Biologische Abwasserreinigung

Biologische Abwasserreinigung
Arten der biologischen Abwasserreinigung
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Belebtschlammverfahren
Tropfkörperverfahren
Pflanzenkläranlage
Belebtschlammverfahren
Das Belebtschlammverfahren ist ein Verfahren zur biologischen Abwasserreinigung in
Kläranlagen. Dabei wird zumeist kommunales Abwasser durch die Stoffwechsel-Aktivität
von aeroben chemoorganoheterotropen Mikroorganismen, dem soganannten Belebtschlamm,
weitestgehend von organischen Verunreinigungen befreit, also gereinigt. Das Verfahren setzt
nach der Filterung der Grobanteile ein, die entwässert, separiert und verbrannt werden.
Verfahrensgrundlagen
Anlagen nach dem Belebtschlammverfahren können sowohl kontinuierlich, das heißt im
Durchlaufbetrieb, als auch im diskontinuierlich, das heißt ein Schritt nach dem anderen
betrieben werden. Bei der klassischen Konfiguration des Durchlaufbetriebs folgt auf ein
Belebungsbecken zur Belüftung des Gemisches aus Abwasser und Belebtschlamm ein
Nachklärbecken zur Schlammabtrennung. Der Belebtschlamm wird im Nachklärbecken oder
Absetzbecken vom gereinigten Abwasser durch Sedimentation getrennt, durch sein
Eigengewicht eingedickt, am Beckenboden abgezogen und (teilweise) als sogenannter
Rücklaufschlamm in das Belebungsbecken zurückgeführt. Das gereinigte Abwasser verlässt
das Becken über ein sogenanntes Überlaufwehr.
Zur Verfahrensführung auf Kläranlagen können auch mehrere biologische Stufen
hintereinander geschaltet werden z.B.: Belebungsbecken 1, Zwischenklärbecken,
Belebungsbecken 2, Nachklärbecken.
Beim diskontinuierlichen Batch-Betrieb laufen die einzelnen Phasen des Belebungsverfahrens
(Befüllung, Belüftung, Abtrennung, Entleerung) in nur einem Becken zeitlich nacheinander
ab.
Die Belüftung des Abwasser-Belebtschlamm-Gemisches kann durch Oberflächenbelüfter,
durch Einblasen von Druckluft oder durch Begasung mit Reinsauerstoff erfolgen. Dabei ist
darauf zu achten, dass die Belüftung sowohl hinsichtlich der eingetragenen Mengen als auch
in Bezug auf die gleichmäßige Verteilung (vollständige Durchmischung) des Sauerstoffs
ausreichend ausgelegt ist, um den für den biologischen Abbauprozess notwendigen
Sauerstoffbedarf der Mikroorganismen im gesamten Volumen des Belebungsreaktors zu
decken. Neben der biologischen Oxidation von Kohlenwasserstoffverbindungen wird der
Sauerstoff bei der Oxidation von Stickstoff- und Phosphorverbindungen verbraucht.
Die Bemessung der Anlagen erfolgt nach dem Schlammalter, das ist die mittlere
Aufenthaltsdauer des Bakterienschlammes im System. Damit kann sichergestellt werden, dass
ausreichend Zeit besteht, um auch langsam wachsende Bakterien, wie die Nitrifikanten, zu
halten.
Die Schlammbelastung gibt an, wie viel Substrat von den vorhandenen Bakterien umgesetzt
werden kann.
Abbauprozesse
Phosphatelimination: Erfolgt entweder biologisch mit Belebtschlamm oder chemisch. Hierbei
wird dem Abwasser das Fällungsmittel zugegeben. Für den sauren Bereich: AlCl3, AlSO4; Für
den basischen Bereich: Kalkmilch, Kalkhydratpulver. Es folgt eine intensive Durchmischung
und im Anschluss beginnt das Flockenwachstum.
Flockenwachstum bedeutet, dass sich Mikroflocken zu Makroflocken agglomerieren. Diese
Flocken werden mittels Sedimentation, Flotation, Filtration abgeschieden.
Nitrifikation und Entfernung von Stickstoff (Denitrifikation)
a) Nitrifikation: Oxidation des Ammonium-Stickstoffs und des organisch gebundenen
Stickstoffs zu Nitrat. Dies setzt entsprechende (langsamwachsende) Bakterien (die
Nitrifkanten) und ausreichend gelösten Sauerstoff voraus. Die Nitrifikation ist sehr sensibel
im Hinblick auf Hemmstoffe und kann bei schlecht gepufferten Wässern zu einer pH-WertVerschiebung führen.
Die Nitrifikation erfolgt in folgenden Schritten:
1) Bildung von Nitrit:
NH3 + 1½ O2 → NO2- + H+ + H2O + Energie
2) Bildung von Nitrat:
NO2- + ½ O2 → NO3- + Energie
das ergibt in Summe:
NH3 + 2 O2 → NO3- + H+ + H2O + Energie
Die Nitrifikation ist mit einer Produktion von Säure verbunden (H+). Somit wird die
Pufferkapazität des Wassers belastet bzw. es kann gegebenenfalls eine pH-Wert
Verschiebung eintreten, die den Prozess beeinträchtigt.
b) Denitrifikation: Reduktion von Nitrat zu molekularem Stickstoff, der aus dem Abwasser in
die Atmosphäre entweicht. Dieser Schritt kann durch die in Kläranlagen üblich lebenden
Mikroorganismen erfolgen. Diese nützen jedoch das Nitrat nur dann als Elektronenakzeptor,
wenn kein gelöster Sauerstoff vorhanden ist (anoxische Verhältnisse).
Die Denitrifikation erfolgt technisch betrachtet in einem Schritt:
2 NO3- + 2 H+ + 10 [H] → N2 + 6 H2O.
Ein Gramm NO3-N ist somit als Oxidans 2,86 g O2 äquivalent und steht für die Oxidation von
Substrat zur Verfügung.
Die Nitrifikation und die Denitrifikation stehen im Hinblick auf die erforderlichen
Umweltbedingungen in erheblichem Widerspruch. Die Nitrifikation benötigt Sauerstoff
(oxische Verhältnisse) und CO2 (Nitrosomonas und Nitrobacter sind chemolithoautotrophe
Mikroorganismen). Die Denitrifikation erfolgt nur unter Abwesenheit von gelöstem
Sauerstoff (anoxische Verhältnisse) und bei ausreichender Versorgung mit oxidierbaren
Stoffen. Dieses "Dilemma" kann durch folgende Verfahren gelöst werden:
(A) simultane Denitrifikation: intermittierender Betrieb durch Ein- und Ausschalten der
Belüftung. Eventuell ist ein Umwälzaggregat zur Durchmischung erforderlich oder
derBetrieb eines Umlaufbeckens. Der Sauerstoffgehalt wird so geregelt, dass in Teilen
des Beckens kein Sauerstoff vorhanden ist.
(B) Bei der vorgeschalteten Denitrifikation wird das erste Becken anoxisch betrieben
und aus dem sauerstoffreichen zweiten Becken das Schlamm/Abwassergemisch
zurückgepumpt. Somit ist ausreichend Kohlenstoff aus dem Zulauf zum ersten
Becken und Nitrat aus dem Rücklauf vorhanden. Die Rücklaufraten betragen ein
Mehrfaches des Zulaufes.
(C) Nachgeschaltete Denitrifikation: Im ersten Becken wird nitrifiziert, im zweiten wird
denitrifiziert. Dort fehlen jedoch die organischen Stoffe, die bereits im ersten Becken
bei der Nitrifikation veratmet wurden. Es ist daher die Zugabe organischer Stoffe
(Methanol) erforderlich. Dieses Verfahren ist daher ungebräuchlich.
Ein besonderes Problem stellt die Stickstoffentfernung in mehrstufigen Anlagen dar.
Da in der ersten Stufe die organischen Stoffe weitgehend entfernt werden, und in der
zweiten nitrifiziert wird, fehlen in der dritten Stufe organische Stoffe als
Elektronenquellen zur Denitrifikation. Dies lässt sich nur durch kluge
Teilstromlösungen und Rückläufe aus der zweiten in die erste Stufe lösen.
Tropfkörperanlagen/Tropfkörperverfahren
Grundlagen:
Abwasserreinigung mit Hilfe von aeroben, schmutzabbauenden Mikroorganismen, die auf
fester Materie (Tropfkörperfüllung) angesiedelt sind. (z.B. biologischer Rasen). Der
Tropfkörper ist ein mit witterungsbeständigem Naturstein (z.B. Lavagestein) oder Kunstsofffüllkörper gefülltes Bauwerk.
Das Abwasser wird im allgemeinen über Drehsprenger auf der Tropfkörperoberfläche verteilt
und passiert den Tropfkörper von oben nach unten, wobei die auf den Füllkörpern
angesiedelten Mikroorganismen unter Sauerstoffverbrauch die organischen Substanzen
abbauen. Anschließend wird das Abwasser in Nachklärbecken geleitet. Bei mehrstufigen
Kläranlagen werden Tropfkörperverfahren häufig als erste Stufe verwendet, während die
zweite Stufe aus Belebungsbecken besteht.
Forderungen an einen ungestörten Tropfkörperbetrieb
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Der gesamte Tropfkörper muss gleichmäßig beschickt werden, weil die Biomasse
optimal ausgenutzt, der Tropfkörper in jedem Bereich feucht gehalten und anaerobe
Toträume möglichst vermieden werden sollen.
Es muss eine große Rieseloberfläche erzeugt werden, um guten Kontakt zwischen O2,
Bakterien und Abwasser zu gewährleisten. Daraus folgt die Forderung nach möglichst
kleinen Füllkörpern. Die spezifische Rieseloberfläche liegt bei Füllkörpern wie
Lavagestein bei etwa 100m2/m3.
Der Tropfkörper soll nicht verstopfen. Dies würde Flutung, Sauerstoffmangel und
anaerobe Zustände mit Geruchsprobleme mit sich bringen.
Bakterienwachstum und Spülkraft müssen im Gleichgewicht sein. Das
Bakterienwachstum hängt von der Abwassermenge und der BSB5-Belastung ab, die
Spühlkraft nur von der Abwassermenge.
Gegenüberstellung des Belebtschlamm- und Tropfkörperverfahren
Belebtschlammverfahren
Tropfkörperverfahren
 Aufbauend auf der natürlichen
 Aufbauend auf dem Prinzip des
Selbstreinigung der Gewässer durch
natürlichen Abbaus im Boden und an
suspendierende Bakterien
besiedelten Oberflächen im Wasser
 horizontale Durchströmung
 vertikale Durchströmung
 Bakterien in Schwebe (mobil),
 Bakterien als biologische Rasen an
gleichmäßig im Wasser verteilt
der Oberfläche der Tropfkörperfüllung festgelegt (stationär)
 künstliche Belüftung (z.B. Einblasen
 natürliche
Belüftung
durch
von Luftsauerstoff)
Konvektion bei offener Bauweise
(ggf. künstliche Belüftung bei
geschlossener Bauweise)
 kontinuierlicher Schlammaustrag und
 nur geringer und z.T. periodischer
hoher Schlammanfall durch lebende
Schlammanfall durch überwiegend
und tote Bakterien
toter Bakterien
 ggf. periodische Selbstspülung durch
Wassereinstau nach Verstopfung
 Rücklaufschlamm zur Aufrecht kein Rücklaufschlamm nötig
erhaltung der Bakterienpopulation
nötig.
 relativ hoher Flächenbedarf
 durch Bau in die Höhe relativ
geringer Flächenbedarf
Pflanzenkläranlage
Allgemeines
Im Prinzip ist eine Pflanzenkläranlage nichts anderes, als ein gut mit Schilf oder anderen
Sumpfpflanzen besetztes Beet, durch das in irgendeiner Weise verunreinigtes Wasser geleitet
wird. Durch die Tätigkeit von Bakterien und Pflanzen wird das Wasser auf ganz natürliche
Weise gereinigt, es kommt deutlich sauberer heraus als es hineingeleitet wurde. Vorbild für
Pflanzenkläranlagen sind Sumpfgebiete und mit Sumpfpflanzen bewachsene
Flachwasserareale an Seen und Flüssen.
Pflanzenkläranlagen eigenen sich aufgrund ihrer Bauweise meist nur für kommunale
Abwässer. Für Industrieabwässer müssen sie hinsichtlich der Abwasserbelastung ausreichend
dimensioniert werden.
Funktionsweise
Die Beschickung mit Abwässern erfolg über Pumpen oder ein entsprechend einkalkuliertes
Gefälle.
Klärung der Abwässer
Die Klärung der Abwässer wird hier an einem Beispiel erklärt:
Die Klärung erfolgt in einem ein Meter tiefen, mit Kunststofffolie abgedichtetem Becken. Die
oberste Schicht (Deckschicht) ist mit Schilf bepflanzt, sie hat eine Stärke von ca. 10cm und
besteht aus Schotter mit einer Korngröße von 1-4 mm. Aufgabe dieser Schicht ist es, das
Abwasser gleichmäßig auf die gesamte Oberfläche der Pflanzenkläranlage aufzubringen.
Außerdem hält sie Laub und Schmutz fern. Unter dieser Schicht befinden sich mehrere
Schichten, diese bestehen abwechselnd aus Kies oder Sand. Diese Schichten bilden die
Lebensräume für Mikroorganismen, außerdem hat die Sandschicht eine Art Filterfunktion.
Zur aeroben Verwertung beziehen sie den Sauerstoff aus den Pflanzen und aus intermittierter
Beschickung.
Arten von Pflanzenkläranlagen
a) horizontale Verfahren
Das Abwasser wird über die Mehrkammerabsetzgrube unterhalb der Beetoberfläche in
die Anlage eingeleitet. Das Abwasser durchfließt den Bodenkörper und wird auf der
Sohle am Ende der Anlage in Filterrohren aufgesammelt und über einen
Kontrollschacht in ein Gewässer geleitet oder im Untergrund versickert. Für
horizontal durchflossene Anlagen werden mindestens 5 m2 Pflanzenfläche angesetzt.
Bei der Berechnung der notwendigen Fläche müssen der Zu- und der Ablaufbereich
mitberücksichtigt werden.
b) vertikales Verfahren
Beim vertikalen Verfahren wird das Abwasser über ein Ventilsystem auf der
Pflanzenfläche in den Bodenkörper eingebracht. Das Wasser wird gleichmäßig über
die gesamte Pflanzenfläche verteilt und rieselt aus den Verteilerrohren in den
Bodenkörper. Auf der Sohle der Anlage wird das gereinigte Wasser gesammelt und
ebenfalls über einen Kontrollschacht in ein Gewässer geführt oder in den Untergrund
versickert.
Nachteil der Pflanzenkläranlage
Der Nachteil gegenüber den kompakten Behälteranlagen ist der vergleichsweise hohe
Pflanzenbedarf. Je nach Verfahren werden mindestens 2-5m2 Fläche pro Einwohnergleichwert (EWG) benötigt (oft sogar 8-10m2/EWG). Die Mindestfläche eines Pflanzenbeetes
wird mit 25m2 angegeben. Um eine große Oberfläche für die zahlreichen
Umwandlungsprozesse zur Verfügung zu stellen, ist eine ausreichend tiefe Durchwurzelung
notwendig. Rohrschilf zum Beispiel erreicht eine Durchwurzelung bis in 1,20m Tiefe. Für die
meisten Pflanzenkläranlagen ist eine Wurzeltiefe von ca. 60cm jedoch ausreichend.
Kontrolle des gereinigten Abwassers
Das geklärte Abwasser wird in Drainagerohren gesammelt und zu einem Schacht geleitet.
Dieser Schacht wird zur Musternahmen herangezogen. Das ablaufende Abwasser wird auf
BSB5, CSB, Phosphatgehalt und Stickstoffgehalt geprüft.
BSB5
BSB5 ist der biologische Sauerstoffbedarf, den die Bakterien innerhalb von 5 Tagen veratmen,
wenn sie einen Liter Wasser bei 20°C reinigen. Der Grund für den Sauerstoffverbrauch ist,
dass die Bakterien die im Abwasser vorliegenden, abbaufähigen organischen Inhaltsstoffe
abbauen. Der BSB5 ist ein wichtiger Parameter zur Beurteilung des Verschmutzungsgrades
von Abwässern für die Umwelt. Den für die Oxidation notwendigen Sauerstoff entziehen die
Mikroorganismen dem Wasser. Dadurch kann es zum Absterben sauerstoffatmender
Lebewesen durch Sauerstoffmangel kommen.
CSB
Der chemische Sauerstoffbedarf ist die Masse an Sauerstoff, die notwendig ist, um alle in
einem Liter Wasser befindlichen organischen Stoffe zu oxidieren.
EWG
Der Einwohnergleichwert dient als Referenzwert der Schmutzfracht. Er kann auf den
biologischen Sauerstoffbedarf, den chemischen Sauerstoffbedarf, den Stickstoff, den
Phosphor, den totalen organischen Kohlenstoff, die Schwebstoffe oder auf den
Wasserverbrauch bezogen werden. Er gibt jeweils das Äquivalent der Tagesmengen dieser
Stoffe beziehungsweise Verbräuche im Abwasser eines Einwohners an.