Steigerung der Kläranlagenleistung durch verbesserte Sedimentation und biologischer P Elimination im SBR Verfahren

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1 Eawag Überlandstrasse 133 Postfach Dübendorf Schweiz Abschlussbericht Flächen Beschickung ins Schlammbett mit gleichzeitiger Wasserverdrängung Steigerung der Kläranlagenleistung durch verbesserte Sedimentation und biologischer P Elimination im SBR Verfahren Vertrags Nr.: UTF / IDM Projekt Dübendorf, Juni 2013

2 aufgestellt durch Eawag Eidgenössische Anstalt für Wasserversorgung, Abwasserreinigung und Gewässerschutz unterstützt durch die Umwelttechnologieförderung des Bundes (UTF) aufgestellt/stand M. Böhler/Juni 2013 Bearbeitung ARA Jungholz, Uster Eawag WABAG Wassertechnik AG Hunziker Betatech AG Eugen Weder, Betriebsleiter ARA Jack Eugster, Karin Rottermann, Anja Wohlhauser, Marc Böhler, Eberhard Morgenroth und Hansruedi Siegrist Abteilung Verfahrenstechnik der Eawag Martin Baggenstos, Leitung Abwassertechnik Markus Gresch, Bereichsleiter Wasser Zitierung: Böhler, M., Eugster, J., Weder, E., Baggenstos, M., Morgenroth, E. und Siegrist, H. (2013): Flächen Beschickung ins Schlammbett mit gleichzeitiger Wasserverdrängung Steigerung der Kläranlagenleistung durch verbesserte Sedimentation und biologischer P Elimination im SBR Verfahren, Schlussbericht der Eawag an die Umwelttechnologieförderung des Bundes, Bafu, Bern Titelbild: Umgebauter SBR Reaktor 4 der ARA Jungholz mit neuem Verteilsystem zur horizontalen Abwasserbeschickung des Schlammbettes, der Reaktor ist mit Brauchwasser gefüllt, die Grünfärbung resultiert auf Algenwuchs und nicht aus dem Farbversuch (blaue Lebensmittelfarbe)

3 Inhalt: 1 ZUSAMMENFASSUNG HINTERGRUND UND ZIELSETZUNG AUFGABENSTELLUNG GRUNDLAGEN Bedeutung der Absetzeigenschaften von Belebtschlamm Belebungsanlagen mit Aufstaubetrieb Sequencing Batch Reaktoren (SBR) SBR mit flächiger Abwasserbeschickung ins Schlammbett Granulierte Biomasse Erhöhte biologische Phosphorelimination (Bio P) Kläranlage Uster EINBAU EINER FLÄCHENBESCHICKUNG IM SBR Anpassungen und Einbau des Zulauf und Verteilsystems Bestehendes konventionelles Zulaufregime Horizontales, flächiges Zulaufregime Strömungssimulation des Verteilsystems Simulation der Sedimentationsphase bzw. der Ausgangssituation Simulation der Beschickungsphase bzw. der Schlammkonzentration Simulation Tracer Verteilung Simulation der Nitratverteilung während der Beschickung Gesamtbeurteilung der CFD Simulation Funktionstest mittels Farb Versuch Funktionstest mittels Bromid Tracer nach Inbetriebnahme des SBR Effizienz des Verteilssystems praktischer Betrieb BEOBACHTUNGEN UND MESSUNGEN DER ABSETZEIGEN SCHAFTEN UND GRANULIERUNG DES BELEBTSCHLAMMES... 34

4 7 MESSUNGEN ZUR ETABLIERUNG DER BIO P IM PROJEKTZEITRAUM SCHLUSSFOLGERUNGEN UND GESAMTBETRACHTUNG AUSBLICK Literatur Abbildungen: Abbildung 1 Abbildung 2 Abbildung 3 Abbildung 4 Prinzipskizze einer typischen Aufstaubelebungsanlage. Das Prinzipscheme ist dem ATV/DWA Merkblatt M210 entnommen, welches die Bemessungsansätze für dieses spezifische Belebtschlammverfahren enthält...4 Das Zeitintervall, das mit dem Abschluss des Klarwasserabzugs beginnt und mit dem Abschluss des nächsten Klarwasserabzugs endet, bezeichnet man als Zyklus. Jeder Zyklus ist in eine Folge von Prozessphasen unterteilt. Die Abfolge, Länge und Kombination von Prozessphasen können variieren, (ATV/DWA, 2009)....5 SBR Säulenreaktor mit Beschickung des vorgeklärten Rohabwassers von unten. Aufgestartet wurde der Reaktor im Frühjahr Animpfschlamm entstammte der konventionellen Durchlaufkläranlage der Eawag...7 Vergleich der Schlammabsetzeigenschaften der konventionellen Durchlaufbelebung mit vorgeschalteter Denitrifikation der Eawag und der Anlage mit Aufstaubetrieb (SBR) mit Beschickung des Abwassers von unten im Durchstossprinzip, die Eawag Pilotanlagen erhalten das gleiche Abwasser und haben etwa das gleiche Schlammalter und die gleiche Schlammbelastung...7 Abbildung 5 Bio P Batch Versuch vom August 2010 mit Belebtschlamm aus dem Säulenreaktor (TS Gehalt 4.1 g/l). Nach Zugabe von vorgeklärten Abwasser und ohne Belüftung erfolgt in der anaeroben Phase die Rücklösung des inkorporierten Polyphosphates und Aufnahme von CSB. Um die Rücklösung des Polyphosphates und CSB Einlagerung in die Zellen zu begünstigen, wurde leichtabbaubarer CSB in Form von Acetat dosiert. Es ergeben sich gelöste P Gehalte von bis 80 mgp/l in der anaeroben Phase. Die Menge und Qualität der Kohlenstoffquelle definiert die Höhe der Bio P Aktivität. Nach Einschalten der Belüftung (aerobe Phase) erfolgt die Wiederaufnahme des rückgelösten Phosphates. Um die höchst mögliche Wiederaufnahme bzw. Bio P Aktivität im Versuch bestimmen zu können, wurde zusätzliches Phosphat dosiert. Der Konzentrationsverlauf des gelösten Phosphates im Versuch entspricht dem in einem klassischen Bio P Batchversuch. Im vorliegenden Fall ergibt sich ein P Gehalt der Biomasse durch Polyphosphat von 18.3 mg/gts, unter Berücksichtigung des inkorporierten Phosphates zum Biomassenaufbau ergibt sich ein P Gehalt des Belebtschlammes von über 3%, welcher dem typischen, spezifischen P Gehalt von Belebtschlämmen bei vollständiger P Elimination (Bio P oder chemische Fällung) entspricht...8 Abbildung 6 Granulierte Biomasse aus dem Versuchsreaktor der Eawag von Oktober Die Granula hat eine Grösse von bis 4 mm (rechtes Bild), deutlich ist unter dem

5 Lichtmikroskop (linkes Bild) eine pelzartige/fädige Umhüllung der Granula zu erkennen...9 Abbildung 7 Schematische Darstellung der wichtigsten Prozesse der Bio P, mit Stoff und Energieflüssen sowie Kompartimenten einer Bio P Durchlaufanlage (Koch et al., 1998) Abbildung 8 Schematischer Längsverlauf der PO4 Konzentration entlang einer Bio P Anlage (Koch et al., 1998, vgl. auch Abbildung 5) Abbildung 9 Die Darstellung zeigt den prinzipiellen Wasserfluss durch die ARA Jungholz, die Biologie der ARA besteht aus 6 SBR, wobei SBR 4 für die volltechnischen Versuche umgebaut wurde Abbildung 10 Die Abbildung zeigt den bereits modifizierten Zulaufschacht. Im konventionellen System ist der Rechteckschacht aus Edelstahl unten offen und das Abwasser fällt frei in das Belebungsbecken. Im Bild ist bereits der geschweisste, im Querschnitt runde Abgang zusehen, der den Ablaufschacht mit der Verteilleitung verbindet. Hinter der Wandung links befindet sich das Zulaufgerinne, welches über Zulauföffnungen und Schieber die Reaktoren mit Abwasser beschickt Abbildung 11 Geschweisster Abgang als Verbindung des Zulaufschachtes mit der Verteilleitung, welche aus 34 verschiedenen grossen Rechteckblechen genietet ist. Die Rechteckbleche überlappen sich an der Längsseite bzw. an den Stossseiten. Mit zunehmender Länge verjüngt sich die Verteilleitung von Durchmesser 600 auf 174 mm Abbildung 12 Bilder vom im Reaktor SBR 4 eingebautem Verteilsystem. Der Zulaufschacht ist mit einer geschweissten Edelstahlleitung mit dem auf dem Belüftungsregister befestigten Verteilröhre verbunden (Bild links und rechts oben). Im unteren Bild sieht man die Belüfterregister und die darauf aufgesetzte Verteilröhre, welche in Fliessrichtung sich zunehmend konisch verjüngt. Die Verteilleitung ist nicht genau in der Mitte des Grundrisses des Becken eingebaut, da zwei Rührwerke bereits auf der mittleren Längsachse positioniert sind. Das Becken ist auf dem Bild nur bis etwa 20 bis 30 cm über Niveau der Belüfter mit Wasser gefüllt. Die Grünfärbung resultiert durch Algenwuchs und nicht durch den Farbversuch (vgl. Abschnitt 5.2). Die dargestellte Situation ist kurz vor Beginn dem ersten Test mit Klarwasser Abbildung 13 Das linke Bild zeigt die genieteten Teilsegmente der Verteilleitung. Durch die in Fliessrichtung zunehmende Verjüngung bzw. Verengung des Querschnittes sind die Segmente ineinander geschoben und mit einander vernietet, das rechte Bild zeigt den ersten Betriebstest mit Klarwasser, das Wasser schiess aus den gestanzten seitlichen Austrittslöchern, ein sehr geringer Teil entweicht aus den Überlappungen Abbildung 14 Am Anfang der Sedimentationsphase beträgt die Schlammkonzentration 5 g/l. Der Schlamm ist homogen verteilt Abbildung 15 Verteilung der Schlammkonzentration im SBR nach 90 Minuten Sedimentation bzw. zu Beginn der Beschickung (Zeit 0 min) Abbildung 16 Entwicklung der Schlammkonzentration bzw. Schlammverteilung während der Beschickungsphase von 30 min im Belebungsbecken. Dargestellt ist die Situation alle 10 min Abbildung 17 Einmischung und Verteilung eines gelösten Stoffes (Tracer) während der Beschickung von vorgeklärten Abwasser in das Schlammbett Abbildung 18 Simulation der Nitratverteilung während der Beschickungsphase. Es wird angenommen, dass das Schlammbett zu Beginn der Beschickungsphase völlig

6 Abbildung 19 Abbildung 20 Abbildung 21 Abbildung 22 Abbildung 23 Abbildung 24 Abbildung 25 Tabellen: denitrifiziert bzw. Nitrat frei ist. Die Nitratkonzentration ist normiert (zwischen 0 und 1) dargestellt. Biologische Prozesse sind hier nicht berücksichtigt Beschickung des SBR 4 mit blau eingefärbten Abwasser. Bild oben die Situation nach etwa 2 min (noch keine Einfärbung), Bild Mitte etwa nach 10 min, Bild unten nach rd. 15 min (Beckenrand). Die eingefügten Bilder sind Screenshots aus den angefertigten Filmen während des Versuches Grundriss und Schnitt von SBR 4, für den Versuch wurden 12 Probennehmer aufgestellt. Die Probenennahme erfolgte auf zwei Ebenen des Schlammbettes. Die Probennahme erfolgte im 2 minütigen Intervall. Durch die räumlich und zeitliche Auflösung der Probennahme kann anhand des Tracers eine Beurteilung der Abwasserverteilung in das Schlammbett erfolgen Konzentrationsverlauf für den Tracer Bromid an den 8 Probenahmestellen (1 m über der Beckensohle) über einen Zeitraum von 48 Minuten, die Einmischung des Rohabwassers in das Schlammnett erfolgt nicht gleichzeitig an allen Messpunkten, nach Einsetzen der Belüftung erfolgt eine vollkommene Durchmischung des Reaktors und es stellt sich eine mittlere Bromidkonzentration von 7.8 mgbr/l ein Konzentrationsverlauf für den Tracer Bromid an den 4 Schlammbett Probenahmestellen, welche sich in 3 m Höhe über der Beckensohle befinden über einen Zeitraum von 48 Minuten, die Einmischung des Rohabwassers in das Schlammnett erfolgt auch hier nicht gleichzeitig an allen Messpunkten, nach Einsetzen der Belüftung erfolgt auch hier eine vollkommene Durchmischung des Reaktors Schlammvolumenindex der sechs SBR Reaktoren der ARA Jungholz für das Jahr Die flächige, horizontale Abwasserbeschickung des Reaktors 4 wurde ab Ende Sommer 2011 eingeführt. Übliche Indexzahlen für die Biologie können mit 65 bis 80 ml/gtss angegeben werden. Im Versuchsreaktor SBR 4 schwankt der Index zwischen 80 und 100 ml/gtss. Im Herbst steigt er jedoch stark an und erreicht im November einen Höchstwert von 135 ml/gtss Schlammvolumenindex der sechs SBR Reaktoren der ARA Jungholz für das Jahr Der Schlammvolumenindex (türkiser Balken) des SBR 4 verbleibt bis etwa Mitte Jahr auf dem Niveau von 100 ml/gtss, ab Juni erhöht sich zunehmend der Index bis auf Werte von bis zu 180 ml/gtss Ergebnisse der Bio P Batchtests im Projektzeitraum. Der Kurvenverlauf des Phosphatgehaltes während der Batchzeit entspricht grundsätzlich dem eines klassischen Bio P Batch Versuches, jedoch sind die Rücklöseraten eher sehr gering, in den Versuchen wurde Acetat und Phosphat dosiert, um die maximale Bio P Aktivität der Biomasse ohne Limitierungen messen zu können Tabelle 1 Tabelle 2 Durchschnittliche Zusammensetzung des Abwassers im Ablauf der Vorklärung der Versuchskläranlage der Eawag im Jahr 2010 (24h Sammelproben, n = 51). Herkömmliches vorgeklärtes kommunales Abwasser weist ein CSB zu N tot Verhältnis von rd. 8 auf. Das Abwasser der Gemeinde Dübendorf bzw. des Teileinzugsgebietes weist vergleichsweise hohe CSB Frachten auf (hoher gewerblicher bzw. industrieller Einfluss). Hier liegt das Verhältnis bei rd Jahresabwassermenge und Jahresfrachten im Ablauf der Vorklärung der Betriebsjahre 2011 und 2012 (Werte gerundet). Die Abwassermenge für 2012 ist

7 Tabelle 3 sehr hoch und resultiert auf überproportional häufigen Regenereignissen mit sehr viel Niederschlag. Die einwohnerspezifischen Schmutzfrachten im Abwasser der Stadt Uster weisen übliche Werte auf, wobei diese eher im unteren Bereich liegen. Das Nährstoffverhältnis CSB : Stickstoff weisst in der Regel gemäss DWA (DWA, 2000) ein Verhältnis von rd. 8.2 auf (inkl. Rückbelastung), wobei im Zulauf zur Biologie der ARA Jungholz ein Verhältnis von etwa 7.5 bis 8 vorherrscht Durchschnittliche Zusammensetzung des Abwassers im Ablauf der Vorklärung der Kläranlage Jungholz in 2011 und Die mittleren Konzentrationen wurden aus den Jahresfrachten bzw. Jahreswassermengen berechnet. Bedingt durch jedoch hohe Fremdwasserzuflüsse ergibt sich bei Annahme von EW (inkl. Gewerbe/Industrie) eine spezifisch zulaufende mittlere Abwassermenge von rd. 400 bis 500 L/EW*d) für die betrachteten Jahre. Die hieraus resultierenden Schmutzwasserkonzentrationen sind als eher gering zu betrachten, bei Regenereignissen mit langem Nachlauf zur ARA sind dann über längere zeitliche Abschnitte die Konzentrationen nochmals deutlich tiefer Tabelle 4 Dauer und Abfolge der Phasen für den Tracer Versuch vom Tabelle 5 Zeitliche Abfolge nachdem Tracer an den Probenahmepunkte gefunden wurde 30 Tabelle 6 Monats Schlammvolumenindices der ARA Jungholz für das Jahr Tabelle 7 Zusammenstellung der Ergebnisse der Bio P Batch Versuche... 38

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9 1 Zusammenfassung Der vorliegende Abschlussbericht beinhaltet die Projektergebnisse zur volltechnischen Realisierung der horizontalen, flächigen Beschickung des Schlammbettes im SBR- Verfahren auf der Kläranlage Jungholz, der Stadt Uster. Das Projekt wurde im Rahmen der Umwelttechnologieförderung (UTF) des Bundes gefördert. Der Bearbeitungszeitraum des Projektes umfasst rd. 2 Jahre. Das Projektziel zur Integration und Betrieb der flächigen, horizontalen Beschickung eines SBRs der Kläranlage Uster konnte erreicht werden. Das von der Kläranlage und WABAG konzipierte und von der ARA erstellte und eingebaute Verteilsystem zeigte sich im Projektzeitraum als sehr robust und ist heute immer noch in Betrieb und wird vermutlich nach einer längeren Testphase auch in weiteren Reaktoren eingeführt. Mit vergleichsweise einfachen Mitteln konnte das System kostengünstig realisiert werden. Die Arbeiten hierzu können als sehr effizient und innovativ betrachtet werden. Durchgeführte Effizienztests mittels Farb- und Salz-Tracer konnten aufzeigen, dass eine gute flächige und horizontale Einbringung des Abwassers in die unteren Bereiche des Schlammbettes möglich ist. Vorgängig durchgeführte hydraulische Simulationen durch die Hunziker Betatech AG des Eintrags- und Verteilsystems stimmen weitestgehend mit dem festgestellten realen Verhalten des zufliessenden Abwassers während der Beschickungsphase überein. Die Idee und Umsetzung des vorgestellten Zulaufregimes können daher als erfolgreich bewertet werden. Ein weiteres Projektziel war die Etablierung der erhöhten biologischen Phosphor- Elimination (Bio-P) im Prozess der biologischen Reinigung der Kläranlage Uster. Im Projektzeitraum verteilt durchgeführte Batch-Versuche zeigten auf, dass eine sehr geringe Bio-P-Aktivität im Belebtschlamm zeitweise auftrat, dies jedoch auf einem Niveau, welches keinen nennenswerten Beitrag zur Gesamt P-Elimination der Kläranlage beitragen kann. Einige Batch-Aktivitätstests zeigten, dass grundsätzlich das Einwachsen der Bio-P initiiert war. Wesentlicher Grund für die geringe Bio-P ist im Abwasser der ARA Jungholz zu sehen. Ein ungünstige Verhältnis von CSB zu N von rund 7 bis 8 erlaubt es nicht hinreichend anaerobe Zonen bzw. Phasen im Schlammbett zu generieren. Die Denitrifikation ist limitiert bezüglich der Kohlenstoffquelle. Hierdurch bedingt verbleibt im Wesentlichen ein Nitrat-Gehalt von 4-5 mg Nitrat-N/L in den unteren Schichten des Schlammbettes, welches die Bio-P-Aktivität verdrängt. Neben den eher ungünstigen Nährstoffverhältnissen kommen die bei Regenwetterverhältnissen grossen Abwassermengen als abträglich für den Prozess in Frage. Aufgrund hoher Fremdund Regenwasseranteile - insbesondere in ist das Abwasser als eher sehr dünn zu bezeichnen. Die Denitrifikation scheint insgesamt wenig effizient. Durch hohe Wassermengen wird zudem anteilig mehr Sauerstoff in die Denitrifikationsphase eingebracht, welches die totale Denitrifikationsleistung limitiert.

10 1 Vergleichende Absetzversuche zeigten auf, dass durch das spezifische neue Zulaufregime keine verbesserte Sedimentation erreicht werden konnte. Die Schlammindexzahlen des Reaktors 4 liegen in der Regel über denen der anderen der Kläranlage. Die Indexzahlen des Versuchsreaktors erhöhten sich im Untersuchungszeitraum sukzessiv auf bis 180 ml/gts. Ein Grund liegt im Fehlen der Eisenfällung, welche ausgesetzt wurde zur Förderung der Bio-P. Das Ziel verbesserter Absetzeigenschaften konnte nicht erreicht werden, wobei weitere Gründe hierfür nicht explizit genannt werden können. Gar eine Granulierung des Belebtschlammes konnte nicht beobachtet werden. Um verbesserte Absetzeigenschaften zu generieren soll im Herbst 2013 das Beschickungsregime im Durchstossbetrieb betrieben werden. Hierdurch kann ggf. durch erhöhten hydraulischen Stress eine Granulierung initiiert werden und durch eine verbesserter Denitrifikation die Etablierung der Bio-P begünstigt werden. Entsprechende Umbauarbeiten des Dekantier- Systems und der Regelungstechnik sind erfolgt. Begleitet werden diese Versuche ggf. durch die Professur für Siedlungswasserwirtschaft. Insgesamt beurteilen wir die Projektergebnisse jedoch als sehr positiv. Die gemachten Erfahrungen und Ergebnisse zeigen das grundsätzliche Potential und die technische Machbarkeit dieser Idee bzw. Technologie auf. Das vorgestellte Konzept wird sicherlich weiterentwickelt und kann für andere SBR-Kläranlagen mit deutlich besseren Nährstoffverhältnissen eine sehr gute Option sein den Prozess der Bio-P im SBR- System zu etablieren und zu nutzen, woraus sich Vorteile für den Betrieb und für ein in der Zukunft verstärkten Phosphorrecycling generieren. 2 Hintergrund und Zielsetzung Viele Kläranlagen, welche eine weitergehende Nährstoffelimination vollziehen, sind häufig in ihrer Leistungsfähigkeit durch schlechte Absetzeigenschaften des Belebtschlammes limitiert. Begleitet ist dies oft mit saisonal bedingtem Blähschlamm und schlechten Schlammindices, welches zu erhöhtem Suspensaabtrieb führen kann. Die Trennleistung in der Sedimentation definiert daher die volumenspezifische Reinigungsleistung der Ara. Kann durch eine gesteigerte Trennleistung der Sedimentation der TS-Gehalt der Biologie erhöht werden, führt dies deutlich zu einer verbesserten Ablaufqualität, einer Kapazitätserhöhung der Ara und kann einen Ausbau verbunden mit hohen Investitionen verzögern. Wird zudem der Prozess der erhöhten biologischen P-Elimination (Bio-P) im Reinigungsverfahren etabliert, kann eine sehr hohe Reduktion des Fällmittelverbrauches der Kläranlagen für die P-Elimination erreicht werden, welches ökonomische und ökologische Vorteile erbringt. Zudem erlaubt die deutliche Verringerung der Eisen-Fällung zur chemischen P-Elimination eine verbesserte Rückgewinnung von Phosphor aus den Klärschlammaschen (Schipper und Korving 2009).

11 Im Rahmen eines internen Forschungsprojektes an der Eawag im Sommer 2010 konnte eine deutliche Steigerung der Absetzgeschwindigkeit des Belebtschlammes in einem halbtechnischen Sequencing Batch Reaktor (SBR) im Vergleich zu einem konventionellen SBR bzw. zur Eawag Durchlaufkläranlage erreicht werden (Tomaselli, Eugster, Joss, und Siegrist, (2010). Wesentlicher Grund hierfür ist die Art der Rohabwasserbeschickung des Reaktors, die zu einem starken Nährstoffgradienten im Belebtschlamm führt und scheinbar schnellabsetzbare Belebtschlammbiozenösen bzw. - flocken im Wachstum begünstigt. Weiterhin konnten durch die Beschickung ins Schlammbett stark anaerobe Bedingungen erzeugt und dadurch die biologische Phosphorelimination auf hohem Niveau etabliert werden. Das vorgestellte Projekt soll dieses spezifische System grosstechnisch auf der Kläranlage Jungholz der Stadt Uster realisieren und erproben. Da SBR-Kläranlagen zunehmend realisiert werden, kann dieses Projekt dazu beitragen, Investitionskosten und Betriebskosten in der kommunalen Abwasserreinigung zu verringern. 3 Aufgabenstellung Auf der Kläranlage Jungholz der Stadt Uster soll einer der sechs SBR derart umgebaut werden, so dass eine Flächenbeschickung ins Schlammbett mit vorgeklärten Rohabwasser möglich ist. Eine derartiges Zulaufregime wurde bisher grosstechnisch noch nicht realisiert. In Folge der angestrebten Zulaufbedingungen soll eine verbesserte Absetzeigenschaft des Belebtschlammes erreicht werden. Durch die Flächenbeschickung ins Schlammbett soll ein hoher Substratgradient generiert und dadurch schnell absinkende Flocken bzw. deren Belebtschlammorganismen bezüglich Substrat bevorzugt und so ggf. im System akkumuliert werden. Zudem entstehen in den unteren Schichten des Schlammbettes, welche mit Substrat durch die spezifische Beschickung versorgt werden, eine anaerobe Zone, in der das Einwachsen von Organismen zur erhöhten biologischen Phosphorakkumulation begünstigt wird. Zusammenfassend sollen folgende Aufgaben im Projekt bearbeitet werden: o Um- und Einbau eines Zulaufsystems zur horizontalen, flächigen Abwasserbeschickung eines volltechnischen SBR o Test der Effizienz und Optimierung des Abwasserverteilsystems o Beobachtung und Förderung der Absetzeigenschaften des Belebtschlammes o Etablierung der erhöhten biologischen Phosphorelimination

12 3 4 Grundlagen 4.1 Bedeutung der Absetzeigenschaften von Belebtschlamm Das Belebtschlammverfahren mit suspendierter Biomasse ist das am meisten in der Schweiz und weltweit eingesetzte Verfahren zur biologischen Reinigung von Abwasser. Seit der Entwicklung des Belebungsverfahrens vor nunmehr fast 100 Jahren (Adern und Lockett, 1914) hat diese Technologie eine ungeheure Entwicklung und Verbreitung erfahren. Heute gibt es eine Vielzahl von Verfahrensvarianten. Alle Belebtschlamm-Verfahren beinhalten als letzte Behandlungsstufe die Schlamm Wasser Trennung. Wird diese durch Sedimentation realisiert sind die Sedimentationseigenschaften der Belebtschlämme entscheidend für die Effizienz und Reinigungsleistung der Verfahren. Die volumenspezifische Leistung der Biologie bzw. die Leistung bestimmende Belebtschlammkonzentration wird zudem zentral durch die Absetzeigenschaften und durch die Trennleistung der Sedimentation definiert, so dass verfahrenstechnisch Biologie und Sedimentation eine Einheit darstellen. Bei schlechten, d. h. langsamen Sedimentationseigenschaften des Belebtschlammes bedingt dieses grosse Sedimentationsbecken mit hohen Aufenthaltszeiten bzw. langen Sedimentations- und Dekantierphasen beim SBR und ein Teil des Belebtschlammes kann, speziell bei Regenwetter, mit dem behandelten Abwasser in den Ablauf gelangen. Dies erhöht die Konzentrationen der Überwachungsparameter und vermindert die Eliminationsleistung. Der Schlammvolumenindex (ISV) ist ein Maß für die Absetzgeschwindigkeit des Belebtschlammes. Der Schlammindex als reziproker Wert der Schlammdichte ist in der aeroben Abwassertechnik von zentraler Bedeutung für den Absetzprozess in der Sedimentation. Er ist daher eine wichtige Bemessungsgrösse bei der Belebtschlamm- Technologie. Je geringer der Schlammindex, umso höher kann die Belebtschlammkonzentration im Belebungsbecken eingestellt werden. Die volumenspezifische Leistung der Biologie erhöht sich. Der Schlammindex ergibt sich aus dem Quotienten des Schlammvolumens (VS) und des Trockensubstanzgehalts (TS) des gleichen Schlamms Der Schlammvolumenindex wird in der Regel nach einer Absetzzeit von 30 Minuten berechnet. Belebtschlämme mit unterschiedlichen Sinkgeschwindigkeiten können jedoch nach 30 Minuten den gleichen Index aufzeigen, da das Absetztvolumen nach dieser Zeit auch durch die Schlammkompression beeinflusst wird. Eine Bestimmung des

13 Schlammindexes bereits nach 10 Minuten kann oftmals eine bessere Beurteilung der Absetzeigenschaften bzw. der Sinkgeschwindigkeit des Belebtschlammes ermöglichen. Da der Schlammindex verschiedenen Randbedingungen unterworfen ist, wie zum Beispiel der Abwasserzusammensetzung, dem Schlammalter, der Verfahrenswahl, etc. ist dieser zentrale Bemessungswert grossen Unsicherheiten unterworfen. Die im ATV Arbeitsblatt A131 Bemessung von einstufigen Belebungsanlagen sowie im Merkblatt M210 für Belebungsanlagen im Aufstaubetrieb (SBR-Anlagen) (ATV/DVWK, 2000 und ATV/DWA, 2009) empfohlenen Richtwerte weisen eine hohe Spannbreite auf ( ml/g). Viele Kläranlagen, welche eine weitergehende Nährstoffelimination vollziehen, sind häufig in ihrer Leistungsfähigkeit durch schlechte Absetzeigenschaften limitiert. Begleitet ist dies oft mit saisonal bedingtem Blähschlamm und schlechten Schlammindices (SVI > 200ml/gTSS), welches zu erhöhtem Suspensaabtrieb führen kann. In Extremfällen muss bei anhaltenden Starkregen nach der Nachklärung das gereinigte Abwasser vor der Filtration mit hohen Schlammverlusten in den Vorfluter abgeschlagen werden bzw. die Schlammkonzentration und damit das Schlammalter vermindert werden. Durch zu positiv bewertete Schlammindices berechnete Kapazitätsreserven der Kläranlagen werden daher rasch aufgebraucht und können zu einem vorzeitigen Ausbau mit hohen Investitionskosten der Anlagen führen. 4.2 Belebungsanlagen mit Aufstaubetrieb - Sequencing Batch Reaktoren (SBR) Das Sequencing-Batch-Reactor-Verfahren (kurz SBR-Verfahren) ist eine Variante des konventionellen Belebschlammverfahrens. Der SBR besteht aus einem Reaktionsraum, der zuerst die Funktion eines biologischen Reaktors und danach die eines Sedimentationsbeckens übernimmt (vgl. Abbildung 2). Abbildung 1 Prinzipskizze einer typischen Aufstaubelebungsanlage. Das Prinzipscheme ist dem ATV/DWA Merkblatt M210 entnommen, welches die Bemessungsansätze für dieses spezifische Belebtschlammverfahren enthält

14 5 Im Gegensatz zu kontinuierlich durchflossenen Reaktoren wird der SBR diskontinuierlich befüllt und geleert. Die herkömmliche räumliche Trennung der biologischen Prozesse und der Sedimentation wird durch eine zeitliche ersetzt. Das Zeitintervall vom Beginn des Füllvorgangs bis zum Ende des Klarwasserabzugs und einer eventuellen Ruhephase wird als Zyklus bezeichnet. Der SBR-Zyklus ist durch eine aufeinanderfolgende zeitliche Prozessphasenfolge gekennzeichnet (Beispiel siehe Abbildung 2). Die hydraulische Entkopplung des SBR- Verfahrens macht es möglich, Dauer, Häufigkeit und Anordnung der Phasen des Zyklus variabel zu gestalten. Abbildung 2 Das Zeitintervall, das mit dem Abschluss des Klarwasserabzugs beginnt und mit dem Abschluss des nächsten Klarwasserabzugs endet, bezeichnet man als Zyklus. Jeder Zyklus ist in eine Folge von Prozessphasen unterteilt. Die Abfolge, Länge und Kombination von Prozessphasen können variieren, (ATV/DWA, 2009). Der Zyklus beginnt mit der Füllphase, in der bereits unter anaeroben oder anoxischen Verhältnissen die ersten Abbauprozesse beginnen. In der eigentlichen Abbau- oder Reaktionsphase wird der Reaktor belüftet. Je nach Reinigungsziel können auch unbelüftete Phasen eingeführt werden. Es folgt die Sedimentationsphase, in der sich der belebte Schlamm absetzt und sich eine Klarwasserschicht ausbildet. In der Dekantierphase wird das überstehende Klarwasser abgezogen. Anschließend kann eine betriebsbedingte Ruhephase folgen oder der Zyklus beginnt erneut. Eine separate Nachklärung ist beim SBR-Verfahren nicht notwendig. Das SBR-Verfahren stösst in der Schweiz wegen des verbesserten Absetzverhaltens und des flexiblen Betriebes auf zunehmendes Interesse, so dass vermehrt konventionelle Durchlaufkläranlagen umgebaut oder neue SBR-Anlagen gebaut werden. Die derzeit grösste SBR-Anlage wurde 2007 im Kanton Baselland errichtet mit einer

15 Ausbaukapazität von Einwohnerwerten (Kläranlage Birs 2, Betreiber AIB Kanton Basel-Landschaft, Koch und Sollfrank, 2009). 4.3 SBR mit flächiger Abwasserbeschickung ins Schlammbett Erfahrungen mit dem zunehmend verbreiteten Sequencing Batch Reaktor (SBR)- Verfahren (Aufstaubetrieb) zeigen, dass durch den hohen Nährstoffgradienten im Batchbetrieb im Gegensatz zum konventionellen Durchlaufsystem deutlich verbesserte Belebtschlammstrukturen verbunden mit hohen Sinkgeschwindigkeiten (10 bis 20m/h) generiert werden können (Liu und Tay, 2004). Konventionelle Nachklärbecken werden nur mit rund 1 m/h ausgelegt. Positiven Einfluss hierauf hat neben dem Nährstoffgradienten auch scheinbar die Art der Rohabwasserbeschickung, die wahrscheinlich eine Wachstumsbegünstigung der gut aggregierbaren und damit gut sedimentierbaren Belebtschlammorganismen fördert. Unter gewissen Randbedingungen kann es bis zu einer Granulierung der Biomasse mit sehr hohen Absetzgeschwindigkeiten von bis zu 30 bis 70 m/h kommen (Röhricht, Keller und van Loosdrecht, (2007). Im Rahmen einer im Sommer 2010 gezielt durchgeführten Master-Arbeit (Tomaselli, Eugster, Joss, und Siegrist, (2010) zu dieser Thematik mit einem speziellen SBR (ausgeführt als 6 m hohe Reaktorsäule mit Schlammbettbeschickung, siehe Abbildung 3) konnte im Vergleich zu einem konventionell betriebenen SBR und einer konventionellen Durchlaufanlage sehr gute Absetzeigenschaften des Belebtschlammes erzielt werden (bis zu 3 m/h bei einer TSS-Konzentration von 5g/l, Abbildung 4). Zudem konnte die Ausbildung von Granula beobachtet werden (siehe auch Abbildung 6). Die durchschnittliche Zusammensetzung des vorgeklärten Abwassers im Zulauf zu den Versuchskläranlagen der Eawag zeigt Tabelle 1. Das CSB tot zu N tot -Verhältnis beträgt rd. 12. Tabelle 1 Durchschnittliche Zusammensetzung des Abwassers im Ablauf der Vorklärung der Versuchskläranlage der Eawag im Jahr 2010 (24h-Sammelproben, n = 51). Herkömmliches vorgeklärtes kommunales Abwasser weist ein CSB zu N tot - Verhältnis von rd. 8 auf. Das Abwasser der Gemeinde Dübendorf bzw. des Teileinzugsgebietes weist vergleichsweise hohe CSB-Frachten auf (hoher gewerblicher bzw. industrieller Einfluss). Hier liegt das Verhältnis bei rd. 12 N tot NH 4 -N NO 2 -N NO 3 -N CSB tot CSB gel P tot PO 4 -P Ø-Konz. mg/l Stand.- abw. mg/l Das Abwasser wird von unten dem Reaktor zugeführt, so dass der ausgehungerte und zuerst sedimentierte Schlamm leicht abbaubaren CSB aufnimmt. Hierdurch erhalten anscheinend die gut sedimentierbaren Belebtschlammbakterien einen Wachstumsvorteil gegenüber den leichteren, weniger schnell absinkenden Flocken im oberen Bereich der

16 7 Kolonne. Diese Flocken werden durch den Schlammabtrieb im Überlauf (findet nach einer kurzen Sedimentationsphase gleichzeitig mit der Beschickung statt) und ein gezieltes Abziehen des Überschussschlammes aus dem oberen Bereich des Schlammbettes ausgeschleust bzw. mit dem Dekantat abgezogen. Abbildung 3 SBR-Säulenreaktor mit Beschickung des vorgeklärten Rohabwassers von unten. Aufgestartet wurde der Reaktor im Frühjahr Animpfschlamm entstammte der konventionellen Durchlaufkläranlage der Eawag Abbildung 4 Vergleich der Schlammabsetzeigenschaften der konventionellen Durchlaufbelebung mit vorgeschalteter Denitrifikation der Eawag und der Anlage mit Aufstaubetrieb (SBR) mit Beschickung des Abwassers von unten im

17 Durchstossprinzip, die Eawag-Pilotanlagen erhalten das gleiche Abwasser und haben etwa das gleiche Schlammalter und die gleiche Schlammbelastung Neben diesen Effekten konnte eine starke Bio-P-Aktivität beobachtet werden (vgl. Abbildung 5, da das spezifische Betriebsregime des Reaktors das Einwachsen von zur erhöhten Phosphorakkumulation befähigten Organismen fördert (anaerobe Zustände im unteren Bereich des Schlammbettes). Das hohe CSB tot -zu N tot -Verhältnis im Zulauf zur Pilotanlage begünstig das Verfahren. Dieser Prozess wird derzeit intensiv in vergleichenden Untersuchungen im genannten internen Eawag Projekt experimentell weiter untersucht. Abbildung 5 Bio-P-Batch-Versuch vom August 2010 mit Belebtschlamm aus dem Säulenreaktor (TS-Gehalt 4.1 g/l). Nach Zugabe von vorgeklärten Abwasser und ohne Belüftung erfolgt in der anaeroben Phase die Rücklösung des inkorporierten Polyphosphates und Aufnahme von CSB. Um die Rücklösung des Polyphosphates und CSB-Einlagerung in die Zellen zu begünstigen, wurde leichtabbaubarer CSB in Form von Acetat dosiert. Es ergeben sich gelöste P- Gehalte von bis 80 mgp/l in der anaeroben Phase. Die Menge und Qualität der Kohlenstoffquelle definiert die Höhe der Bio-P-Aktivität. Nach Einschalten der Belüftung (aerobe Phase) erfolgt die Wiederaufnahme des rückgelösten Phosphates. Um die höchst mögliche Wiederaufnahme bzw. Bio-P-Aktivität im Versuch bestimmen zu können, wurde zusätzliches Phosphat dosiert. Der Konzentrationsverlauf des gelösten Phosphates im Versuch entspricht dem in einem klassischen Bio-P-Batchversuch. Im vorliegenden Fall ergibt sich ein P- Gehalt der Biomasse durch Polyphosphat von 18.3 mg/gts, unter Berücksichtigung des inkorporierten Phosphates zum Biomassenaufbau ergibt sich ein P-Gehalt des Belebtschlammes von über 3%, welcher dem typischen,

18 9 spezifischen P-Gehalt von Belebtschlämmen bei vollständiger P-Elimination (Bio- P oder chemische Fällung) entspricht 4.4 Granulierte Biomasse Die biologische Abwasserreinigung mit Hilfe aerober Granula ist ein neues, viel versprechendes Verfahren. Sie findet vorwiegend in SBR-Reaktoren bei gegenüber flockenförmigem Schlamm erhöhten Raumumsatzleistungen statt. Im Zuge der Granulierung schließt sich flockenförmige Biomasse u.a. durch die Schaffung hoher Substratgradienten und hoher Scherkräfte zu kugelförmigen Aggregaten (Granula) zusammen. Verglichen mit Flocken aus belebten Schlämmen, die eine lockere unregelmässige Gestalt aufweisen, hat granulierter belebter Schlamm eine dichte und fast runde Form (siehe Abbildung 6). Sie können als eine besondere Form der Biofilmausbildung ohne unterstützendes Trägermaterial angesehen werden. Abbildung 6 Granulierte Biomasse aus dem Versuchsreaktor der Eawag von Oktober Die Granula hat eine Grösse von bis 4 mm (rechtes Bild), deutlich ist unter dem Lichtmikroskop (linkes Bild) eine pelzartige/fädige Umhüllung der Granula zu erkennen Die Sedimentationsgeschwindigkeit derartiger Schlämme (Granula) liegt im Bereich von 30 bis 70 m/h, während Belebtschlammflocken in der Regel eine Sinkgeschwindigkeit von 8-10 m/h aufweisen (Liu und Tay, 2004). Daraus ergibt sich der Vorteil, dass im Anlagenbetrieb höhere Biomassenkonzentrationen gefahren werden können, die letztendlich zu kleineren Reaktoren bzw. besseren Raumumsatzleistungen führen. Der Schlammvolumenindex von Granula liegt häufig unter 50 ml/gts und ist damit zwei bis dreimal kleiner als beim konventionellem belebtem Schlamm. Der Absetzvorgang ist in der Regel bereits nach rd. 5 Minuten abgeschlossen, während bei konventionellen Belebtschlämmen etwa 30 Minuten abgewartet werden muss, bis der Schlamm vollständig abgesetzt ist. Zudem kann mit Granulas im gleichen Zeitraum beschickt (ins Schlammbett) und gereinigtes Abwasser oben abgezogen werden (Durchstossbetrieb).

19 Übliche Durchmesser der Granula betragen zwischen 1 bis 4 mm. Bei der Bildung von Granula spielen offensichtlich exopolymere Substanzen (EPS) sowie genügend Kalziumund Magnesiumionen eine entscheidende Rolle. EPS dienen den Bakterien dazu, sich an Oberflächen zu haften und vor Umwelteinflüsse zu schützen. Die Granularbildung wird deshalb häufig auch als selbst Immobilisierung der Organismen bezeichnet (Liu und Tay, 2004). 4.5 Erhöhte biologische Phosphorelimination (Bio-P) Bei der Bio-P wird die Entnahme des Phosphors aus dem Abwasser ohne Zugabe von Fällmitteln angestrebt. Der Phosphor kann nur über eine Festlegung im Schlamm aus dem System entfernt werden. Anhand der Abbildung 7 soll auf die wichtigsten Prozesse der erhöhten Bio-P eingegangen werden. P-Rücklösung Rezirkulation P-Aufnahme Nachklärung Zulauf Ablauf anaerob anoxisch aerob Rücklaufschlamm Ueberschussschlamm Substrat Orthophosphat CO2,H2O Orthophosphat Energie "Poly-Substrat" Polyphosphat Cytoplasma O2 Energie Biomasse "Poly-Substrat" Polyphosphat Cytoplasma Abbildung 7 Schematische Darstellung der wichtigsten Prozesse der Bio-P, mit Stoff- und Energieflüssen sowie Kompartimenten einer Bio-P-Durchlaufanlage (Koch et al., 1998) Zur vermehrten Phosphorspeicherung befähigte Bakterien (Phosphorus accumulating organisms, PAO) können verfügbaren Kohlenstoff unter anaeroben Bedingungen aufnehmen und speichern (assimilieren), indem sie die notwendige Energie durch Hydrolyse intrazellulärer Polyphosphate gewinnen. Das dabei freiwerdende Orthophosphat (PO 4 2- ) wird ans Medium abgegeben (Rücklösung). Der gespeicherte Kohlenstoff liegt als zellinternes Polysubstrat (Speicher-C, z.b. Polyhydroxialkanoate PHA) vor. Erst unter aeroben oder denitrifizierenden (anoxischen) Bedingungen kann dieses gespeicherte Substrat in grösserem Mass im Zellstoffwechsel umgesetzt (metabolisiert)

20 11 werden. Dabei wird ein Teil veratmet und der andere zum Aufbau der Zellsubstanz (Wachstum, Teilung) verwendet. Die freiwerdende Energie übersteigt dabei den direkten Energiebedarf des Stoffwechsels. Dieser Energieüberschuss kann in die Synthese intrazellulären Polyphosphats (Poly-P) investiert und damit konserviert werden. Die BioP Bakterien können gewissermassen die Assimilierungsenergie in Form von Poly-P in die anaerobe Phase transferieren, wo dann die (externe) C-Quelle zur Verfügung steht, was ihnen gegenüber anderen heterotrophen Bakterien einen Substrataufnahmevorteil verschafft. Voraussetzung dafür ist natürlich das Vorhandensein von PO 4 im Medium in der aeroben resp. denitrifizierenden Phase. Wird Belebtschlamm in einem Verfahren abwechselnd anaeroben und aeroben (resp. anoxischen) Bedingungen ausgesetzt, reichern sich PAO an (Einwachsen von Bio- P-Aktivität). Diese Bedingung wird dadurch erreicht, dass der Schlamm nacheinander die verschiedenen Kompartimente der Anlage durchströmt oder im SBR-Verfahren zeitlich abfolgenden Betriebsphasen ausgesetzt wird. Die Animpfung des Schlamms erfolgt dabei mit PAO, welche in kleinen Mengen über das Abwasser in die Anlage eingetragen werden oder bereits im Belebtschlamm vorhanden ist. Neben dem Vorhandensein der anaeroben Zonen oder Phasen bedingt das Einwachsen der PAO die Versorgung der Anaerobzone mit leicht abbaubarem Kohlenstoff. Der Zulauf ist deshalb immer in die Anaerobzone oder in die anaerobe Phase zu führen. Die Anoxzone wird benötigt, um bei nitrifizierenden Anlagen überhaupt eine anaerobe Zone für die P-Rücklösung ausbilden zu können. Die beschriebene Anreicherung ist deshalb möglich, weil die PAO gegenüber anderen Organismen in der erwähnten Verfahrensführung bestimmte Selektionsvorteile gezielt erhalten: Vermehrte anaerobe Kohlenstoff-Assimilation infolge intern bereitgestellter Energie aus der Poly-P- Hydrolyse und Verfügbarkeit dieses Substrat-Pools unter anoxischen und aeroben Bedingungen bei Substratlimitierung im Aussenmedium. Der dem Einwachsen entgegengesetzte Vorgang, welcher sich nach dem Übergang zu ungünstigen Bio-P-Bedingungen einstellt, wird als Auswaschen des Bio-P bezeichnet und ist vom Verlust der Bio-P-Aktivität begleitet. Die eigentliche PO 4 -Elimination mittels PAO wird nun aus den beiden folgenden Gründen möglich: Bezogen auf ein gegebenes Abwasservolumen wird in jedem Zyklus, den der Belebtschlamm in der Anlage durchläuft, mehr PO 4 aufgenommen und zur Polyphosphatbildung verwendet, als PO 4 zuvor anaerob rückgelöst wurde. Dies ist die Folge des PAO-Wachstums. Der Überschussschlamm wird in dem Abschnitt des Zyklus entnommen (in der aeroben Phase), in dem er den maximalen Polyphosphatgehalt aufweist. Zur weiteren Veranschaulichung der Wirkungsweise der Bio-P ist in der Abbildung 8 ein schematischer Längsverlauf der PO 4 Konzentration entlang einer Bio-P-Anlage

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