Energieautarke Kläranlage

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1 Eidgenössisches Departement für Umwelt, Verkehr, Energie und Kommunikation UVEK Bundesamt für Energie BFE Schlussbericht 23. Februar 212 Energieautarke Kläranlage

2 Auftraggeber: Bundesamt für Energie BFE Forschungsprogramm Biomasse und Holzenergie CH-33 Bern Kofinanzierung: Abwasserverband Vorderes Prättigau, CH-7214 Grüsch Amt für Natur und Umwelt, CH-7 Chur Kappeler Concept AG, CH-7 Chur Auftragnehmer: Abwasserverband Vorderes Prättigau Seewis-Pardisla CH-7214 Grüsch EnergieSchweiz für Infrastrukturanlagen / InfraWatt Ernst A. Müller Pflanzschulstrasse 2 84 Winterthur Kappeler Concept AG Teuchelweg 59 CH-7 Chur Autoren: Dr. Jürg Kappeler, Kappeler Concept AG, kappeler@kuc.ch Thomas Blach, Kappeler Concept AG, kappeler@kuc.ch BFE-Bereichsleiter: Dr. Sandra Hermle BFE-Programmleiter: Dr. Sandra Hermle BFE-Vertrags- und Projektnummer: 153 / 12 Für den Inhalt und die Schlussfolgerungen ist ausschliesslich der Autor dieses Berichts verantwortlich. 2/42

3 Inhaltsverzeichnis Zusammenfassung Einleitung Projektidee Verfahrenstechnische Grundlagen Konventionelles Belebtschlammverfahren Zweistufiges Belebungsverfahren Pilotprojekt Zielsetzung und Kennzahlen Beschrieb Pilotprojekt Belastung, Betriebsbedingungen, Messdaten Auswertung Pilotprojekt Einfluss von Betriebsstörungen während Pilotphase Weitere Optimierungspotentiale des Verfahrens Interpretation hinsichtlich der ARA Vorderes Prättigau Machbarkeitsstudie Vergleich Periode bis mit Pilotphase vom bis Energieautarkie Diverse weitere Aspekte Anwendbarkeit auf Kläranlagen mit Vorklärung Umbau von Vorklärbecken in Hochlastbiologien Kompensation der reduzierten Stickstoffelimination Weitere Optimierungspotenziale Fazit Zukünftige Herausforderungen Mikroverunreinigungen Phosphor-Rückgewinnung Folgerungen /42

4 Zusammenfassung Vor dem Hintergrund des Atomausstiegs und unter Berücksichtigung zukünftig zeitweise instabiler Versorgungsnetze erhält das Thema Energieautarkie von Kläranlagen sowie der Lastausgleich eine grosse aktuelle Bedeutung. Entscheidend für den Energiehaushalt von Kläranlagen ist eine weitgehende Abtrennung von Partikeln aus dem Abwasser. Eine solche Abtrennung erfolgt heute in den meisten Kläranlagen in Vorklärbecken. Eine äusserst stark belastete Hochlastbiologie, in der ein grosser Teil der organischen Schmutzstoffe an den Belebtschlamm adsorbiert, ist eine interessante Variante. Ein geringerer Strombedarf und eine gesteigerte Faulgasproduktion sind die Folge, was zudem eine Steigerung des Eigenversorgungsgrades zur Folge hat. Für dieses alternative Verfahrenskonzept sind kaum Referenzwerte vorhanden. Um die Auswirkungen auf den Energiehaushalt abzuschätzen, wurde in der zweistufigen Kläranlage des Abwasserverbandes Vorderes Prättigau ein sechswöchiger Pilotversuch durchgeführt. Es zeigte sich, dass die Schlammproduktion gegenüber den üblichen Verfahren deutlich höher ist. Die Hypothese, wonach der Energiehaushalt durch eine Hochlastbiologie signifikant verbessert werden kann, konnte mit dem Pilotversuch bestätigt werden. Die Abwasserreinigungsanlage (ARA) Vorderes Prättigau, welche 2% Fremdschlamm vergärt, weist 211 einen Eigenversorgungsgrad bezüglich Strom von 31% auf. Wenn die geplanten Massnahmen zur Sanierung und Kapazitätssteigerung realisiert werden, kann die Kläranlage energieautark betrieben werden. Bei höherer Belastung kann sogar Strom ins Netz des Elektrizitätswerks eingespeist werden und dies bei gegenüber heute gesteigerter Reinigungsleistung. Ein Umbau zu einer Hochlastbiologie führt üblicherweise zu einer reduzierten Stickstoffelimination. Diese kann durch eine separate Behandlung der Rückläufe grösstenteils kompensiert werden. Die zukünftigen Herausforderungen Mikroverunreinigungen und Phosphor-Rückgewinnung beeinflussen das Konzept der Hochlastbiologie nicht. Die Umnutzung der Vorklärung in eine Hochlastbiologie kann bei vielen Kläranlagen in der Schweiz in der Praxis realisiert werden, ohne dass eine kostenintensive Volumenvergrösserung der Vorklärbecken notwendig ist. Ein Umbau kann z.b. durch die Erhöhung der Beckenkronen der Vorklärung oder durch die Installation eines neuen Hochlastreaktors, in vielen Fällen kostengünstig realisiert werden. Dies bedeutet, dass die Frage nach dem Anlagenkonzept v.a. auch bei Anlagenausbauten zu diskutieren ist. Sofern in der Schweiz jede zweite Kläranlage entsprechend umgerüstet würde, könnte der Stromverbrauch gegenüber heute um ca. 45 GWh/a gesenkt und die erneuerbare Stromproduktion um ca. 35 GWh/a erhöht werden. Das ergibt eine Verbesserung der Energiebilanz, ohne Berücksichtigung weiterer Optimierungsmassnahmen, um 8 GWh/a. Der heutige Fremdstrombezug der Kläranalagen in der Schweiz von knapp 387 GWh/a (BAFU-Studie 212) könnte mit der Hochlastbiologie also um rund 2% gesenkt werden. Das ist ungefähr so viel wie vergleichsweise alle Freizeit-, Sport- und Kulturanlagen in der Schweiz insgesamt an Strom verbrauchen. 4/42

5 % 1. Einleitung Kläranlagen sind häufig die grössten einzelnen Energieverbraucher der öffentlichen Hand. Zur Reinigung der Abwässer und zur Behandlung von Schlamm braucht es viel Energie. Da die Inhaltsstoffe der zu reinigenden Abwässer Energie enthalten, ist es möglich, einen Teil der benötigten Energie in den Kläranlagen selbst herzustellen. In den letzten Jahren hat die ökonomische und ökologische Bedeutung der Energie sprunghaft zugenommen. Darüber hinaus wurde die Bevölkerung durch Geschehnisse in der jüngsten Vergangenheit, wie beispielsweise durch die Nuklearkatastrophe von Fukushima, weiter sensibilisiert. Mit dem Ausstieg aus der Kernkraft gewinnt die Energieeffizienz und die Energieerzeugung aus regenerativen Energien zunehmend an Bedeutung. In diesem Zusammenhang wird auch ein energieautarker Betrieb von Kläranlagen zukünftig wichtiger. Des Weiteren ist zu erwarten, dass durch die Energieautarkie zukünftig instabile Versorgungsnetze entlastet und der Gewässerschutz auch bei instabilen Versorgungssituationen gewährleistet werden kann. Wie aus Abb. 1 hervorgeht, sind die meisten schweizerischen Kläranlagen, welche dem Stand der Technik entsprechen, nahezu wärmeautark 1 und übertreffen somit teilweise die geforderten Richt- resp. Idealwerte sortiert nach Anlagenbelastung (EWCSB,12,mittel) Eigenversorgungsgrad Wärme Idealwert: 97% Richtwert: 95% Abb. 1: Eigenversorgungsgrad bezüglich Wärme Bezüglich Elektrizität wird häufig ein Eigenversorgungsgrad von ca. 2 5% erreicht 3 (Abb. 2), was meistens noch nicht dem Richtwert 4 gemäss VSA/BFE entspricht. Der vom VSA/BFE angegebene Idealwert von 69% bezüglich Elektrizität wird ohne Co-Vergärung nur von weitgehend energetisch optimierten Anlagen erreicht 5. Vollständige Energieautarkie wird heute erst vereinzelt als realistisch beurteilt 6. 1 Kappeler J., Neubert K., Mit Benchmarking zur Energiewende, gwa 11/211, gemäss Energie in ARA; VSA / Bundesamt für Energie, 9.21: Anlagengrösse zwischen 5 und 1 EW: Richtwert: 9%, Idealwert 95% Anlagengrösse zwischen 1 und 3 EW: Richtwert: 95%, Idealwert 97% 3 Kappeler J., Neubert K., Mit Benchmarking zur Energiewende, gwa 11/211, gemäss Energie in ARA; VSA / Bundesamt für Energie, 9.21: Anlagengrösse zwischen 5 und 1 EW: Richtwert: 5%, Idealwert: 67% Anlagengrösse zwischen 1 und 3 EW: Richtwert 52%, Idealwert: 69% 5 Eigenversorgungsgrad bezüglich Elektrizität ca. 8% 6 Kappeler J. (21), Autarkie ist nicht utopisch, VTA Der Laubfrosch, Kappeler J. (21), Energieautarke Kläranlage Utopie oder Realität, Tagungsbericht 42. Tagung für das Klärwerkpersonal, Kühni M., Warthmann R., Baier U. (21), Energieautarke ARA ist technisch möglich, Umwelt Perspektiven 3, /42

6 % Eigenversorgungsgrad Elektrizität 12 sortiert nach Anlagenbelastung (EWCSB,12,mittel) 1 8 Idealwert: 69% 6 4 Richtwert: 52% Abb. 2: Eigenversorgungsgrad bezüglich Elektrizität (z.t. Anlagen mit Co-Vergärung) 2. Projektidee Ein entscheidender Punkt für den Energiehaushalt von Kläranlagen ist die Abtrennung von Feststoffen aus dem Abwasserstrom, bevor sie in der biologischen Stufe oxidiert werden. Besonders geeignet sind hierfür Kläranlagen, welche mit einer Hochlastbiologie, z.b. in zweistufigen Belebtschlammanlagen, ausgerüstet sind. Es ist zu erwarten, dass bei einer äusserst starken Belastung der Hochlaststufe ein Grossteil der organischen Fracht an den Belebtschlamm adsorbiert. Dies führt dazu, dass einerseits der für die Belüftung der biologischen Stufe erforderliche Strombedarf reduziert und andererseits eine grössere organische Fracht der Faulung zugeführt werden kann, was sich positiv auf die Energieproduktion auswirkt. Da jedoch keine realisierten Anlagen und verlässlichen Erfahrungswertewerte für das Verfahren mit einer äusserst stark belasteten Hochlastbiologie vorliegen, wurde ein Pilotversuch mit der Zielsetzung durchgeführt, den spezifischen Schlammanfall zu erhöhen und gleichzeitig die Belastung der biologisch weiter zu behandelnden organischen Schmutzfracht zu minimieren. Als langfristiges Ziel wird mit der Projektidee eine energieautarke Kläranlage ohne Co-Vergärung verfolgt. 3. Verfahrenstechnische Grundlagen 3.1 Konventionelles Belebtschlammverfahren In den typisch schweizerischen Kläranlagen, welche vorwiegend kommunale Abwässer behandeln, erfolgt die Abtrennung von Feststoffen aus dem Abwasser in Vorklärbecken. Eine schematische Darstellung einer konventionellen Kläranlage ist in Abb. 3 gegeben. 6/42

7 Abb. 3: Fliesschema einer konventionellen einstufigen Kläranlage Bei einem konventionellen Betrieb werden gemäss ATV-A 131 in der Vorklärung bei einer Aufenthaltszeit von 1.5 bis 2. Stunden ca. 33% des chemischen Sauerstoffbedarfs (CSB) resp. ca. 66% der Feststoffe 7 aus dem Abwasserstrom eliminiert. Etwa 4 g CSB/(EW*d) werden in der biologischen Stufe veratmet. Aus der ATV-A 131 kann abgeleitet werden, dass pro Einwohnerwert 8 in konventionellen Kläranlagen ca. 8 g Frischschlamm 9 produziert werden. 3.2 Zweistufiges Belebungsverfahren Vor gut dreissig Jahren wurden verschiedene Kläranlagen mit einer zweistufigen biologischen Abwasserreinigung, d.h. mit Hochlast- und Schwachlastbiologie, gebaut, aber noch nicht - wie nachfolgend dargelegt - im Sinne der Energieoptimierung genutzt und betrieben. Ziel des Verfahrens war, dass in der Hochlaststufe ein möglichst hoher Teil der organischen Abwasserfracht eliminiert werden konnte, und die Schwachlaststufe somit nur noch für die Nitrifikation ausgelegt werden musste. Demzufolge wurde die Hochlaststufe mit einem für den Kohlenstoff-Abbau optimalen Schlammalter von ca. 4 Tagen betrieben. Energetische Überlegungen spielten bei der Anwendung der zweistufigen Biologie höchstens eine untergeordnete Überlegung. Allerdings wurde schon damals festgestellt, dass die Schlammproduktion in der Hochlaststufe relativ gross ist. Eine schematische Darstellung des zweistufigen Verfahrens ist Abb. 4 zu entnehmen. 7 ausgedrückt als Trockensubstanz (TS) 8 12 g CSB/(EW*d) 9 Primärschlamm 45 g/(ew*d), Überschussschlamm 35 g/ew*d) bei einem Schlammalter von ca. 1 Tagen 7/42

8 Abb. 4: Fliesschema einer zweistufigen Kläranlage Das zweistufige Verfahren 1 wurde von Böhnke 11 beschrieben. Es wurde gezeigt, dass sogar bei einer hohen Schlammbelastung der Hochlaststufe von ca. 2 bis 5 kg BSB 5 /(kg TS*d) resp. bei einem Schlammalter von unter einem Tag etwa 7% der gesamten BSB 5 -Fracht eliminiert werden kann (Abb. 5). Abb. 5: BSB 5 -Abbau in Abhängigkeit der Schlammbelastung und Zuordnung von Überschussschlammenge und Schlammalter nach Betriebsergebnissen 12 1 Adsorptions-Belebungsverfahren (AB-Verfahren) 11 Böhnke B., Abwassertechnologie, Springer Verlag, Berlin Quelle: Taschenbuch der Stadtentwässerung; K. Imhoff, Oldenbourg Industrieverlag, 26 8/42

9 Schlammproduktion [kg TS/kg CSB] In Abb. 6 ist die gemäss ATV-A 131 zu erwartende spezifische Schlammproduktion für unterschiedliche Schlammalter und TS/CSB-Verhältnisse im Zulauf des Belebungsbeckens dargestellt 13. Es kann davon ausgegangen werden, dass bei einem äusserst niedrigen Schlammalter mehr Schlamm produziert resp. weniger Schlamm veratmet wird..8 TS/CSB-Verhältnis Schlammalter [d] Abb. 6: erwartete Schlammproduktion nach ATV-A 131 Aus oben genannten Überlegungen ist davon auszugehen, dass in Anlagen mit einer äusserst stark belasteten Hochlastbiologie der spezifische Schlammanfall signifikant höher ist als in den konventionellen Anlagen mit Vorklärung und einstufiger Biologie. 4. Pilotprojekt 4.1 Zielsetzung und Kennzahlen Basierend auf den oben genannten Grundlagen wurde eine Machbarkeitsstudie 14 erarbeitet, in der die Energieautarkie der zweistufigen ARA Vorderes Prättigau selbst bei einer signifikant verbesserten Reinigungsleistung als realistisch beurteilt wurde. Um die prognostizierte Energieautarkie der Kläranlage erreichen zu können, ist jedoch eine Verfahrensumstellung des vorhandenen zweistufigen Verfahrens notwendig. Durch die Verfahrensumstellung soll in der Hochlaststufe ein extrem niedriges Schlammalter von ca..5 Tagen erreicht werden. Das Schlammalter beim konventionellen Belebtschlammverfahren beträgt im Vergleich hierzu gemäss ATV-A 131 mindestens 4 Tage. Im Rahmen des Pilotprojekts soll geklärt werden, ob das Ziel einer energieautarken ARA erreicht werden kann. Im Hinblick auf Energieautarkie ist von zentraler Bedeutung, dass in der Hochlaststufe möglichst wenig organische Abwasserinhaltsstoffe veratmet werden, sondern lediglich an den hochbelasteten Belebtschlamm adsorbieren. Das hat zur Folge, dass der anfallende Überschussschlamm aus dem System entfernt werden muss, bevor die Bakterien dazu kommen, das organische Substrat aerob zu veratmen. Dies führt dazu, dass einerseits die für die Belüftung der biologischen Stufe erforderliche Energiemenge reduziert werden kann. Andererseits werden die Schlammproduktion und somit auch die Schlammengen zur Faulung hin erhöht, was sich positiv auf die Energieproduktion der ARA auswirkt. 13 für Schlammalter < 4 Tage wurden Werte extrapoliert 14 ARA Vorderes Prättigau auf dem Weg zur Energieautarkie Machbarkeitsstudie, Kappeler Concept AG, /42

10 Die Bedeutung des verfahrenstechnischen Konzepts für den Energieverbrauch und die Energieproduktion wird anhand der folgenden Kennzahlen beurteilt: CSB-Elimination in der Hochlaststufe (charakterisiert den Sauerstoffbedarf in der Schwachlaststufe) spezifische Brutto-Schlammproduktion in der Hochlaststufe (charakterisiert Adsorption in Hochlaststufe) spezifische Netto-Schlammproduktion 15 in der Hochlaststufe (charakterisiert Adsorption in Hochlaststufe) gesamte Schlammproduktion in beiden biologischen Stufen spezifische Gasproduktion (charakterisiert Ausfaulung des Überschussschlamms) 4.2 Beschrieb Pilotprojekt Das Anlagenlayout während des Pilotprojekts sowie die notwendigen Messstellen zur CSBund Schlammbilanz über die Hochlaststufe sind der Abb. 7 zu entnehmen. Abb. 7: Verfahrensschema und Probenahmestellen 15 entspricht der gesamten Schlammproduktion abzüglich Schlammabtrieb in die Schwachlaststufe 1/42

11 Gemäss Machbarkeitsstudie wurde für das Erreichen der Energieautarkie gefordert, dass die Hochlaststufe der ARA Vorderes Prättigau mit einem Schlammalter von ca..5 Tagen betrieben werden sollte. Um ein Schlammalter von.5 Tagen zu erreichen, war es für das Pilotprojekt zwingend notwendig, ein Hochlastbecken ausser Betrieb zu nehmen (Abb. 8). Entsprechend der angenommenen Schmutzfrachten 16 und der abgeschätzten Schlammproduktion 17 setzt ein solch geringes Schlammalter einen maximalen TS-Gehalt in der Hochlaststufe von ca. 2.6 g/l voraus. Um eine ausreichende Sedimentation des Überschussschlammes sicherzustellen, war der Betrieb beider Zwischenklärbecken notwendig. Hierfür wurde eine zusätzliche Pumpe installiert, welche das Abwasser aus der Hochlaststufe gleichmässig 18 auf beide Zwischenklärungen aufteilte (Abb. 9). Abb. 8: Hochlaststufe beim Betrieb von nur einem Becken Abb. 9: Pumpleitung zur Aufteilung des Abwassers auf die zweite Zwischenklärung Da das Abwasser nicht mehr über die gesamte Beckenbreite in das Zwischenklärbecken 2, sondern punktuell, eingeleitet wurde, entstand eine Aufwirbelung des sedimentierten Schlammes, was zur Schaumbildung und einem Schlammverlust aus der Zwischenklärung führte (Abb. 1). Dieses Problem wurde mittels einer provisorischen Installation von Staublechen auf den ersten 8 Metern der Zwischenklärung behoben (Abb. 11). Abb. 1: Schlammaufwirbelung in der Zwischenklärung Abb. 11: provisorisch installierte Staubleche Da die infolge der Verfahrensumstellung resultierenden signifikant höheren Schlammengen mit der vorhandenen Infrastruktur nicht ordnungsgemäss weiterverarbeitet werden konnten, musste für die Versuchsphase eine mobile Überschussschlammeindickung installiert werden (Abb. 12). Da es sich bei der Schlammeindickung um eine provisorische Installation handelte, welche mit vernünftigem Aufwand nicht automatisiert betrieben werden konnte, war ein Betrieb der Entwässerung und somit auch des Überschussschlammabzugs aus der Hoch- 16 mittlere CSB-Fracht ca kg/d 17.6 kg TS/kg CSB 18 Regelung der Pumpenleistung über die Zulaufmengenmessung 11/42

12 laststufe nur während der üblichen Betriebszeiten der ARA 19 möglich. Zur Erstellung der CSB- und Schlammbilanz war die Installation einer zusätzlichen Probenahmestelle im Ablauf der Zwischenklärung notwendig (Abb. 13). Abb. 12: Schlammentwässerung Abb. 13: Probenehmer im Ablauf der Zwischenklärung Da die Messung im Ablauf der Zwischenklärung aus technischen Gründen nur zeitproportional erfolgen konnte, wurde entschieden, dass auch die Zu- und Ablaufmessung auf zeitproportionalen Betrieb umgestellt werden. Dies hat zur Folge, dass die Zulauffracht allenfalls tendenziell unterschätzt wird 2. Die Ablauffrachten aus der Zwischen- und Nachklärung werden durch die zeitproportionale Messung kaum beeinflusst. Das Pilotprojekt wurde in der Periode vom 1. Oktober 211 bis 17. November 211 durchgeführt. 4.3 Belastung, Betriebsbedingungen, Messdaten Nachfolgend sind die Betriebsbedingungen, die aufgezeichneten Messdaten sowie die Ablaufwerte der ARA Vorderes Prättigau während der Versuchsphase dargestellt. Wo sinnvoll, sind die entsprechenden Tageswerte abgebildet. Da jedoch die Tageswerte nicht für sämtliche Parameter repräsentative Ergebnisse darstellen, sind für gewisse Parameter Wochenwerte oder Versuchsmittelwerte berechnet resp. abgebildet Hochlaststufe In Abb. 14 ist der Abwasserzufluss zur ARA Vorderes Prättigau dargestellt. Es ist zu erkennen, dass die hydraulische Belastung der ARA in den ersten Versuchstagen niederschlagsbedingt recht hoch war. Nachfolgend hat die hydraulische Belastung abgenommen und war in den letzten Versuchswochen nahezu konstant. Diese Abnahme hat keinen Einfluss auf die nachfolgend untersuchte energetische Wirkung der Hochlastbiologie. 19 nur wochentags von 7. Uhr bis 16. Uhr 2 Einfluss für Interpretation nicht entscheidend; Sensitivitätsanalyse hinsichtlich der relevanten Kennzahlen im Kapitel /42

13 Ntot-Zulauffracht [kg/d] CSB-Fracht [kg/d] Abwassermenge [m 3 /d] 4' 3' 2' 1' Abb. 14: Abwassermenge im Zulauf der ARA Aus der Darstellung der CSB-Zulauffrachten (Abb. 15) ist ersichtlich, dass die Belastung der ARA während der Versuchsdauer bis auf wenige Ausnahmen zwischen 5 und 1 kg CSB/d betrug. Da die CSB-Konzentration nicht an allen Tagen erfasst wurde, wird für die weiteren Darstellungen und Auswertungen für jene Tage, für die keine Messdaten vorliegen, von einer mittleren CSB-Fracht von 818 kg /d ausgegangen. 2' 1'5 1' durchschnittliche CSB-Fracht: 818 kg/d 5 keine Messung keine Messung keine Messung keine Messung keine Messung Abb. 15: CSB-Zulauffrachten zur Hochlaststufe Entsprechend der CSB-Frachten waren auch die Stickstoff- und Phosphor-Frachten über die gesamte Versuchsdauer etwa konstant (Abb. 16 und Abb. 17) durchschnittliche Ntot-Fracht: 97 kg/d Abb. 16: N tot-zulauffrachten 13/42

14 berechnete Einwohnerwerte Ptot-Zulauffracht [kg/d] 2 16 durchschnittliche Ptot-Fracht: 14.6 kg/d Abb. 17: P tot-zulauffrachten Im Sinne einer groben Plausibilitätsprüfung sind in Abb. 18 die aus den Zulauffrachten sowie die aus der Schlamm- und Gasproduktion berechneten Einwohnerwerte dargestellt. Die ARA Vorderes Prättigau wurde während des Pilotprojekts mit ca. 6 8 bis 8 7 Einwohnerwerten belastet. Auffallend ist, dass die CSB-Belastung der ARA geringer als die Stickstoff- resp. Phosphor-Belastung war. Ursache hierfür ist, dass im Gegensatz zur N tot -und P tot -Konzentration die CSB-Konzentration während der gesamten Versuchsdauer jeweils von Sonntag bis Donnerstag, die N tot - und P tot -Konzentrationen jedoch nur stichprobenartig an einzelnen Wochentagen, erfasst wurden und die Schmutzstofffrachten am Wochenende tendenziell geringer sind. Infolge der Verfahrensumstellung können die mit den üblichen Werten für das konventionelle Verfahren berechneten Einwohnerwerte für den Schlammanfall sowie für die Gasproduktion nicht verwendet werden. Für die Gasproduktion sowie den Schlammanfall resultiert für die Pilotphase eine deutlich höhere Belastung. Hinsichtlich der auf der ARA produzierten Schlammmenge wäre von einer Belastung mit ca Einwohnerwerten auszugehen. Die berechneten Einwohnerwerte für die Gasproduktion entsprechen einer Belastung von ca Einwohnern. Der deutliche Unterschied zwischen dem Schlammanfall und der Gasproduktion begründet sich in der Co-Vergärung von Fremdschlamm 21 in der ARA Vorderes Prättigau. Unter Berücksichtigung dieser Einflüsse kann davon ausgegangen werden, dass die in der Pilotperiode bestimmten Belastungswerte der ARA Vorderes Prättigau, an die ca. 7 Einwohner angeschlossen sind, grundsätzlich plausibel sind. 25' 2' 15' Mittelwerte CSB: 6'8 EW Ntot 8'7 EW Ptot: 8'1 EW TS: 11'7 EW Gas: 14'2 EW EW (12 g CSB/EW*d) EW (11 g Ntot/EW*d) EW (1.8 g Ptot/EW*d) EW (8 g TS/EW*d) EW (27 l Gas/EW*d) 1' 5' Abb. 18: berechnete Einwohnerwerte Abb. 19 zeigt, dass die ph-werte im Zulauf der Hochlaststufe während des Pilotprojekts im optimalen Bereich lagen. 21 Fremdschlammanfall ca. 28 kg TS/d, entspricht ca. 2 6 Einwohnerwerten 14/42

15 Sauerstoff-Konzentration in der Hochlaststufe [mg O2/l] TS-Gehalt in der Hochlaststufe [g/l] ph-wert [-] 1 max min Abb. 19: minimale und maximale ph-werte im Zulauf Aus Abb. 2 geht hervor, dass der Trockensubstanzgehalt in der Hochlaststufe, vor allem in der dritten und vierten Versuchswoche, deutlich über dem Sollwert von ca. 2.6 g/l lag. Ursache für den starken Trockensubstanzanstieg in der Hochlaststufe war der Ausfall der Pumpe zur Aufteilung des Abwasserstroms auf die beiden Zwischenklärbecken. Für die Dauer von ca. 1 Stunde wurde unmittelbar nach dem Ausfall der Pumpe weiterhin Schlamm aus dem Zwischenklärbecken 2 abgezogen, ohne dass das Zwischenklärbecken 2 mit Belebtschlamm aus der Hochlaststufe beschickt wurde. Dies hatte zur Folge, dass die Zwischenklärung teilweise leergepumpt wurde und so ein grosser Teil des Schlammbetts des Zwischenklärbeckens 2 in die Hochlaststufe geführt wurde. Aufgrund des limitierten Überschussschlammabzugs 22 aus der Hochlaststufe konnte der TS-Gehalt in den nachfolgenden Tagen nur langsam abgesenkt werden Sollwert: 2.6 g/l Abb. 2: Trockensubstanzgehalt in der Hochlaststufe Die Hochlaststufe wurde bei Sauerstoff-Konzentrationen zwischen.4 bis 4.7 mg/l betrieben. Die mittlere Sauerstoff-Konzentration betrug ca. 2.3 mg/l (Abb. 21). 5 max mit min Abb. 21: Sauerstoff-Konzentrationen in der Hochlaststufe 22 Schlammabzug nur wochentags während der üblichen Betriebszeit der ARA 15/42

16 Schlammalter Hochlaststufe [d] Aus Abb. 22 ist zu entnehmen, dass die Schlammbelastung in der Hochlaststufe für die Versuchsdauer durchschnittlich 4.3 kg BSB 5 /(kg TS*d) betrug. Gemäss der Projektidee wurde gefordert, dass die Schlammbelastung mindestens 2. kg BSB 5 /(kg TS*d) betragen sollte. Abb. 22: Schlammbelastung in der Hochlaststufe Aus Abb. 23 folgt, dass das Schlammalter in der Hochlaststufe bei durchschnittlich.6 Tagen, und somit nur geringfügig über dem vorab definierten Zielwert von.5 Tagen, lag. Ein niedrigeres Schlammalter konnte mit der vorhandenen Infrastruktur 23 nicht erreicht werden Zielwert:.5 Tage KW 41 KW 42 KW 43 KW 44 KW 45 KW 46 Abb. 23: Schlammalter im Wochenmittel In Abb. 24 ist die täglich abgezogene Überschussschlammmenge aus der Hochlaststufe dargestellt. Wie bereits in Kap. 4.3 beschrieben, konnte an Wochenenden betriebsbedingt kein Überschussschlamm abgezogen werden. Die maximale Überschussschlammenge betrug in den ersten beiden Versuchswochen ca. 2 m 3 /d. Nach einer Optimierung der Flockungsmitteldosierung konnten ab dem bis zu 27 m 3 /d abgezogen werden. Durchschnittlich wurden während der Pilotphase ca. 155 m 3 /d Überschussschlamm abgezogen. 23 Limitierung des Überschussschlammabzugs aus der Hochlaststufe 16/42

17 CSB-Reinigungsleistung [%] Überschussschlammenge Hochlast [m 3 /dl] Abb. 24: Überschussschlammabzug aus der Hochlaststufe Abb. 25 ist zu entnehmen, dass die Reinigungsleistung 24 in der Hochlaststufe hinsichtlich der CSB-Konzentration sehr starke Schwankungen aufweist. Die durchschnittliche Reinigungsleistung 25 betrug für die gesamte Versuchsdauer ca. 63%. Am resp. am wurden nur sehr geringe Reinigungsleistungen von weniger als 25% gemessen. 1% 8% 6% 4% 2% % Abb. 25: CSB-Reinigungsleistung in der Hochlaststufe Die durchschnittliche GUS-Konzentration im Rohzulauf der ARA betrug ca. 28 mg/l 28. Aus dem Ablauf der Zwischenklärung gelangten im Mittel ca. 19 mg/l Feststoffe zur Schwachlaststufe. In Abb. 26 sind die CSB-Frachten im Zu- und Ablauf der Hochlaststufe sowie die aus den entsprechenden Frachten resultierende CSB-Elimination 29 für Veratmung und Einbindung resp. Adsorption in den Belebtschlamm dargestellt. Die Elimination durch Veratmung und Adsorption betrug für die gesamte Versuchsdauer ca. 69%. Der Unterschied zur CSB-Reinigungsleistung von 63% (Abb. 25) begründet sich darin, dass ein Teil der CSB-Fracht mit dem Überschussschlamm aus der Hochlaststufe entfernt wurde. 24 berechnet als Differenz von Zulaufkonzentration zu Ablaufkonzentration dividiert durch die Zulaufkonzentration 25 allenfalls Überschätzung der Reinigungsleistung in der ersten Versuchswoche: Probenahme im Ablauf der Hochlaststufe erfolgte im Zwischenklärbecken 1, es wurde jedoch ein deutlicher Schlammabtrieb aus dem Zwischenklärbecken 2 beobachtet; durch die Installation von Staublechen wurde der Fehler behoben. 26 Störfall infolge einer unrechtmässigen Einleitung von Blut von einer Metzgerei im Einzugsgebiet 27 Ursache unbekannt 28 somit Verhältnis von TS zu CSB durchschnittlich.6 29 berechnet als Differenz von Zulauffracht zu Ablauffracht dividiert durch die Zulauffracht 17/42

18 effekive Schlammvolumenbelastung [l/(m 2 /h)] CSB-Fracht [kg/d] CSB-Elimination [%] 2' CSB-Fracht Rohzulauf CSB-Fracht Ablauf ZKB CSB-Elimination 1% 1'5 75% 1' 5% 5 25% % Abb. 26: CSB-Frachten und -Elimination in der Hochlaststufe Die Schlammvolumenbelastung der Zwischenklärung 3 bei der effektiven hydraulischen Belastung ist Abb. 27 zu entnehmen. Es ist zu erkennen, dass die Schlammvolumenbelastung aufgrund des Betriebs von nur einem Zwischenklärbecken im Zeitraum vom bis zum deutlich über dem gemäss ATV-A 131 empfohlenen Richtwert für Nachklärbecken von 5 l/(m 2 *h) lag. Unter Berücksichtigung, dass es sich um ein Zwischenklärbecken handelt, in dem nicht sämtliche Feststoffe zurückgehalten werden müssen, war die Schlammvolumenbelastung der Zwischenklärung in Ordnung. Für die hypothetische Annahme, dass die Hochlaststufe dauernd mit dem maximalen Zufluss Q 31 max belastet worden wäre, resultiert, dass die Zwischenklärung bei Betrieb nur eines Absetzbeckens bei schlechten Absetzeigenschaften an ihre Kapazitätsgrenzen gekommen wäre. 1'2 maximal effektiv Betrieb von nur einem Zwischenklärbecken 9 6 Richtwert für Nachklärbecken ATV-A: 5 l/(m 2 *h)] Abb. 27: Schlammvolumenbelastung der Zwischenklärung bei effektiver und maximaler hydraulischer Belastung Schwachlaststufe Die Schwachlaststufe der ARA Vorderes Prättigau wurde während des Versuchsbetriebs durchschnittlich mit 254 kg CSB/d belastet (Abb. 28). Analog der Hochlaststufe wird auch für die Schwachlaststufe für jene Tage, an denen keine CSB-Messung durchgeführt wurde, vom Mittelwert für die weiteren Berechnungen ausgegangen. 3 Annahme für SVI 12 ml/g 31 Q max = 12 l/s 18/42

19 Schlammvolumenindex Schwachlast [ml/g] TS-Ggehalt in der Schwachlaststufe [g/l] CSB-Fracht [kg/d] durchschnittliche CSB-Fracht: 254 kg/d 2 keine Messung keine Messung keine Messung keine Messung keine Messung Abb. 28: CSB-Frachten im Ablauf der Zwischenklärung Der Trockensubstanzgehalt der Schwachlaststufe ist in Abb. 29 dargestellt. Da aufgrund von Problemen mit der Überschussschlammeindickung in der ersten Woche nicht genügend Schlamm aus der Hochlaststufe abgezogen werden konnte und dieser teilweise aus dem Zwischenklärbecken 2 in die Schwachlaststufe abtrieb, stieg der TS-Gehalt in der Schwachlaststufe auf bis zu 6 g/l an. In der darauf folgenden Zeit wurde die zweite Stufe mit einem durchschnittlichen TS-Gehalt von ca. 2.9 g/l betrieben Abb. 29: Trockensubstanzgehalt in der Schwachlaststufe Aus der Darstellung des Schlammvolumenindex folgt, dass die Schlammabsetzeigenschaften in der Schwachlaststufe in der Regel gut waren (Abb. 3) Abb. 3: Schlammvolumenindex der Schwachlaststufe Die Schwachlaststufe wurde während der Versuchsdauer mit einem durchschnittlichen Schlammalter von ca. 4 Tagen betrieben. Daraus resultiert, dass der Sicherheitsfaktor gegen Ausspülen der Nitrifikanten zu Versuchsbeginn nur knapp über 1. gelegen hat und zum 19/42

20 effekive Schlammvolumenbelastung [l/(m 2 *h)] Schlammbelastung [kg BSB5/(kg TS*d)B] Schlammalter Schwachlaststufe [d] Versuchsende unter 1. gesunken ist, was eine nur teilweise resp. gar keine Nitrifikation vermuten lässt nicht bilanzierbar KW 41 KW 42 KW 43 KW 44 KW 45 KW 46 Abb. 31: Schlammalter in der Schwachlaststufe Die Schlammbelastung der Schwachlaststufe (Abb. 32) betrug im Mittel ca..34 kg BSB 5 /(kg TS*d). Infolge einer nur ungenügenden Reinigungsleistung in der Hochlaststufe ist die Schlammbelastung an zwei Versuchstagen auf über.8 kg BSB 5 /(kg TS*d) angestiegen Mittelwert:.34 kg BSB5/(kg TS*d) Abb. 32: Schlammbelastung der Schwachlaststufe Aus der Schlammvolumenbelastung der Nachklärung (Abb. 33) geht hervor, dass die Nachklärung mit Ausnahme der ersten Versuchswoche 32 nicht überlastet wurde. Für den hypothetischen Fall, dass die Schwachlaststufe mit dem maximalen Abwasseranfall Q max 33 belastet worden wäre, ist wie bei der Zwischenklärung auch davon auszugehen, dass die Nachklärung an ihre Kapazitätsgrenze gekommen wäre. 1'2 maximal effektiv 9 6 Richtwert für Nachklärbecken ATV-A: 5 l/(m 2 *h)] Abb. 33: Schlammvolumenbelastung der Nachklärung 32 sehr hohe TS-Gehalte in der Schwachlast infolge Schlammabtrieb aus Zwischenklärbecken 2 33 Q max = 12 l/s 2/42

21 CSB-Ablaufkonzentration [mg/l] BSB5-Ablaufkonzentration [mg/l] CSB-Reinigungsleistung [%] Die CSB-Reinigungsleistung nur der Schwachlaststufe (Abb. 34) betrug während der Versuchsphase durchschnittlich ca. 77%. 1% 8% 6% 4% 2% % Abb. 34: CSB-Reinigungsleistung der Schwachlaststufe Aus Abb. 35 geht hervor, dass die BSB 5 -Ablaufkonzentration während der gesamten Versuchsdauer bis auf eine Ausnahme unter 1 mg/l war. Einzig am 15. November 211 wurde der Grenzwert mit einer Ablaufkonzentration von 21 mg/l überschritten Grenzwert: 15 mg/l Abb. 35: BSB 5-Ablaufkonzentration Der Grenzwert für die CSB-Ablaufkonzentration wurde während der gesamten Pilotprojektphase eingehalten (Abb. 36). 8 6 Grenzwert: 6 mg/l Abb. 36: CSB-Ablaufkonzentration 21/42

22 NH4-N-Ablaufkonzentration [mg/l] GUS-Ablaufkonzentration [mg/l] CSB-Reinigungsleistung [%] Wie Abb. 37 zu entnehmen ist, war die CSB-Reinigungsleistung der Gesamtanlange während des Pilotprojekts sehr gut und betrug durchschnittlich ca. 93% % 1% Schwachlast Hochlast 8% 6% 4% 2% % Abb. 37: CSB-Reinigungsleistung ARA Analog zum BSB 5 wurde der Grenzwert für die GUS-Ablaufkonzentration (Abb. 38) bis auf eine Ausnahme stets eingehalten. Am 15. November 211 betrug die GUS-Ablaufkonzentration 17 mg/l. Folglich ist davon auszugehen, dass die Überschreitung des BSB 5 -Grenzwerts mit einem Schlammabtrieb aus der Nachklärung zu begründen ist. Wieso es am trotz niedriger Schlammvolumenbelastung der Nachklärung zu leichtem Schlammtreiben gekommen ist, kann nicht mehr beurteilt werden Grenzwert: 15 mg/l Abb. 38: GUS-Ablaufkonzentration Aus Abb. 39 geht hervor, dass die Schwachlaststufe nur anfänglich vollständig nitrifizierte. Entsprechend dem Sicherheitsfaktor gegen Ausspülen der Nitrifikanten fand nachher nur noch teilweise resp. gar keine Nitrifikation mehr statt Abb. 39: Ammonium-Ablaufkonzentration 34 Anteil Hochlaststufe ca. 63%, Anteil Schwachlaststufe ca. 3% 22/42

23 Ptot-Ablaufkonzentration [mg/l] NO3-N-Ablaufkonzentration [mg/l] NO2-N-Ablaufkonzentration [mg/l] Der zeitweise nicht vollständigen Nitrifikation entsprechend waren die Nitrit-Ablaufkonzentrationen ebenfalls zeitweise hoch (Abb. 4) Abb. 4: Nitrit-Ablaufkonzentration In Abb. 41 sind die Nitrat-Ablaufkonzentrationen dargestellt Abb. 41: Nitrat-Ablaufkonzentration Aus der Darstellung der Phosphor-Ablaufkonzentration in Abb. 42 folgt, dass die Fällmitteldosierung zeitweise knapp erfolgte. Ursache hierfür war die versuchsbedingte provisorische Leitungsführung der Fällmitteldosierung zwecks Phosphat-Fällung in der Schwachlaststufe..8.6 Grenzwert:.5 mg/l Abb. 42: Phosphor-Ablaufkonzentration 23/42

24 Gasproduktion [m 3 /d] Aufenthaltszeit in der Faulung [d] Schlammbehandlung Die Aufenthaltszeit in der Faulung (Abb. 43) betrug für die Versuchsdauer durchschnittlich ca. 27 Tage. Somit ist davon auszugehen, dass ein entsprechend hoher Ausfaulgrad erreicht wurde Mittelwert: 27 d Abb. 43: Aufenthaltszeit in der Faulung Aus Abb. 44 geht hervor, dass die durchschnittliche Gasproduktion während der Versuchsphase 382 m 3 /d betrug. Des Weiteren ist zu erkennen, dass die Gasproduktion besonders ab der dritten Versuchswoche deutlich angestiegen ist. Negativ beeinträchtigt wurde die Gasproduktion zum einen durch die Beschickung des Faulraums mit ca. 77 m 3 Dünnschlamm 35 am 15. Oktober 211. Zum anderen ist davon auszugehen, dass die geringere Gasproduktion in der letzten Versuchswoche eine Folge der für anaerobe mesophile Mikroorganismen grossen Temperaturreduktion 36 von 3 C innerhalb nur weniger Tage war Mittelwert: 382 m 3 /d Abb. 44: Gasproduktion 4.4 Auswertung Pilotprojekt Grundlegende Annahmen Da einige Messdaten, wie beispielsweise die Zu- und Ablaufkonzentrationen, nicht an allen Tagen erfasst wurden, sind für die Erstellung der CSB- und Schlammbilanz einige Annahmen zu treffen. 35 infolge fehlerhafter Schieberprogrammierung 36 infolge BHKW-Ausfall vom 12. November /42

25 spez. Schlammproduktion [kg TS/(kg CSB] Hinsichtlich der CSB-Bilanz wird angenommen, dass die CSB-Fracht im Zu- und Ablauf der Hochlaststufe für jene Versuchstage, an denen keine Messdaten erhoben wurden, der mittleren gemessenen CSB-Facht der Pilotphase entspricht. Die Trockensubstanz-Fracht im Ablauf der Zwischenklärung wurde während der Versuchsphase stichprobenartig 37 erfasst. Für die Erstellung der Schlammbilanz wird für den Zeitraum, in dem beide Zwischenklärbecken in Betrieb waren, ein Mittelwert für die GUS-Ablaufkonzentration von 8 mg/l, für den Betrieb von nur einem Zwischenklärbecken 38 ein Mittelwert von 16 mg GUS/l, verwendet. Des Weiteren wird von einem konstanten CSB/Trockensubstanz-Verhältnis 39 im Belebtschlamm der Hochlaststufe von 1. sowie von einem CSB/BSB 5 -Verhältnis im Rohabwasser von 2. ausgegangen Kennzahlen Aus Abb. 45 geht hervor, dass die spezifische Brutto-Schlammproduktion 4 in der Hochlaststufe im Mittel ca..82 kg TS/kg CSB betrug Schlammabtrieb aus ZKB Überschussschlamm Abb. 45: spezifische Schlammproduktion in der Hochlaststufe Aus der Darstellung der spezifischen Netto-Schlammproduktion 41 im Wochenmittel folgt, dass durchschnittlich ca..6 kg TS/kg CSB in der Hochlaststufe produziert wurden. Die vergleichbar geringe Schlammproduktion in der ersten Versuchswoche hängt mit einem nur sehr geringen Überschussschlammabzug aus der Hochlaststufe (Abb. 24) infolge von Betriebsproblemen mit der Schlammentwässerung zusammen. Der Anstieg der Schlammproduktion in der 3. Versuchswoche ist auf den Ausfall einer Zwischenklärung sowie der damit verbundenen Rückführung des in der Zwischenklärung gestapelten Schlammes zurückzuführen. Der Betrieb beider Zwischenklärbecken wurde am 8. November 211 wieder aufgenommen, so dass davon auszugehen ist, dass die entsprechende Schlammmenge wieder zurückgeführt wurde 42 und die über die ganze Versuchsperiode berechnete Schlammproduktion somit korrekt ist Messungen 38 Zeitraum vom bis Erfahrungswert 4 Überschussschlamm und Schlammabtrieb aus der Zwischenklärung 41 nur Überschussschlamm ohne Schlammabtrieb aus der Zwischenklärung 42 Schlammbett wurde wieder aufgebaut 25/42

26 spez. Schlammproduktion Gesamtanlage [kg TS/(kg CSB] spez. Netto-Schlammproduktionc der Hochlaststufe [kg TS/(kg CSB] 1. ohne Beachtung des Schlammabtriebs aus der Zwischenklärung.8 Mittelwert:.6 kg TS/kg CSB KW 41 KW 42 KW 43 KW 44 KW 45 KW 46 Abb. 46: spezifische Netto-Schlammproduktion in der Hochlaststufe als Wochenmittelwert Die spezifische Schlammproduktion 43 beider biologischen Stufen (Abb. 47) betrug im Versuchsmittel ca kg TS/kg CSB 44. Analog der spezifischen Schlammproduktion der Hochlaststufe ist auch der Anstieg der spezifischen Schlammproduktion beider biologischen Stufen in der 43. Kalenderwoche auf den Ausfall eines Zwischenklärbeckens zurückzuführen. 1.6 Mittelwert: 1.11 kg TS/kg CSB KW 41 KW 42 KW 43 KW 44 KW 45 KW 46 Abb. 47: spezifische Schlammproduktion inklusive der Produkte aus der Phosphat-Fällung beider biologischen Stufen als Wochenmittelwert Die spezifische Gasproduktion betrug während des Pilotprojekts durchschnittlich ca..48 m 3 /kg TS org (Abb. 48). Der Abfall der spezifischen Gasproduktion in der 42. Kalenderwoche ist auf die Beschickung der Faulung mit 77 m 3 Dünnschlamm am zurückzuführen 45. Die geringere spezifische Gasproduktion in der letzten Versuchswoche resultiert aus dem Temperaturabfall infolge des BHKW-Ausfalls. 43 inklusive Produkte aus der Phosphat-Fällung ca. 16 kg TS/d 44 spezifische Schlammproduktion in der Schwachlaststufe beträgt ca..46 kg TS/kg CSB ohne Produkte aus der Phosphat- Fällung resp. ca..82 kg TS/kg CSB inklusive der Fällungsprodukte; hohe Schlammproduktion in der Schwachlaststufe ist die Folge der erhöhten TS-Konzentration in Ablauf der Zwischenklärung mit einem TS/CSB-Verhältnis von ca..63 im Zulauf zur Schwachlaststufe 45 Reduzierung der theoretischen Faulzeit auf ca. 9 Tage 26/42

27 .8 spez. Gasproduktion [m 3 /kg TSorg] Mittelwert:.48 m 3 /kg TSorg. KW 41 KW 42 KW 43 KW 44 KW 45 KW 46 Abb. 48: spezifische Gasproduktion Die aus dem Pilotprojekt resultierende CSB-Bilanz für die Hochlaststufe, berechnet aus den Versuchsmittelwerten, ist Abb. 49 zu entnehmen. Von der durchschnittlichen CSB-Fracht wurden ca. 69% in der Hochlaststufe eliminiert, wovon ca. 6% am Schlamm adsorbiert 46 und ca. 9% veratmet wurden. Die Schwachlaststufe wurde im Mittel mit ca. 31% der CSB- Fracht im Rohzulauf belastet. Rohabwasser 818 kg CSB/d (1%) Veratmung 72 kg CSB/d (ca. 9%) Hochlaststufe Auslauf ZKB 254 kg CSB/d (ca. 31%) ÜS-Schlamm * ) 492 kg CSB/d Glühverlust ca. 78% (ca.6%) * ) 1g TS = 1 g CSB Abb. 49: CSB-Bilanz über die Hochlaststufe während Pilotversuch Zusammenfassend resultieren für die Pilotperiode folgende Werte für die oben definierten Kennzahlen: CSB-Elimination in der Hochlaststufe ca. 69% spezifische Brutto-Schlammproduktion in der Hochlaststufe ca..82 kg TS/kg CSB spezifische Netto-Schlammproduktion in der Hochlaststufe ca..6 kg TS/kg CSB spezifische Schlammproduktion beider biologischen Stufen ca kg TS/kg CSB spezifische Gasproduktion ca..48 m 3 Gas/kg TS org Sensitivitätsanalyse Um den Einfluss möglicher Ungenauigkeiten der Messungen oder der getroffenen Annahmen abzuschätzen, wird nachfolgend eine Sensitivitätsanalyse für die relevanten Kennzahlen des Pilotprojektes hinsichtlich der folgenden Grössen durchgeführt: CSB-Zulauffracht CSB/TS-Verhältnis im Belebtschlamm der Hochlaststufe Gasanfall 46 Annahme: 1g TS = 1 g CSB 27/42

28 Für die Sensitivitätsanalyse wird davon ausgegangen, dass die CSB-Zulauffrachten 47, das CSB/TS-Verhältnis im Belebtschlamm der Hochlaststufe 48 sowie der Gasanfall 49 effektiv 2% grösser sind. Unter der Annahme, dass die CSB-Konzentration im Zulauf der ARA ca. 2% grösser ist, erhöht sich die Eliminationsrate in der Hochlaststufe bei einer durchschnittlichen Zulauffracht von 982 kg CSB/d auf etwa 74% 5. Die spezifische Netto-Schlammproduktion in der Hochlaststufe sinkt in der Folge auf ca..5 kg TS/kg CSB. Die spezifische Schlammproduktion beider biologischen Stufen würde sich für diesen Fall von 1.11 kg TS/kg CSB auf ca..93 kg TS/kg CSB reduzieren. Die spezifische Gasproduktion wird von einem allfälligen Fehler in der CSB-Zulauffrachtmessung nicht beeinträchtigt. Für den Fall, dass das CSB/TS-Verhältnis im Belebtschlamm der Hochlaststufe 1.2 beträgt, müssten pro Tag durchschnittlich 59 kg CSB über den Überschussschlamm aus der Hochlaststufe entfernt werden. Vor dem Hintergrund, dass die tägliche CSB-Fracht aus der Zwischenklärung in die Schwachlaststufe ca. 254 kg CSB beträgt 51, ist diese Annahme jedoch nicht als plausibel anzusehen, da so die CSB-Fracht im Überschussschlamm zusammen mit der CSB-Ablauffracht in die Schwachlaststufe grösser als die CSB-Zulauffracht in die Hochlaststufe wäre 52. Liegt der Gasanfall 2% über dem während der Pilotphase erfassten Gasanfall, so resultiert eine spezifische Gasproduktion von.58 m 3 /kg TS org. Die CSB-Elimination sowie die Kennzahlen der spezifischen Schlammproduktion werden durch eine fehlerbehaftete Gasmessung nicht beeinflusst. Die Ergebnisse der Sensitivitätsanalyse sind Tab. 1 zu entnehmen. Es zeigt sich, dass sich ein Fehler in der Bestimmung der CSB-Zulauffracht proportional auf die Kennzahlen für die Schlammproduktion auswirkt. Ein Fehler hinsichtlich des TS/CSB-Verhältnisses im Belebtschlamm der Hochlaststufe führt zu einer nicht plausiblen CSB-Bilanz für die Hochlaststufe und wird somit als unwahrscheinlich beurteilt. Eine fehlerhafte Gasmessung hat nur eine unterproportionale Auswirkung auf die spezifische Gasproduktion. Auf die CSB-Elimination sowie die Kennzahlen für die Schlammproduktion hat ein Fehler im Gasanfall jedoch keinen Einfluss. Tab. 1: Ergebnisse der Sensitivitätsanalyse angenommene Abweichung +2% Pilotversuch CSB- Zulauffracht 818 kg/d; CSB/TS = 1.; Gasanfall 382 m 3 /d CSB-Zulauffracht 981 kg/d CSB/TS-Verhältnis 1.2 Gasanfall 458 m 3 /d CSB-Elimination [%] (Abweichung ca. 7%) 72 (Abweichung ca. 4%) 69 (keine Abweichung) spez. Brutto-Schlammproduktion Hochlaststufe [kg TS/kg CSB] (Abweichung ca. 17%).82 (keine Abweichung) spez. Netto-Schlammproduktion Hochlaststufe [kg TS/kg CSB] spez. Schlammproduktion beider biologischen Stufen [kg TS/kg CSB] (Abweichung ca. 2%).93 (Abweichung ca. 19%) CSB-Bilanz nicht plausibel (Output > Input).6 (keine Abweichung) 1.11 (keine Abweichung) Gasproduktion [m 3 /kg TSorg] (keine Abweichung).48 (keine Abweichung).58 (Abweichung ca. 17%) 47 z.b. Unterschätzung der CSB-Fracht infolge zeitproportionaler Probenahme 48 höherer organischer Anteil als in Belebtschlämmen aus Anlagen mit einem höheren Schlammalter 49 z.b. Messungenauigkeit der Gasmessung 5 Ablauffracht aus der Zwischenklärung bleibt unverändert 51 verlässliche Messung, Einfluss der zeitproportionalen Probenahme infolge des Frachtausgleichs in der Hochlaststufe gering 52 allenfalls in Kombination mit Unterschätzung der CSB-Zulauffracht möglich 28/42

29 Da der Einfluss der Messung der CSB-Zulauffracht auf die Aussagekraft gross ist, werden bei der Auswertung der Ergebnisse im Hinblick auf die Energieautarkie der ARA Vorderes Prättigau ebenfalls die absoluten Grössen für den Schlammanfall beider biologischen Stufen und den Gasanfall ausgewertet. Es ist davon auszugehen, dass das Messsystem und die erhobenen Kennzahlen zwar mit vernünftigem Augenmass interpretiert werden müssen, aber der Grössenordnung nach als Ganzes stimmig sind. 4.5 Einfluss von Betriebsstörungen während Pilotphase Wie bereits aufgeführt, traten im Verlauf des Pilotprojekts gewisse Betriebsstörungen auf, welche einen Einfluss auf die erhobenen Kennzahlen haben können. Insbesondere ist hier der Schlammabtrieb aus der Zwischenklärung während des Betriebs von nur einem Zwischenklärbecken zu nennen. Unter der Annahme, dass während der gesamten Versuchsphase eine durchschnittliche GUS-Ablaufkonzentration aus der Zwischenklärung von 8 mg/l eingehalten worden wäre, erhöht sich die spezifische Netto-Schlammproduktion in der Hochlaststufe auf ca..66 kg TS/kg CSB. Dies hätte zur Folge, dass die CSB-Elimination in der Hochlaststufe auf ca. 75% ansteigt (s. Tab. 2, Kap. 4.6). Des Weiteren wurde auch der Betrieb der Faulräume durch Betriebsstörungen beeinträchtigt. Zum einen wurde durch eine fehlerhafte Schieberprogrammierung am viel Dünnschlamm in die Faulung gepumpt, so dass infolge der verkürzten Aufenthaltszeit die Gasproduktion deutlich gesunken ist. Zum anderen wurde infolge des Ausfalls des BHKW 53 und dem damit verbundenen Abfall der Faulraumtemperatur ab dem ein Rückgang der Gasproduktion beobachtet. Wird nur jene Zeit betrachtet, in der ein störungsfreier Betrieb der Faulung gewährleistet werden konnte 54, so resultiert eine mittlere tägliche Gasproduktion von ca. 423 m 3. Die spezifische Gasproduktion würde sich somit auf ca..53 m 3 /kg TS org erhöhen. 4.6 Weitere Optimierungspotentiale des Verfahrens Aus den Erkenntnissen des durchgeführten Pilotversuchs resultiert für den Betrieb des zweistufigen Verfahrens folgendes Haupt-Optimierungspotential: Verringerung des Schlammabtriebs aus Zwischenklärung Mit dem Ziel, die CSB-Elimination in der Hochlaststufe zu steigern, ist insbesondere eine bessere Feststoffelimination in der Zwischenklärung sinnvoll. Wie in Kap beschrieben, betrug die Konzentration der gesamten ungelösten Stoffe im Ablauf der Zwischenklärung in die Schwachlaststufe ca. 8 mg/l beim Betrieb beider Zwischenklärbecken resp. ca. 16 mg/l beim Betrieb nur einer Zwischenklärung. Ursache für den recht hohen Schlammabtrieb ist die für Hochlastbiologien typische Schlammstruktur des Belebtschlammes. In Abb. 5 und Abb. 51 sind die Schlammflocken der Hoch- resp. Schwachlast gegenüber gestellt. Es ist zu erkennen, dass der Schlamm der Hochlaststufe wenig kompakt ist und hauptsächlich aus sehr feinen Belebtschlammflocken besteht, welche dann vergleichsweise schlecht sedimentieren. 53 am bis /42

30 Abb. 5: Flockenstruktur in der Hochlaststufe, Aufnahme mit Phasenkontrast bei 1-facher Vergrösserung Abb. 51: Flockenstruktur in der Schwachlaststufe, Aufnahme mit Phasenkontrast bei 1- facher Vergrösserung Neben dem Einsatz eines Flockungsmittels zur Ausbildung von kompakten und gut absetzbaren Flocken stellt die Dosierung des Fällmittels im Zulauf der Hochlaststufe eine sinnvolle Möglichkeit zur Reduzierung des Schlammabtriebs aus der Zwischenklärung dar 55. Somit könnte die CSB-Fracht in die Schwachlaststufe weiter abgesenkt werden, was neben einer höheren Schlammproduktion in der Hochlaststufe auch einen geringeren Stromverbrauch der Belüftung in der Schwachlaststufe zur Folge hätte 56. Auch hätte die Verlagerung der Phosphat-Fällung in die Hochlaststufe den positiven Nebeneffekt, dass das Schlammalter in der Schwachlaststufe erhöht werden kann, was zu einer besseren Nitrifikation führt. Unter der Annahme, dass die TS-Ablaufkonzentration aus der Zwischenklärung auf 5 mg/l reduziert werden kann, könnte die Netto-Überschussschlammproduktion in der Hochlaststufe bei oben beschriebenen CSB-Frachten um ca. 81 kg TS/d gegenüber dem Pilotbetrieb erhöht werden, was einer spezifischen Schlammproduktion 57 von ca..7 kg TS/kg CSB entspricht. Infolge einer Verringerung der CSB-Fracht aus der Zwischenklärung in die Schwachlaststufe wird aber auch die Schlammproduktion in der Schwachlast reduziert. Da jedoch der CSB in der Hochlaststufe am Schlamm grösstenteils adsorbiert und nicht wie in der Schwachlaststufe veratmet wird, resultiert eine um ca. 3% erhöhte tägliche Überschussschlammproduktion in beiden biologischen Stufen gegenüber der Überschussschlammproduktion während der Versuchsphase. Infolge der gleichmässigen Beschickung der Faulung ist eine allfällige Verbesserung der Faulgasproduktion zu vermuten. In den nachfolgenden Schlussfolgerungen ist dier aber noch nicht berücksichtigt. Wie einleitend erwähnt, ist eine möglichst hohe CSB-Elimination aus der Abwasserstrasse entscheidend. Der Einfluss unterschiedlicher Betriebsweisen auf die verschiedenen relevanten Kennzahlen geht aus Tab. 2 hervor. 55 für die Versuchsphase wurde die Phosphatfällung in der Schwachlaststufe installiert, da zu befürchten war, dass nicht sämtlicher in der Hochlaststufe produzierter Schlamm aus der Hochlast abgezogen und somit das Schlammalter beim Betrieb von nur einem Hochlastbecken nicht tief genug abgesenkt werden könnte 56 weniger CSB muss unter Sauerstoffverbrauch veratmet werden 57 ohne Berücksichtigung der Fällungsprodukte und des Feststoffabtriebs aus der Zwischenklärung 3/42

31 Tab. 2: Vergleich der Kennzahlen bei verschiedenen Betriebsbedingungen CSB-Elimination in der Vorklärung resp. Hochlast [%] spez. Brutto-Schlammproduktion in der Vorklärung resp. Hochlaststufe [kg TS/kg CSB] konventioneller Betrieb mit Vorklärbecken ohne Vorfällung konventioneller Betrieb mit Vorklärbecken und Vorfällung Pilotbetrieb Pilotbetrieb (störungsfrei) optimierter Betrieb spez. Netto- Schlammproduktion in der Vorklärung resp. Hochlaststufe [kg TS/kg CSB] spez. Schlammproduktion der Gesamtanlage 6 [kg TS/kg CSB] spezifische Gasproduktion [m 3 /kg TS org] Aus den oben genannten Überlegungen resultiert für einen optimierten Betrieb des zweistufigen Verfahrens die in Abb. 52 dargestellte CSB-Bilanz: Rohabwasser 818 kg CSB/d (1%) Veratmung 72 kg CSB/d (ca. 9%) Hochlaststufe Auslauf ZKB 166 kg CSB/d (ca. 21 %) ÜS-Schlamm * ) 573 kg CSB/d Glühverlust ca. 78% (ca.7%) * ) 1g TS = 1 g CSB Abb. 52: theoretische CSB-Bilanz über die Hochlaststufe bei optimaler TS-Elimination in der Zwischenklärung 5. Interpretation hinsichtlich der ARA Vorderes Prättigau 5.1 Machbarkeitsstudie Als Basis für die Machbarkeitsstudie zur Energieautarkie der ARA Vorderes Prättigau 63 dienten die Betriebsdaten der ARA von Januar 29 bis Dezember 21. Die durchschnittliche CSB-Fracht im Rohzulauf betrug im genannten Zeitraum ca kg CSB/d. Bei der ursprünglichen Betriebsweise der ARA Vorderes Prättigau mit einem höheren Schlammalter in der Hochlaststufe wurden durchschnittlich 378 m 3 Gas resp..53 m 3 /kg TS org produziert. Das 58 gemäss ATV-A Erfahrungswert 6 inkl. Produkte aus Phosphatfällung 61 Richtwert gemäss Energie in ARA; VSA, Richtwert gemäss Energie in ARA; VSA, ARA Vorderes Prättigau auf dem Weg zur Energieautarkie Machbarkeitsstudie, Kappeler Concept AG, /42

32 CSB-Fracht [kg/d] Faulgas wurde im BHKW 64 verwertet und konnte den durchschnittlichen Energiebedarf von ca kwh/d zu 34% decken. Die spezifische Schlammproduktion in der Hochlaststufe kann für die Phase der Machbarkeitsstudie nicht angegeben werden, da der Überschussschlamm aus der Hochlaststufe zusammen mit dem Schlamm aus der Schwachlaststufe abgezogen wurde. Die spezifische Schlammproduktion beider biologischen Stufen betrug für den gesamten Zeitraum der Machbarkeitsstudie ca..8 kg TS/kg CSB. 5.2 Vergleich Periode bis mit Pilotphase vom bis Um den Einfluss gewisser veränderter Betriebsbedingungen, wie beispielsweise der Zulauffrachten oder allfälliger durchgeführter Betriebsoptimierungen 65, auszuschliessen, sind nachfolgend nur die Daten für den Zeitraum vom bis zum dargestellt und mit jenen der Pilotprojektphase vom bis verglichen. Die CSB-Fracht im Zulauf der ARA Vorderes Prättigau betrug im oben genannten Zeitraum durchschnittlich 9 kg/d 66. Die CSB-Fracht für den Versuchsbetrieb betrug gemäss Betriebsrapport ca. 879 kg/d. Somit ergibt sich eine geringfügige Abweichung der CSB- Fracht von ca. 2% 67. 2'5 2' 1'5 zusätzlich erfasste Daten während PIlotphase Daten gemäss Betriebsrapport durchschnittliche CSB-Fracht gemäss Betriebsrapport : 9 kg/d durchschnittliche CSB-Fracht gemäss Betribsrapport : 879 kg/d 1' Abb. 53: CSB-Fracht im Rohzulauf Da beim Betrieb der ARA Vorderes Prättigau in den Monaten August und September 211 die Überschussschlammengen der Hoch- und der Schwachlaststufe zusammen in den statischen Eindicker geleitet wurden, ist eine Darstellung der spezifischen Schlammproduktion in der Hochlaststufe nicht möglich. Die spezifische Überschussschlammproduktion 68 beider biologischen Stufen betrug während der Phase vom bis zum durchschnittlich.87 kg TS/kg CSB, während der Pilotphase 1.11 kg TS/kg CSB. Während der Periode vom bis zum wurde die Faulung mit durchschnittlich 998 kg Trockensubstanz pro Tag beschickt, wovon 211 kg TS/d aus dem Fremdschlamm stammten. Während des Pilotversuchs betrug die durchschnittliche Trockensubstanzfracht zur Faulung kg/d. Darin waren durchschnittlich 28 kg TS/d aus der Fremdschlammannahme enthalten. 64 elektrischer Wirkungsgrad ca. 22% 65 Umstellung der Faulräume auf parallelen Betrieb 66 mengenproportionale Probenahme 67 der Unterschied zu der in Kap genannten durchschnittlichen CSB-Fracht von 818 kg/d für den Versuchsbetrieb resultiert aus einem grösseren Probenumfang 67 gegenüber dem ordentlichen Messprogramm der ARA 68 inkl. der Produkte aus der Phosphat-Fällung 32/42

33 Gasproduktion [m 3 /d] Die mittlere Gasproduktion im Zeitraum vom bis zum lag bei 335 m 3 /d mit einer spezifischen Gasproduktion von ca..53 m 3 /kg TS org. Während der nachfolgenden Pilotphase wurden durchschnittlich 382 m 3 Gas pro Tag bei einer spezifischen Gasproduktion von.48 m 3 /kg TS org produziert. Somit lag die spezifische Gasproduktion während der Pilotphase zwar ca. 1% unter der spezifischen Gasproduktion in der betrachteten Vergleichsperiode. Da die spezifische Gasproduktion jedoch vom Betrieb der Faulung 69 und nicht von der Betriebsweise der biologischen Stufe abhängig ist, ist zu erwarten, dass bei einem störungsfreien Betrieb des Faulraums eine spezifische Gasproduktion von.53 m 3 /kg TS org erreicht wird. Das führt dazu, dass mit einer Hochlastbiologie eine absolute Gasproduktion von insgesamt ca. 42 m 3 /d erreicht werden kann (vgl. Tab. 3). 6 Mittelwert: 335 m 3 /d Mittelwert: 382 m 3 /d Abb. 54: Gasproduktion Der Gesamtstromverbrauch 7 der ARA Vorderes Prättigau betrug im August 211 ca kwh/monat und im September 211 ca kwh/monat. Der durchschnittliche elektrische Eigenversorgungsgrad lag während der zwei Monate bei ca. 31%. Da der bezogene Strom vom Energieversorger nur quartalsweise angegeben werden kann, sowie wegen dem Ausfall des BHKW, kann der Eigenversorgungsgrad für die Pilotphase nicht repräsentativ beurteilt werden. Die absoluten Zahlen für die Überschussschlammproduktion sowie für den Gasanfall zeigen, dass die spezifischen Kennzahlen plausibel sind. Da effektiv deutlich mehr Schlamm und Gas produziert wurden, kann auch davon ausgegangen werden, dass die zweite Stufe deutlich schwächer belastet wurde. Daraus resultiert, dass die Idee des Pilotprojekts mit den Ergebnissen der Pilotprojektphase belegt werden kann. 5.3 Energieautarkie Der Sanierung resp. der Kapazitätssteigerung der ARA Vorderes Prättigau sollen gemäss Machbarkeitsstudie 71 folgende Randbedingungen zugrunde gelegt werden: Dimensionierungsbelastung basierend auf der mittleren CSB-Fracht im Jahr 23 ca kg CSB/d 72 Annahme von durchschnittlich 257 kg TS/d Fremdschlamm mit einem organischen Anteil von 65% 73 vollständige Nitrifikation bei Temperaturen über 1 C Erhöhung der Beckenvolumina resp. der Beckentiefe um ca. 1. m 69 Aufenthaltszeit, Faulraumtemperatur 7 berechnet aus der Abrechnung für das 3. Quartal ARA Vorderes Prättigau auf dem Weg zur Energieautarkie Machbarkeitsstudie, Kappeler Concept AG, Steigerung um 22% gegenüber der Belastung gemäss Machbarkeitsstudie 73 Steigerung um 22% gegenüber der Belastung gemäss Machbarkeitsstudie 33/42

34 In Tab. 3 ist der Eigenversorgungsgrad hinsichtlich Elektrizität für die vier Fälle aktuelle Belastung mit Fremdschlammannahme, aktuelle Belastung ohne Fremdschlammannahme, Dimensionierungsbelastung mit Fremdschlammannahme und Dimensionierungsbelastung ohne Fremdschlammannahme den aktuellen Verhältnissen 74 gegenübergestellt. Dabei beziehen sich die Berechnungen für die vier Fälle auf den bereits ausgebauten Zustand der ARA Vorderes Prättigau, d.h. mit vergrösserten Beckenvolumina, energieoptimierten Anlagen und neuem BHKW 75. Tab. 3: prognostizierte elektrische Eigenversorgungsgrade mittlere CSB- Belastung [kg/d] spez. Schlammproduktion ARA [kg TS/kg CSB] Glühverlust Frischschlamm [%] vor Sanierung aktuelle Belastung mit Kennzahlen vom bis optimierter Betreib nach Sanierung und Kapazitätssteigerung aktuelle Belastung mit aktuelle Belastung ohne Fremdschlammannahme Fremdschlammannahme Dimensionierungsbelastung mit Fremdschlamm Dimensionierungsbelastung ohne Fremdschlamm Fremdschlamm [kg/d] Glühverlust Fremdschlamm [%] spez. Gasproduktion [m 3 /kg TS org] Gasproduktion [m 3 /d] Wirkungsgrad BHKW [%] Stromproduktion 77 [kwh/d] Stromverbrauch 78 [kwh/d] Energiebezug [kwh/a] Eigenversorgungsgrad elektrisch [%] Aus Tab. 3 geht hervor, dass der elektrische Eigenversorgungsgrad der ARA Vorderes Prättigau nach der Realisierung geeigneter Sanierungs- und Kapazitätssteigerungsmassnahmen bei der aktuellen Belastung ca. 84% ohne resp. ca. 1% mit Fremdschlammannahme beträgt. Ein beträchtlicher Teil dieser Verbesserungen ist alleine auf die höheren Wirkungsgrade eines neuen BHKW zurückzuführen. Der grössere Teil resultiert aus den verfahrenstechnischen Verbesserungen mit Hochlastbiologie infolge eines geringeren Stromverbrauchs sowie einer höheren Schlammproduktion, welche zu einer deutlich höheren Gasproduktion führt. Für das Dimensionierungsszenario resultieren Eigenversorgungsgrade 74 mit Fremdschlammannahme 75 Wirkungsgrad BHKW 35% 76 Mittelwert im Zeitraum von bis ; durchschnittlicher Glühverlust 65% 77 mit Energieinhalt Faulgas 6.4 kwh/m 3 78 nach Sanierung: mechanische Stufe: 27 Wh/(m 3 Abwasser*d), biologische Stufe: Wh/(m 3 Abwasser*d); Schlammbehandlung 5.8 kwh/(m 3 Schlamm*d), Schlammentwässerung: 2 kwh/(m 3 Schlamm*d); Hilfsbetriebe: 2.7 kwh/(ew*a) 79 bei einem Ersatz des BHWK durch ein Aggregat mit einem elektrischen Wirkungsgrad von 35% würde ein Eigenversorgungsgrad von ca. 5% resultieren 34/42

35 von 136% resp. 152%. Diese Steigerung gegenüber dem aktuellen Eigenversorgungsgrad von ca. 31% ist bemerkenswert, da berücksichtigt wurde, dass gleichzeitig die Reinigungsleistung auf vollständige Nitrifikation gesteigert wird. Vollständige Energieautarkie der ARA Vorderes Prättigau kann Realität werden. 5.4 Diverse weitere Aspekte Bei der Planung der Massnahmen zur Sanierung und Kapazitätssteigerung der ARA Vorderes Prättigau ist u.a. auf folgende Aspekte besonders zu achten: moderne BHKW mit hohen Wirkungsgraden, Prüfung weiterer Effizienzmassnahmen Phosphatfällung in Hochlaststufe 8 flexible Belüftung 81 optimale Feststoffabtrennung in Zwischenklärung 82 maschinelle Überschussschlammeindickung mit ausreichender Kapazität 83 ausreichende Mess- und Kontrollvorrichtungen zur Betriebsoptimierung Anwendbarkeit auf Kläranlagen mit Vorklärung 6.1 Umbau von Vorklärbecken in Hochlastbiologien Um die Auswirkungen einer Umrüstung bestehender konventioneller Kläranlagen mit Vorklärbecken in Anlagen mit Hochlastbiologie abzuschätzen, wird nachfolgend die Machbarkeit anhand der Daten von drei reellen Schweizer Kläranlagen unterschiedlicher Grösse untersucht. Eine Umrüstung der vorhandenen Vorklärbecken in eine Hochlast-Biologie mit Zwischenklärung ohne Volumenvergrösserung ist bei allen drei dargestellten konventionellen Kläranlagen, unabhängig vom Volumenanteil der Hochlast-Biologie, nicht möglich. Es ist davon auszugehen, dass eine Umrüstung der Vorklärung nur bei sehr gross dimensionierten Vorklärbecken mit einer Aufenthaltszeit bei maximalem Abwasserzufluss Q max von mehr als 1.5 Stunden und einer Flächenbeschickung von weniger als 2. l/(m 2 *h) möglich ist. In Tab. 4 ist eine Übersicht der Kläranlagen sowie der für die Untersuchung relevanten Kennzahlen im Vergleich zur ARA Vorderes Prättigau dargestellt. 8 oder allenfalls als Zweipunktfällung in Hoch- und Schwachlast; Folgen: höherer TS bei niedrigem Schlammalter in Hochlast, verbesserte Feststoffabtrennung in Zwischenklärung, geringere Schlammproduktion resp. höhere Kapazität in Schwachlaststufe 81 Minimierung des Sauerstoffbedarfs 82 Erläuterungen siehe oben; konstruktive bauliche und maschinelle sowie allenfalls auch betriebliche Massnahmen 83 Vermeidung von Schlammstapelung in der Schwachlaststufe 84 Pilotprojekt nur mit diversen Provisorien 35/42

36 Tab. 4: Umrüstung des vorhandenen Vorklärbeckens in eine Hochlaststufe ARA A ARA B ARA C ARA Vorderes Prättigau 85 Einwohnerwerte Tiefe VKB [m] Oberfläche VKB [m 2 ] Volumen VKB [m 3 ] Q max [m 3 /h] Aufenthaltszeit im VKB bei Q max [h] Flächenbeschickung q A der Zwischenklärung 86 [m/h] Machbarkeit nein nein nein ja Eine Möglichkeit zur Vergrösserung bestehender Vorklärbecken stellt die Erhöhung der Beckenkronen dar. Dies bietet den Vorteil, dass ein grösseres Volumen für die Hochlast- Biologie zur Verfügung gestellt werden kann, was zu einem geringeren Trockensubstanzgehalt in der Hochlastbiologie und somit zu einer geringeren Schlammbelastung der Zwischenklärung führt. Des Weiteren wird die Sedimentationsleistung in der Zwischenklärung infolge der zusätzlichen Beckentiefe verbessert. Wie Tab. 5 für den Fall einer Beckenkronenerhöhung um 1.5 m zu entnehmen ist, reicht diese Massnahme für die Modell-ARA C zur Verfahrensumstellung auf das zweistufige Belebungsverfahren aus 87. Tab. 5: Umrüstung des vorhandenen Vorklärbeckens in eine Hochlaststufe mit Beckenerhöhung ARA A ARA B ARA C ARA Vorderes Prättigau 88 Einwohnerwerte Tiefe VKB [m] 4.3 (erhöht um 1.5 m) 5.1 (erhöht um 1.5 m) 4. (erhöht um 1.5 m) Oberfläche VKB [m 2 ] Volumen VKB [m 3 ] Q max [m 3 /h] Aufenthaltszeit im VKB bei Qmax [h] Flächenbeschickung q A der Zwischenklärung [m/h] Machbarkeit nein nein ja ja Es ist davon auszugehen, dass der aus dem zusätzlichen Hebewerk resultierende Stromverbrauch im Fall der ARA C deutlich unter der durch die Verfahrensumstellung verbundenen Mehrproduktion liegt 89. Eine weitere Möglichkeit zur Volumenvergrösserung ist der Bau eines separaten Reaktors oder Behälters für die Hochlast-Biologie 9. Die bestehende Vorklärung wird dann zur 85 Summe aus Hochlast-Biologie und Zwischenklärbecken 86 bei einem Volumenanteil der Zwischenklärung von 3% 87 Anteil der Hochlast-Biologie beträgt ca. 3% des gesamten Vorklärbeckenvolumens nach der Erhöhung der Beckenkronen 88 Summe aus Hochlast-Biologie und Zwischenklärbecken, ohne Beckenerhöhung 89 ca. 14 kwh/d; berechnet mit Q max = 1 44 m 3 /d, spezifischer Stromverbrauch des Zwischenhebewerks bei einer Förderhöhe von 1.6 m ca. 1 Wh/m 3 9 ohne Beckenkronenerhöhung der bestenden Vorklärung 36/42

37 Zwischenklärung umgerüstet. Aus Tab. 6 geht hervor, dass durch die Installation eines separaten Hochlast-Reaktors zwei Modell-Kläranlagen mit einem vernünftigen zusätzlichen Volumen zu einer zweistufigen Anlage umgerüstet werden können. Tab. 6: Umrüstung des vorhandenen Vorklärbeckens in ein Zwischenklärbecken mir separater Hochlast-Biologie ARA A ARA B ARA C ARA Vorderes Prättigau 91 Einwohnerwerte Tiefe VKB [m] Oberfläche VKB [m 2 ] Volumen VKB [m 3 ] Zusatzvolumen Hochlast- Biologie [m 3 ] Q max [m 3 /h] Aufenthaltszeit bei Q max [h] Flächenbeschickung q A der Zwischenklärung [m/h] Machbarkeit nein ja ja ja 6.2 Kompensation der reduzierten Stickstoffelimination Durch den Umbau einer Kläranlage mit Vorklärung in eine Anlage mit einer Hochlastbiologie reduziert sich die Leistung einer allfälligen Denitrifikation. Für die Schmutzfrachten der ARA Vorderes Prättigau 92 werden gemäss ATV-A 131 in einer Belebtschlammanlage mit Vorklärung und 2% Volumenanteil zur Denitrifikation ca. 34 kg N/d denitrifiziert 93. Sofern die Vorklärung in eine Hochlastbiologie umgebaut wird, reduziert sich die Denitrifikation um ca. 23 kg N/d auf ca. 11 kg N/d. Sofern die Rückläufe aus der Schlammbehandlung 94 separat behandelt werden, erhöht sich die Stickstoffelimination infolge separater Rücklaufbehandlung und Denitrifikation auf ca. 31 kg N/d. Dies bedeutet, dass die reduzierte Stickstoffelimination infolge der Umstellung auf eine zweistufige Biologie durch eine separate Behandlung der Rückläufe nahezu kompensiert werden kann. 6.3 Weitere Optimierungspotenziale Mit dem oben beschriebenen Konzept wird davon ausgegangen, dass die Hochlaststufe aerob betrieben wird. Es wäre jedoch auch denkbar, einen Teil des gereinigten und voll nitrifizierten Abwassers aus der Schwachlastbiologie in die Hochlastbiologie zurück zu fördern. Im Fall der ARA Vorderes Prättigau werden in der Hochlaststufe gemäss Abb. 49 ca. 72 kg CSB/d oxidiert. Dies würde einer täglichen Nitratfracht von ca. 8.9 kg NO 3 -N/d entsprechen 95. Die entsprechende interne Rezirkulation von ca. 14 m 3 /h resp. die zusätzliche hydraulische Belastung könnte bei einer maximal zu behandelnden Abwassermenge von 446 m 3 /h von den Zwischenklär- und Nachklärbecken verkraftet werden. Das entsprechende Fliessschema geht aus Abb. 55 hervor. 91 Summe der Hochlast-Biologie und der Zwischenklärbecken, ohne zusätzlichen Reaktor 92 Jahr 211: BSB 5-Fracht 469 kg/d; N tot-fracht 11 kg/d 93 Aufenthaltszeit in Vorklärung 2. h, vollständige Nitrifikation vorausgesetzt 94 entspricht ca. 2% der gesamten Stickstoff-Rohzulauffracht 95 für die Oxidation von 1 kg CSB werden ca..123 kg NO 3-N benötigt 37/42

38 Abb. 55: zweistufige Kläranlage mit interner Rezirkulation Es ist bekannt, dass biologische Phosphorelimination in nicht nitrifizierenden Belebtschlammanlagen sehr gut funktioniert. Grundsätzlich wäre denkbar, die Hochlastbiologie in einen unbelüfteten resp. anaeroben und einen belüfteten resp. aeroben Teil aufzutrennen. Um zu ermitteln, ob eine solche Anlagenkonfiguration tatsächlich zu einer noch grösseren Schlammproduktion in der Hochlaststufe führt, sind Pilotversuche unerlässlich Fazit Mit den oben dargelegten Berechnungen wurde gezeigt, dass ein einfaches Umrüsten von Kläranlagen mit Vorklärung in eine Anlage mit einer Hochlastbiologie ohne Volumenvergrösserung nur selten möglich ist 97. In vielen Fällen ist es jedoch möglich, ausreichende Kapazität zu schaffen, indem entweder die Beckenkrone der Vorklärbecken erhöht (Abb. 56) oder separat ein zusätzliches Volumen für die Hochlastbiologie geschaffen wird (Abb. 57). 96 unbekannte Milieuverhältnisse und somit auch unbekannte Biozönosen 97 nur Anlagen mit sehr grossen Vorklärbecken 38/42