eines Restaurants sind von den unterschiedlichen Wochentagen abhängig und damit vom Publikumsverkehr. Sie weisen Werte zwischen 13 und 33 L/d auf. Abwasserrelevante Inhaltsstoffe und Parameter Um Rückschlüsse auf die Verhältnisse der Abwasserqualität, Abwassermenge und Schadstoffkonzentrationen ziehen zu können, wurden aus dem Abwasser verschiedener Restaurants 2h- Mischproben über 24 Stunden hinweg entnommen. Die Probennahme des Abwassers erfolgte am Einlauf des Fettabscheiders bzw. des dazugehörenden Schlammfangs. Die durchgeführten 4

5 Abwasserprobennahmen lassen eine anschließende Abwasseranalyse bezüglich der Parameter Temperatur, ph-wert, lipophile Stoffe, CSB und BSB 5 zu. Die Temperatur des Rohabwassers schwankt je nach Betrieb bzw. Tätigkeit in der Küche. Sie beeinflusst die physikalische Abscheidewirkung der Fette. Die Abwassertemperatur am Einlauf des Fettabscheiders schwankt sehr stark. Diese Schwankungen sind auf die unterschiedlichen Tätigkeiten in der Küche zurückzuführen. Beim Betreiben einer Spülmaschine wird Wasser bis auf 65 C erhitzt und nach mehrmaligem Spülbetrieb in den Fettabscheider abgelassen. Auf dem Weg bis in den Fettabscheider kühlt das Wasser zwar ab, weist aber immer noch Temperaturen bis zu 45 C auf. Küchengeräte werden lediglich mit warmem Wasser abgebraust, so dass die Temperatur des entstehenden Abwassers beim Eintritt in den Fettabscheider deutlich niedriger ist. Um eine Vergleichmäßigung der Temperatur im Zulauf zum Fettabscheider zu erreichen, wäre eine Verzögerung des Spülmaschinenablaufes denkbar. Das Abwasser sollte bis zum Unterschreiten einer Temperatur von 35 C im Wasserbecken der Spülmaschine vorgehalten und dann erst in den Ablauf geleitet werden. Bei Temperaturen über 35 C kann die Abscheidung der Fette durch einen rein physikalischen Prozess, wie der Abscheidung durch den Dichteunterschied, nicht mehr gewährleistet werden. Die durchschnittlichen Höchsttemperaturen liegen in den Nachtstunden zwischen 22 und 6 Uhr, in welchen die Putzarbeiten verrichtet werden und der Wasserverbrauch am größten ist. Die durchgeführte Temperaturmessung am Einlauf zum Fettabscheider berücksichtigt die Vermischung im Fettabscheider nicht. Der gemessene ph-wert einer jeweiligen 2h-Mischprobe unterliegt großen Schwankungen. Dies ist in Abbildung 2 dargestellt. Diese existieren sowohl während des Tages innerhalb eines Restaurants als auch im Vergleich einzelner Restaurants untereinander. Die Schwankungen des ph-wertes werden durch die Einleitung unterschiedlicher Stoffe bzw. Flüssigkeiten beeinflusst, die durch das Verhalten des Personals bestimmt werden. Infolge des Wegkippens von Erfrischungsgetränken, die teilweise einen ph-wert von 2 aufweisen, kann der ph-wert des Abwassers in den sauren Bereich sinken. Dabei kann je nach Art des eingesetzten Reinigungsmittels sowohl ein ph-wert-anstieg als auch ein Sinken bewirkt werden Restaurant 1 Restaurant 2 Restaurant 3 Restaurant 4 ph-wert [-] Uhrzeit [h] Abbildung 2: ph-wert des Rohabwassers 5

6 Die Bestimmung der lipophilen Stoffe erfolgt durch das in der DIN H 17 beschriebene Verfahren, mit dem alle Fette im Abwasser erfasst werden, sowohl die direktabscheidbaren als auch die nicht direktabscheidbaren. In Abbildung 3 sind die gemessenen Konzentrationen an lipophilen Stoffen in 2h-Mischproben graphisch dargestellt lipophile Stoffe [mg/l] Restaurant 1 Restaurant 2 Restaurant 3 Restaurant 4 Uhrzeit [h] Abbildung 3: lipophile Stoffe des Rohabwassers Der Konzentrationsverlauf an lipophilen Stoffen im Abwasser weist mit Werten bis zu 295 mg/l während der nächtlichen Küchenreinigung seine Maxima auf. In dieser Zeitspanne finden die Friteusenreinigung sowie eine intensive Küchenreinigung statt. Friteusen wie auch Küchenböden und Grills sind sehr stark mit Fettstoffen belastet, die ins Abwasser gelangen. Der kommunale Grenzwert für die Indirekteinleitung bezüglich lipophiler Stoffe, der bei 25 mg/l bzw. 1 mg/l liegt, wird vom Rohabwasser nur selten unterschritten. Eine Vorbehandlung ist somit unumgänglich. Der chemische Sauerstoffbedarf (CSB) beschreibt den Anteil an organischer Fracht im Abwasser. Er unterliegt bei allen untersuchten Abwässern, abhängig von den Tageszeiten und dem Verhalten des Betriebspersonals, großen Schwankungen. Durch die teilweisen geringen Wassermengen während des Tages wirken sich die Einleitungen von z.b. Getränkeresten, Brühe, die zur Aufbewahrung der Maiskörner verwendet wird oder Milchshakes, erheblich auf die CSB-Konzentration aus. 6

7 CSB [mg/l] Restaurant 1 Restaurant 2 Restaurant 3 Restaurant 4 Uhrzeit [h] Abbildung 4: CSB-Werte des Rohabwassers Der biochemische Sauerstoffbedarf in 5 Tagen (BSB 5 ) ist der Anteil des CSB, der leicht biologisch abbaubar ist. Der gemessene BSB 5 des Abwassers aus den untersuchten Restaurants korreliert mit den gemessenen CSB-Werten. Wird der BSB 5 mit dem CSB ins Verhältnis gesetzt, kann eine Aussage über die biologische Abbaubarkeit getroffen werden. Der biochemische Abbaugrad α stellt eine Kenngröße dar, welche Werte zwischen und 1 annimmt. Je kleiner der α-wert, desto höher der Anteil der biologisch nicht abbaubaren Stoffe und je weiter dieser Wert gegen 1 geht, desto höher ist der Anteil an biologisch abbaubaren Stoffen. Kommunales Abwasser besitzt in der Regel ein BSB 5 /CSB-Verhältnis von,5 bis,6 (Menzel et al., 1997). Das BSB 5 /CSB-Verhältnis des untersuchten Küchenabwassers weist bei drei Untersuchungen einen Wert von ca.,6, und bei einer weiteren Untersuchung einen Wert von ca.,5 auf. Somit kann von einer guten biologischen Abbaubarkeit ausgegangen werden. 4 Lösungsansätze Um Forderungen der Kommunen sowie intern geforderte Bedingungen einhalten zu können, gibt es grundsätzlich zwei Lösungsansätze. Zum einen sind das innerbetriebliche Maßnahmen, wie die Einschränkung der Emulsionsbildung, um das eingetragene Fett direkt in einem Fettabscheider abscheiden zu können. Dies kann z.b. durch mechanisches Vorreinigen der Küchengeräte, Reduzierung der Reinigungsmittel, Einsatz von deemulgierenden Reinigungsmitteln sowie einer Vermeidung des Einsatzes von Hochdruckreinigern erreicht werden. Eine andere Möglichkeit innerbetriebliche Verbesserungen durchzuführen, ist es den organischen Eintrag in das anfallende Abwasser zu reduzieren, um den CSB-Wert gering zu halten und eine Versäuerung wenigstens teilweise zu unterbinden. Möglichkeiten bietet der Einsatz von biologisch leicht abbaubaren Reinigungsmitteln und die getrennte Entsorgung des organischen Abfalls. Beide Punkte sind vor allem durch Personalschulung zu erreichen. Zum anderen ist eine weitergehende Abwasserbehandlung eine Möglichkeit die Frachten im Indirekteinleiterstrom zu reduzieren. 7

8 Die innerbetrieblichen Maßnahmen sind theoretisch weitgehend optimiert, wobei die menschliche Komponente oft in der Praxis nicht bis zu einem Optimum zu beeinflussen ist. Daher wird im Folgenden lediglich auf den letzten Punkt, die Abwasserbehandlungsmöglichkeit eingegangen. 5 Vorversuche - biologische Abbautests Bei dem angewendeten Testverfahren zur Überprüfung der biologischen Abbaubarkeit des Küchenabwassers handelt es sich ein standardisiertes Verfahren gemäß der respirometrischen Verdünnungsmethode nach OECD-Richtlinien bzw. DIN 3845, Teil 52, bei dem der biochemische Sauerstoffbedarf online ermittelt wird. Die respirometrische Verdünnungsmethode eignet sich besonders zur Untersuchung von hochbelastetem Abwasser mit BSB 5 -Werten bis über 1 mg/l. Sie bietet die Möglichkeit, auch konzentrationsabhängige Effekte, wie Abbauhemmung und Toxizität, zu prüfen. Zum Einsatz kommt die sog. Sapromat-Messeinrichtung, bei der, der beim aeroben Abbau der Abwasserinhaltsstoffe verbrauchte Sauerstoff direkt am Registriergerät abgelesen werden kann. Eine Sapromatmesszelle, wie sie in Abbildung 5 dargestellt wird, besteht aus einem Reaktorgefäß, einem Schaltmanometer und einem elektrochemischen Sauerstofferzeuger, der mit den beiden anderen Komponenten über Schlauchleitungen gasdicht verbunden ist. Ein elektrisches Schaltund Steuerteil und eine Registriereinrichtung vervollständigen die Anlage (Wagner, 1974). Es werden Verdünnungsreihen angefertigt. Die einzelnen Verdünnungen setzen sich aus verschiedenen Verhältnissen von Probe und Vorklärbeckenwasser (VKB) zusammen. Als Kontrolle wird ausserdem jeweils eine Nullprobe, die aus reinem VKB besteht, angesetzt. Elektroden CO2- Absorber Probe Magnetrührer Abbildung 5: Sapromatmesszelle Reaktionsgefäß Sauerstofferzeuger Schaltmanometer Steuer- und Registriergerät Ergebnisse des aeroben Abbautests Aus den einzelnen Verdünnungen wird die Zehrung der Originalprobe ermittelt. Zu jedem Zeitpunkt wird das Verhältnis BSB (X) / CSB start errechnet und mit 1 multipliziert. Somit erhält man den α -Wert, der die biologische Abbaubarkeit bzw. den biologischen Abbaugrad beschreibt. In Abbildung 6 ist dieser Abbaugrad exemplarisch von aeroben Abbautests mit zwei verschiedenen Küchenabwässern dargestellt. Der hohe Abbaugrad, der nach 6 Tagen bereits einen 8%igen 8

9 Abbau aufweist, ist gut zu erkennen. Die dargestellten Vorversuche machen deutlich, dass die aerobe Behandlung des anfallenden Küchenabwassers von den Abwasserinhaltsstoffen grundsätzlich möglich ist. Abbaugrad [%] Abwasser Restaurant 2 3 Abwasser Restaurant 3 2 Vorklärbeckenabwasser 1, 2,5 5, 7,5 1, 12,5 15, 17,1 Zeit [d] Abbildung 6: Ergebnisse des aeroben Abbautests 6 Abwasserbehandlungsmöglichkeiten Zur Abwasserbehandlung kommen sowohl physikalische und chemisch-physikalische als auch biologische Reinigungsverfahren bei diesem Anwendungsfall zum Einsatz. Beispielhaft wird jeweils eine Versuchsanlage zu jeder Verfahrensart näher betrachtet und die gewonnenen Ergebnisse kurz vorgestellt. Die beschriebenen Untersuchungen wurden im halbtechnischen Maßstab im Versuchsstand des Instituts für Siedlungswasserbau Wassergüte- und Abfallwirtschaft im Arbeitsbereich Industrielle Wasser- und Abwassertechnologie (IWT) durchgeführt. Die Versuchsanlagen wurden mit Rohabwasser aus einem Schnellimbiss-Restaurant beschickt. Die Temperatur des Rohabwassers bzw. des behandelten Abwassers kann nur eingeschränkt beurteilt werden, da es sich durch den Transport zum Versuchsstand und die Aufenthaltszeit im Vorlagebehälter der Umgebungstemperatur anpasst und somit nicht mit der Realität verglichen werden kann. Gegenstand der Untersuchung war die Feststellung einer grundsätzlichen Eignung der untersuchten Verfahren zur Reduzierung der organischen Fracht im bereits vorgestellten Abwasser. 6.1 (A) physikalisches Verfahren - Ultrafiltration Das Abwasserbehandlungskonzept A besteht aus einer membranunterstützten Ultrafiltration. Hauptkern dieser Anlage sind 8 Rohrmodule, deren Membranen aus Polyvinyldifluorit bestehen und eine Gesamtmembranfläche von 1,6 m 2 aufweisen. Zur besseren Veranschaulichung wird das Verfahrensschema der Ultrafiltrationsanlage (UF-Anlage) in Abbildung 7 dargestellt. 9

10 Ablauf Zulauf Permeat Retentat Sammelentleerung Permeatkammer Arbeitskammer Membranfiltration Abbildung 7: Verfahrensschema der UF-Anlage Die UF-Anlage wird im Batchbetrieb gefahren. Dazu wird die Arbeitskammer zunächst mit dem Abwasser aus dem Vorlagebehälter manuell befüllt. Das Abwasser wird beim Befüllen über einen Filter mit einer Maschenweite von 3 mm geleitet, wodurch Feststoffe, die die Membran zerstören können, entfernt werden. Mit einer Kreislaufpumpe wird das Abwasser aus der Arbeitskammer entnommen und die Module mit Volumenströmen zwischen 18 und 225 L/h beschickt. Das anfallende Permeat wird in das Kanalnetz geleitet. Das Retentat wird in die Arbeitskammer zurückgeführt. Aufkonzentriertes Abwasser verbleibt in der Arbeitskammer, die ein bis zweimal im Monat vollständig abgelassen wird. Bei jedem neuen Anfahren der Anlage wird das Retentat mit Rohabwasser verdünnt. Ist die gesamte vorgesehene Abwassercharge behandelt, werden die Membranen mit Klarwasser gespült. Dazu wird die Permeatkammer mit Klarwasser befüllt und die Module mit Hilfe der Kreislaufpumpe beschickt. Permeat und Retentat werden in die Permeatkammer zurückgeführt. Analysenergebnisse: Der Ablauf der Ultrafiltrationsanlage ist als gelblich-klar zu bezeichnen und weist einen leichten Fettgeruch auf. Die Temperatur des Abwassers erreicht je nach Laufzeit der UF-Anlage bis zu 5 C und liegt somit zeitweise über dem i.d.r. festgelegten Indirekteinleitergrenzwert von 35 C. Die Zu- und Ablaufwerte der Ultrafiltrationsanlage sind in Abbildung 8 dargestellt. Ein direkter Vergleich der Rohwasserwerte mit den Ablaufwerten des hier vorgestellten Verfahrens ist nicht möglich, da frisch zugeführtes Rohabwasser in der Arbeitskammer der UF-Anlage immer wieder mit bereits aufkonzentriertem Retentat vermischt wird. Die Konzentration der Inhaltsstoffe des zu behandelnden Abwassers in der Arbeitskammer liegt über der des eigentlichen Rohabwassers. 1

11 12 Zulauf CSB Ablauf CSB CSB [mg/l] Zulauf lipophile Stoffe Ablauf lipophile Stoffe lipophile Stoffe [mg/l] Betriebstage [d] Abbildung 8: Zu- und Ablaufwerte der UF-Anlage Deutlich zu sehen sind die großen Schwankungen im Rohabwasser, die sich sowohl beim CSB als auch den lipophilen Stoffen zeigen. Die Rohabwasserkurven des CSB und der lipophilen Stoffe verlaufen parallel. Durch dieses Verfahren konnte der CSB auf ca. 2 5 mg/l reduziert werden, wobei der in gelöster Form vorliegende CSB nicht eliminiert werden kann. Die durchschnittliche CSB- Reduzierung liegt bei 52 %, das Minimum und Maximum bei 25 % und 7 %. Durch die UF-Anlage werden die lipophilen Stoffe dem Abwasser beinahe vollständig entnommen. Die Konzentrationen liegen konstant unter 3 mg/l, i.d.r. sogar unter der analytischen Nachweisgrenze von 5 mg/l. Die mittlere Reduzierung liegt bei 98 % das Minimum und Maximum bei 95 %und 99 %. Das eingesetzte Abwasserbehandlungsverfahren hat keinen Einfluss auf den ph-wert. Das zugeführte Rohabwasser ist bereits versäuert und weist Werte unter 5 auf. Der ph-wert im Ablauf liegt somit i.d.r. ebenfalls unter 5. Mit diesem Verfahren kann eine ph-wert-anhebung nicht erreicht werden. Technische Betrachtung: Da es sich um Rohrmodule handelt, können beim Betrieb definierte, gut kontrollierte Strömungsverhältnisse eingestellt werden. Dies vermindert weitestgehend Ablagerungen und Verblockungen (DVGW, 1989). Die Standzeit der Membran ist nicht ermittelbar, da bei der Versuchsdurchführung kein Langzeitbetrieb durchgeführt wurde. Eine Verblockung kann durch die tägliche Spülung der Membranen mit Frischwasser und die kurzen zwei- bis vier-stündigen Betriebszeiten verhindert werden. Eine Änderung des Fluxes über den 2 ½ monatigen Versuchszeitraum konnte nicht beobachtet werden. Der Platzbedarf dieser Abwasserbehandlungsanlage ist minimal, da kein Reaktionsvolumen benötigt wird. Allerdings muss darauf hingewiesen werden, dass durch den verfahrensspezifisch aufzubringenden Druck mit einem erhöhten Energieeintrag zu rechnen ist. Die Bedienung der 11

12 Anlage ist per Knopfdruck möglich. Die Betriebskosten werden sowohl durch den Stromverbrauch für den benötigten Druck, den Gesamtbetrieb der Anlage, die Retentat Entsorgungskosten als auch durch die auszutauschenden Membrane verursacht. 6.2 (B) chemisch-physikalisches Verfahren - ph-werteinstellung, Fällung/Flockung und Flotation Als Beispiel für ein chemisch-physikalisches Verfahren wird als Abwasserbehandlungskonzept B eine ph-werteinstellung und Fällung/Flockung mit anschließender Flotation vorgestellt. Sie wird während der Versuchszeit im Batchbetrieb mit einem Durchsatz von 12 L/h gefahren. Abbildung 9 stellt den schematischen Verfahrensablauf dar. Flockungsmittel Emulsionsspalter NaOH Flotaträumer Flotatablaufrinne Luft Zulauf Bypass Kreislaufwasser Druckbehälter Ablauf Sediment Fällung/Flockung Neutralisation Flotation Flotat Abbildung 9: Verfahrensschema der Fällung/Flockung, Neutralisation und Flotation Vom Vorlagebehälter wird das Rohabwasser in eine Vorkammer befördert. Von dort wird es in die erste Mischkammer geleitet, in der Emulsionsspalter und Neutralisationsmittel zugegeben werden. Da das zu behandelnde Rohabwasser einen ph-wert von ca. 5 aufweist, wird Natronlauge zugegeben, um eine Reaktion mit dem in der zweiten Kammer zugegebenen Flockungsmittel zu erreichen. Dadurch kann der ph-grenzwert eingehalten werden. Die NaOH-Zugabe wird über eine kontinuierliche ph-wert-kontrolle gesteuert. In der zweiten Kammer wird, wie oben bereits erwähnt, das Flockungsmittel zugegeben. Beide Becken, in die die Chemikalien zugegeben werden, sind voll durchmischt. Im Anschluss an die erfolgte Flockenbildung wird das Wasser durch einen Bypass in das Flotationsbecken geleitet. Unterhalb dieses Zulaufes strömt das Luft-Wasser- Gemisch in den Reaktor ein. Die so eingetragenen Gasblasen lagern sich an die Flocken an und bewirken den Transport zur Wasseroberfläche. Dort bildet sich eine Flotatdecke, die durch einen Flotaträumer in die Flotatablaufrinne befördert wird. Nach dieser Rinne, die als Tauchwand fungiert, fließt das Klarwasser über einen Überlauf in ein nachgeschaltetes Sammelbecken. Analysenergebnisse: Der Ablauf der Flotation ist meistens gelblich-klar. In Abbildung 1 werden die Zu- und Ablaufwerte der Versuchsanlage dargelegt. Die erreichte Eliminationsrate des CSB liegt im Mittel bei 46 %, das Minimum und Maximum bei 34% und 58 % und weist im Ablauf Konzentrationen von 15 bis 32 mg/l auf. 12

13 Reihenrührversuche können diese Eliminationsraten bestätigen. Die membranfiltrierte CSB- Bestimmung im Rohabwasser zeigt im Vergleich zur homogenisierten, dass etwa 6 % des CSB in gelöster Form vorliegt. Die Untersuchungen zeigen, dass der nach erfolgter Fällung/Flockung noch im Abwasser nachweisbare CSB durch gelöste Stoffe im Wasser verursacht wird. Der gelöste CSB kann mit diesem Verfahren nur eingeschränkt eliminiert werden. Deutlich zu erkennen ist eine nahezu 1 %ige Elimination der lipophilen Stoffe. Der in den Abwassersatzungen teilweise mit 1 mg/l angegebene Grenzwert kann somit deutlich und konstant unterschritten werden. Die lipophilen Stoffe konnten konstant auf unter 5 mg/l reduziert werden. Die mittlere Reduzierung liegt bei 97 %, das Minimum und Maximum bei 93 % und 99 %. CSB [mg/l] Zulauf CSB Ablauf CSB Zulauf lipophile Stoffe Ablauf lipophile Stoffe lipophile Stoffe [mg/l] Betriebstage [h] Abbildung 1: Zu- und Ablaufwerte der Fällung/Flockung, Neutralisation und Flotation Durch die ph-wert-einstellung im Mischbecken mit Natronlauge liegt der ph-wert im Ablauf zwischen 6,7 und 8,5. Dabei muss die zur Steuerung der NaOH-Zugabe eingesetzte ph-sonde oft gereinigt werden, um Verklebungen zu entfernen, die zu Fehlmessungen führen können. Technische Betrachtung: Die Fällmittelzugabe sollte auf die Zulauffracht abgestimmt werden. Dies erfolgt im Versuchsbetrieb durch eine manuelle Regelung aufgrund der CSB-Werte des Rohabwassers. Ist dies nicht möglich, kann durch eine Überdosierung eine konstante Einhaltung der festgelegten Grenzwerte ermöglicht werden. Allerdings ist der erhöhte Chemikalieneinsatz und Schlammanfall zu beachten. Die Betriebskosten entstehen maßgeblich durch den Stromverbrauch, die Chemikalienzugabe und die Schlammentsorgung. Als Chemikalien werden Neutralisationsmittel sowie Fäll- und Flockungsmittel zugegeben. 6.3 (C) kombiniertes Verfahren - Belebungs- und Membranverfahren Das Abwasserbehandlungskonzept setzt sich aus einem bestehenden Fettabscheider, einem Vorlagebehälter und einer biologischen Stufe mit getauchten Membranen zur Biomasseabtrennung 13

14 zusammen. Von dort fliesst das Wasser in einen Permeatzwischenspeicher und dann in die Kanalisation. Die Versuchsanlage wie sie in Abbildung 11 dargestellt ist wird vor Ort in einem Restaurant mit realem Abwasser beschickt. Die Versuchsanlage wird nach einer längeren Einfahrphase 14 Tage beprobt. biologische Stufe mit getauchten Membranen Fettabscheider Vorlagebehälter Permeatzwischenspeicher Zulauf M1 M2 B2 Bypass bestehend B1 Umgebungsluft Ablauf Legende: B1: Probennahmestelle - Zulauf biologische Stufe B2: Probennahmestelle - Permeat M1: Wing-Modul M2: Rahmenmodul Abbildung 11: Schematische Darstellung der Abwasserbehandlungsanlage Der bereits bestehende Fettabscheider wird in die Abwasserbehandlung als Vorbehandlungsstufe integriert. Von dort fließt das Abwasser in freiem Gefälle dem Vorlagebehälter zu. Eine Pumpe fördert das Abwasser aus dem Vorlagebehälter in die biologische Stufe, die als Belebungsbecken betrieben wird. Diese Zulaufpumpe wird über einen Schwimmerschalter geregelt. Ab einem definierten Wasserstandsminimum in der biologischen Stufe fördert die Pumpe, und ab einem Maximum schaltet sie ab. Der Zulauf in den biologischen Reaktor erfolgt somit diskontinuierlich. Der Lufteintrag erfolgt über drei Rohrbelüfter. Die Biomasseabtrennung erfolgt über niederdruckbetriebene getauchte Membranmodule M1 und M2. Das Module M1 setzt sich aus Kapillarmembranen, die einseitig in einem Permeatsammelrohr fixiert sind, mit einer nach Herstellerangaben gesamten Membranfläche von 4 m² und einer Porengröße von,2 µm, zusammen. Das Modul M2 besteht aus zweiseitig in einem Permeatsammelrohr fixierten Kapillarmembranen mit einer nach Herstellerangaben gesamten Membranfläche von 8 m² und einer Porengröße von,1 µm. Das Permeat fließt in den Permeatzwischenspeicher, von dem aus das Wasser in das örtliche Kanalnetz gepumpt wird. Analysenergebnisse: Der Ablauf aus der Versuchsanlage, ist klar und vereinzelt mit Schwebeteilchen versehen behaftet. 14

15 Im Zulauf zur Belebungsstufe liegt der ph-wert im Mittel bei 4,6. Dieser niedrige Wert wird hauptsächlich durch die stattfindende Versäuerung des Küchenabwassers im bestehenden Fettabscheider und im Vorlagebehälter hervorgerufen. Eine weitere Ursache des sauren Abwassers können eingesetzte Reinigungsmittel sein. Ohne Zugabe von Lauge lediglich durch die aerobe biologische Behandlung kann der ph-wert im Mittel um 2,2 auf 6,8 angehoben werden. Der ph-wert im Zu- und Ablauf der Abwasserbehandlungsanlage ist in Abbildung 12 zu sehen. 9, 8, Zulauf ph-wert Ablauf ph-wert unterer Beurteilungsgrenzwert bei 6,5 oberer Beurteilungsgrenzwert bei 8,5 ph-wert [-] 7, 6, 5, 4, Probennummer Abbildung 12: ph-werte im Zu- und Ablauf der Versuchsanlage Die Konzentration der lipophilen Stoffe liegt im Zulauf durchschnittlich bei 619 mg/l und kann durch die aerobe Behandlung und die anschließende Filtration auf Werte weit unter 1 mg/l gesenkt werden. Die Elimination der Fette erfolgt durch den biologischen Abbau im Reaktor und durch Abtrennung mittels Membranfiltration. Die zweite Verfahrenssufe trennt somit nicht nur Biomasse ab und hält diese im System, sondern fungiert als Polizeifilter für die Elimination der lipophilen Stoffe. Die erreichte mittlere Konzentration an lipophilen Stoffen im Permeat liegt bei 13 mg/l. Die Konzentrationen der lipophilen Stoffe im Zu- und Ablauf sind in Abbildung 13 dargestellt. 9 lipophile Stoffe H17 [mg/l] Zulauf lipophile Stoffe H17 Ablauf lipophile Stoffe H17 Beurteilungsgrenzwert von 1 mg/l Probennummer Abbildung 13: Konzentration der lipophilen Stoffe im Zu- und Ablauf der Versuchsanlage 15

16 Der CSB-Wert im Zulauf zur biologischen Stufe und im Permeat ist in Abbildung 14 dargestellt. Im Zulauf liegen die Werte zwischen 639 und 3174 mg/l und im Mittel bei 4542 mg/l. Es sind somit große Zulaufschwankungen zu erkennen. Im Permeat liegt der CSB-Wert bis auf einen Wert (19 mg/l) immer unter 1 mg/l. Die CSB-Werte der ersten 6 Permeatproben liegen mit lediglich knapp über 6 mg/l, dem in Absprache mit den Interessenvertretern der Schnellimbiss- Kette zur Beurteilung festgelegten Beurteilungsgrenzwert CSB [mg/l] Zulauf CSB Ablauf CSB Beurteilungsgrenzwert von 6 mg/l Probennummer Abbildung 14: CSB-Konzentration im Zu- und Ablauf der Versuchsanlage Im Belebungsbecken wurde in regelmäßigen Abständen der Feststoffgehalt bestimmt, der Rückschlüsse auf den Schlammanfall und damit den zu entsorgenden Überschussschlamm zulässt. Die ermittelten AFS-Werte sind in Tabelle 2 zusammengestellt. Nach der Beprobungszeit erreicht der Feststoffgehalt einen Wert von 14,2 g/l. Ein Schlammabzug ist bei diesen Werten i.d.r. noch nicht erforderlich. Nach Aussage der Herstellerfirma kann dieses Verfahren mit einem Feststoffgehalt von bis zu 25 gts/l betrieben werden. Tabelle 2: TS-Gehalt im Belebungsbecken AFS Beprobungstag [g/l] 1 11,7 6 13,7 8 14, 11 13, , ,2 Der Schlammzuwachs über einen Zeitraum von 14 Tagen beträgt 2,5 g/l. Bei der Berücksichtigung des Volumens der biologischen Stufe von 28 Litern errechnet sich der Schlammzuwachs auf 7 kg. 16

17 Technische Betrachtung: Zu Beginn der Probennahmephase ist die Taktzeit der Permeatpumpe auf 2 Minuten Betrieb und 2 Sekunden Stillstand eingestellt. Am 6. Beprobungstag wird die Taktzeit auf 1 Minuten Betrieb und 1 Minute Stillstand umgestellt. Wie in Abbildung 15 deutlich wird, sinkt die Fluxleistung während der Beprobungszeit von einem Maximum bei 9,4 L/m²h bis auf ein zeitweises Minimum von 2,35 L/m²h. Diese Reduzierung wird auf die Bildung einer Membrandeckschicht zurückgeführt. Im weiteren Verlauf der Beprobung wird am 5. Beprobungstag die Taktzeit in ihrer Einstellung auf 2 Minuten Betrieb und 3 Sekunden Stillstand geändert. Durch die geringen Förderzeiten und die im Verhältnis dazu langen Stillstandszeiten soll die Deckschichtbildung bzw. Verschlammung der Membranen reduziert werden. Die Taktzeit der Permeatförderpumpe wird in dieser letzten Einstellung bis zum Ende der Beprobung beibehalten. 9, 8, 7, 6, 5, 4, 3, 2, Flux [L/m²h] Flux bezogen auf die gesamte Membranfläche (12 m²) Beprobungstag [d] Abbildung 15: Fluxleistung der eingesetzten Membrane bezogen auf die gesamte Membranfläche Wie in Abbildung 16 zu erkennen ist, sinkt der Permeatdruck, der in der Permeatleitung mit einer vor der Pumpe angeordneten Druckmessung bestimmt wird. Der Unterdruck ist als Relativdruck angegeben, d.h. negative Werte entstehen bei Unterdruck. Der Relativdruck und der Flux, der in Abbildung 15 dargestellt ist, sinken. Durch diesen Zusammenhang und die visuelle Kontrolle der Membranen kann die Vermutung, dass sich auf der Membran eine Deckschicht bildet, bestätigt werden. Die Deckschichtbildung ermöglicht die Abtrennung von kleineren Teilchen im Vergleich zur reinen Membranfiltration. Bei dieser sogenannten Deckschicht kontrollierten Filtration sinkt der Flux zu Beginn der Filtration und pendelt sich auf ein bestimmtes Niveau ein. Im Rahmen des Untersuchungszeitraumes konnte bei der vorliegenden Anlage ein sich einstellender Flux nicht beobachtet werden. Um hier eine Aussage treffen zu können, ist eine längere Betriebszeit der Module erforderlich. Um eine Deckschichtbildung zu verhindern, besteht die Möglichkeit, eine turbulente Strömung an der Membranoberfläche zu erzielen oder/und durch eine Optimierung der Zeit/Pausenschaltung der Verblockung entgegen zu wirken. 17

18 , -,5 -,1 -,15 -,2 -,25 -,3 -,35 -, Relativdruck (Unterdruck) [bar] Unterdruck im Saugschlauch Beprobungstag [d] Abbildung 16: Unterdruck im Saugschlauch Bis zum 9. Beprobungstag ist ein kontinuierlicher Abfall der Fluxleistung zu beobachten. Am 1. und 13. Beprobungstag werden Verstopfungen am Ablauf des Permeatsammelbehälters zum Bypass entfernt. Daraufhin steigt der Flux jeweils kurzzeitig an, sinkt aber bereits nach einem Tag wieder. Während der Einfahrphase ist eine starke Schaumentwicklung aufgetreten. Im Verlauf der Beprobungsphase von 14 Tagen wird keine Schaumbildung beobachtet, und die Zugabe von Entschäumer ist nicht notwendig. Der Betrieb einer biologischen Abwasserbehandlungsanlage ist im Allgemeinen als problemlos und wartungsarm einzustufen. Geprägt wird diese Verfahrensstufe durch die notwendige Belüftung sowie die Installation einer Saugpumpe für die Membranfiltration. Der Einsatz der Filtration hingegen bedarf, bedingt durch Überwachungstätigkeiten, eines erhöhten Personalaufwandes. 7 Schlussbemerkung und Ausblick Die oben beschriebenen Abwasserbehandlungsverfahren stellen einen Auszug aus den insgesamt 15 vom untersuchten Abwasserbehandlungsverfahren dar und geben exemplarisch das breite Spektrum der abwassertechnischen Möglichkeiten für diesen Anwendungsfall wider. Um ausblickend eine praktische Umsetzung eines Abwasserbehandlungsverfahrens zu erreichen, sind folgende Punkte als entscheidende Kriterien zu berücksichtigen und gegebenenfalls zu optimieren. Erste Priorität hat die die Gewährleistung der geforderten Reinigungsleistung. Die gewonnenen Ergebnisse lassen die Schlussfolgerung zu, dass grundsätzlich Verfahren existieren, die in der Lage sind Küchenabwasser den gesetzlichen Anforderungen entsprechend zu behandeln. Beim ph-wert wurden Werte über 6 erreicht, die lipophilen Stoffe liegen im Ablauf meist unter 1 mg/l, der CSB-Wert kann durch physikalische oder chemisch physikalische Behandlung nur auf unter 53 mg/l reduziert werden, während eine biologische Behandlung oder die Kombination einer biologischen Stufe mit einer Filtration CSB-Werte von unter 1 mg/l bzw. 6 mg/l zulässt. Bei allen Verfahren sind noch Optimierungsmöglichkeiten nötig und zum Großteil auch möglich. 18

19 Es handelt sich i.d.r. um eine weitergehende Abwasserreinigung und damit um eine Nachrüstungen der bereits bestehenden Abwasserbehandlungsanlagen. Somit wurde im Vorfeld kein Platz in den Restaurants vorgesehen. Damit ist ein geringer Platzbedarf der Anlage erforderlich. Die einzusetzenden Abwasserbehandlungsanlagen müssen eine hohe Betriebssicherheit und eine leichte Handhabung aufweisen, da das abwassertechnische Fachpersonal nicht rund um die Uhr zur Verfügung steht. Ein weiterer wichtiger Punkt ist die strikte räumliche Trennung der Abwasserbehandlung vom Küchenbetrieb und damit von den Lebensmitteln. Bei einigen Anlagen werden Gefahrstoffe eingesetzt, die nicht mit Lebensmitteln in Berührung kommen dürfen. In diesem Zusammenhang ist weiterhin zu berücksichtigen, dass Betriebspersonal nicht gleichzeitig in der Küche arbeiten und die Abwasserbehandlungsanlage betreiben kann. Die Wirtschaftlichkeitsanalyse gestaltet sich teilweise sehr schwierig, da nicht alle Faktoren monetär berechnet bzw. dargestellt werden können. Die Schwierigkeit ist es, die beiden Erfordernisse ein Verfahren zu finden, das die Frachten im Abwasser reduziert sowie auch die oben genannten Anforderungen erfüllt, in Einklang zu bringen. Da die von den Kommunen festgelegten Grenz- und Schwellenwerte örtlich unterschiedlich sind, ist es als sinnvoll, ein Abwasserbehandlungssystem als Baukastensystem zu entwickeln. Dieses System kann an die jeweiligen Anforderungen unter wirtschaftlichen Gesichtspunkten angepasst werden. Bei den an der Uni Stuttgart untersuchten Abwasserbehandlungsverfahren ist bei den ausgewählten Verfahren noch Optimierungspotential vorhanden. Eine Weiterentwicklung in der Praxis in Form von Langzeitversuchen sollte angestrebt werden. Dabei ist die Kombination mit weiteren Möglichkeiten wie prozessintegrierten Maßnahmen erstrebenswert. Danksagung Wir möchten uns bei den beteiligten Firmen für die Zurverfügungstellung der Versuchsergebnisse für diese Veröffentlichung bedanken. 19