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N/P-Elimination

 

 

N-Elimination

 

 

Stickstoff (N) kommt in der Natur in organischer und anorganischer Form vor. Er ist überwiegend in organisch gebundener Form und als Ammonium-Ionen im Abwasser vorhanden. Ebenfalls wie Phosphor, wirkt sich der Ammonium-Stickstoff eutrophierend auf Gewässer aus. Er wird dabei auf biologischem Wege in Nitrat überführt. Bei diesem Vorgang wird dem Gewässer Sauerstoff entzogen. Dieser Sauerstoffmangel kann besonders an heißen Sommertagen stellenweise zum Fischsterben führen. Ferner stellen hohe Konzentrationen an Nitraten und Nitriten im Trinkwasser ein Gesundheitsrisiko für die Bevölkerug dar, da sich im Beisein vom Aminen sog. karzinogene Nitrosamine bilden können.

Die Stickstoffabtrennung verläuft allgemein in folgenden vier Schritten:

  • Ammonifizierung des organisch gebundenen Stickstoffs
  • Nitrifikation des Ammonium-Stickstoffs 1.) 
  • Denitrifikation des Nitrat-Stickstoffs 2.)
  • Austreiben des gasförmigen Stickstoffs

Dabei sind aber in der Abwasserreinigung der Kläranlagen nur die Schritte zwei und drei verfahrenstechnisch für Planung und Betrieb interessant. Die Nitrifikation wird vorwiegend mit dem Belebungsverfahren kombiniert und findet direkt im Belebungsbecken statt. Für den zweiten Schritt, der Denitrifikation des Nitrat-Stickstoffs, wird ein sog. Elektronendonator benötigt. Hier gibt es unterschiedliche Verfahren mit organischen Substanzen aus Belebtschlamm und Rohabwasser. Es können auch Substanzen, wie z.B. Methanol, Äthanol, Melasse1, von außen zugeführt und hierfür verwendet werden.

 

 

1.)   1.   NH4+     +     1,5 . O2        ------>      NO2-   (Nitrit)   +    H2O   +   2 . H+          

 

      2.   NO2-     +      0,5 . O2        ------>      NO3-   (Nitrat) 

 

      An den Vorgängen 1. und 2. beteiligte Bakterienstämme:       1. Nitrosomonas u. Nitrosococcus

                                                                                        2. Nitrobacter u. Nitrococcus

2.)    NO3-    +    5 . H+   +   5 . e-    ------>      0,5 . N2 3.)    +    2 . H2O   +   OH-   
       dieser Vorgang erfolgt mittels heterotropher Denitrifikanten


 

 

1 Melasse ist ein süße, dunkle und sirupartige Flüssigkeit mit 50% Zuckeranteil, die bei der Zuckerherstellung aus Zuckerrüben entsteht. Sie bleibt nach dem Auskristallisieren des Zuckers zurück, und eignet sich als wohlschmeckender, energiereicher Futterzusatz.

 

3.)  Die Stickstoffmoleküle werden aus dem Abwasser ausgetrieben

 


 

 

Biologische  P-Elimination

 

 

Der Phosphor (P) liegt im Abwasser meist als Orthophosphat  (PO43-) und als organisches Polyphosphat vor. Letzteres spalten die Mikroorganismen i.d.R. schnell zu Orthophosphat auf. Dieses wird dann von den Zellen aufgenommen. Es kann deshalb bei der P-Entfernung sowohl von Phosphat- als auch von Phosphorelimination gesprochen werden. Der Nährstoff Phosphor trägt maßgeblich zur Eutrophierung von, insbesondere stehenden oder langsam fließenden, Gewässern bei. Er ist deshalb möglichst bei der Abwasserreinigung au dem Abwasser zu entfernen.

 

Verwendet man dabei die chemische Phosphorelimination, so werden Chemikalien dafür ebnötigt. Dies verursacht einen zusätzlichen Schlammanfall. Sowohl der Ankauf und die Lagerung der Chemikalien, als auch die weitere Schlammbehandlung und -entsorgung für den zusätzlich entstandenen Schlamm, verursachen unerwünschte Kosten. Ferner können weitere Nachteile auftreten, wie z.B das Aufsalzen des Vorfluters oder die Schwermetallbelastung des Klärschlamms.

 

Bei der biologischen Phosphorelimination werden diese Nachteile umgangen, indem die Abwasserinhaltsstoffe genutzt werden. Grundsätzlich benötigen die abwasserreinigenden Mikroorganismen für ihren Bau- und Energiestoffwechsel den lebensnotwendigen Nährstoff Phosphor. Hierbei benötigen alle Organismen Phosphor, dessen Anteil ca. 3% der Zelltrockensubstanz entspricht. Die Mikroorganismen können bei normal belastetem Abwasser bis zu etwa 30% des darin enthaltenen Phosphors aufnehmen. Wird den Mikroorganismen der Phosphor über längere Zeit vorenthalten, so sind diese bei einem erneuten Angebot sogar in der Lage, über ihren eigentlichen Bedarf hinaus Phosphormengen zu speichern. Man spricht dann von Überkompensation, bei der ein Phosphatspeicher aufgebaut wird. Im Laufe des Wachstums der Mikroorganismen werden die Polyphosphate des Speichers wieder langsam abgebaut, und vorwiegend zur Bildung phosphathaltiger Zellverbindungen verwendet.

 

Ferner existieren Bakterienarten, die sogar eine gesteigerte Phosphataufnahme leisten, ohne jedoch zuvor einem Phosphorverzicht ausgesetzt worden zu sein. Diese erhöhe Aufnahme an Phosphaten, mit anschließender Speicherung als Polyphosphate, wir häufig als "luxury uptake" bezeichnet. Die Arten Acinetobacter calcoaceticus, Pseudomonas, Klebsiella, Microthrix und Aeromonas sind z.B. hierzu in der Lage.

 

Welche Bakterien nun letztlich an der Phosphateliminierung beteiligt sind, hngt von den lokalen Betriebsbedingungen ab. Diese sind z.B. Substratzusammensetzung, Phosphatgehalt und Temperatur des jeweiligen Abwassers. Dabei speichern die Bakterien den Phosphor unter aeroben und auch anoxischen2 Bedingungen. Die Wiederfreigabe des Phosphors erfolgt, mit Energiegewinn, unter anaeroben Bedingungen. Bei der erhöhten Phosphatspeicherung wird das Polyphosphat vorwiegend als Einschlusskörper, innerhalb des Zytoplasmas der Bakterien, eingelagert und kann über 10% der Zelltrockensubstanz ausmachen.

 

2 anoxische Bedingungen liegen dann vor, wenn kein gelöster Sauerstoff aber Stickstoffverbindungen vorhanden sind, so dass eine Nitratatmung  (Denitrifikation) ermöglicht wird.

 

 

Die in kommunalen Kläranlagen zur Phosphor-Elimination eingesetzten Verfahren lassen sich unterteilen in:

  • Hauptstromverfahren
  • Nebenstromverfahren

 

Die Phosphat-Elimination erfolgt bei den Hauptstromverfahren im Belebungsbecken, das direkt vom Abwasserhauptstrom durchflossen wird. Dabei reichern sich die Bakterien im Belebtschlamm mit dem Phosphat des Abwassers an. Der Phosphataustrag erfolgt schließlich über den Abzug des entstandenen Überschussschlamms. Es gibt viele Verfahren und Verfahrensvarianten, u.a. folgende:

 

  •  A/O - Verfahren
  •  A2/O - Verfahren
  •  Bardenpho - Verfahren
  •  Biodenipho - Verfahren
  •  CPSC - Verfahren
  •  EASC - Verfahren
  •  ISAH - Verfahren
  •  Phoredox - Verfahren
  •  UCT - Verfahren


 

 

 

Das  A/O - Verfahren  ist davon wohl die bislang einfachste Verfahrenskonzeption. Hierbei ist ein unbelüftetes, voll durchmischtes Becken, oder eine Beckenkaskade, dem Belebungsbecken vorgeschaltet. In diesem Becken werden dann rohes oder vorgeklärtes Abwasser und Rücklaufschlamm vermischt. Das Verfahren wird ausschließlich für hoch belastete Anlagen verwendet, in denen keine Nitrifikation auftritt. Das Nitrat bzw. Nitrit würde sonst zusammen mit dem Rücklaufschlamm in das belüftete Becken gelangen, und dort die Rücklösung des Phosphors verhindern. [unbelüfteter Bereich => anaerobe Zone => Nitrat/Nitrit führt zur Nitratatmung => angereichertes Phosphor wird nicht freigesetzt und verwendet]

 

 

A/O - Verfahren

 

 VKB = Vorklärbecken                VKS = Vorklärschlamm                NKB = Nachklärbecken                ÜS = Überschussschlamm

 

 

Das  A2/O - Verfahren  ist, durch Erweiterung mit Nitrifikation und Denitrifikation, aus dem  A/O - Vefahren  entstanden. Es entspricht in seiner Beckenanordnung und Leitungsführung dem  Phoredox - Verfahren (s.u.). Hierbei sind jedoch alle Becken als Kaskade unterteilt, damit eine Pfropfenströmung3 erfolgt.

 

3 Die Pfropfenströmung erzeugt ein Strömungsbild mit vollständiger Vermischung über den Strömungsquerschnitt, jedoch ohne Vermischung in Fließrichtung. Es ist ein typisches Strömungsverhalten in Rohrreaktoren.

 

 

Von Barnard wurde 1974 in Südafrika das  Bardenpho - Verfahren  entwickelt. Diese Verfahrenskombination beinhaltet Nitrifikation, Denitrifikation und biologische Phosphorelimination. Dabei durchfließt das Rohabwasser erst einen anaeroben Bereich zur Rücklösung des Phosphors, dann einen anoxischen Bereich zur Denitrifikation. Schließlich durchläuft es eine aerobe Zone zur Nitrifikation und Phosphoraufname. In den internen Kreisläufen werden Nitrate in die anoxische Zone und phosphorreicher Belebtschlamm in die anaerobe Zone geleitet. Inzwischen gibt es viele Verfahrensvarianten sowie Modifikationen, nach denen u.a. zahlreiche Anlagen in Südafrika, Kanada und den USA arbeiten.

 

 

Beim  Biodenipho - Verfahren dient ein Anaerobbecken als Vorstufe. Hier kommen Zulauf und Rücklaufschlamm zum Hauptstrom zusammen. Danach folgt eine alternierende Denitrifikation als schwach belastete Belebungsstufe. Dabei werden zwei Belebungsbecken wechselweise nacheinander durchflossen. Durch Zu- bzw. Abschalten der Belüftung werden somit anaerobe, anoxische bzw. aerobe Bereiche geschaffen. Die Phosphorrücklösung unterscheidet sich nicht grundsätzlich von den vorigen Verfahren.

 

 

Im  CPSC - Verfahren  werden die grundlegenden Aspekte des nachfolgenden  EASC - Verfahrens  integriert. Dabei wird ein durchmischtes anaerobes Becken mit einem nachgeschalteten Absetzbecken kombiniert. Der Belebtschlamm wird dabei im Absetzbecken eingedickt, und zusammen mit dem Rücklaufschlamm in das durchmischte Anaerobbecken verbracht. Hier wird die Schlammkonzentration, auf ca. das 1,5-fache der Konzentration im Belebungsbecken, angehoben. Die Anaerobstufe ist kaskadenförmig ausgebildet. Damit wird sichergestellt, dass das Nitrat aus dem Rücklaufschlamm vollständig denitrifiziert, und nicht im Anaerobbecken verteilt wird. Man erreicht damit eine nicht negativ beeinflusste Rücklösung des Phosphors in den nachfolgenden Becken. Trotz der starken Zulaufschwankungen sind die Ablaufwerte des Phosphors sehr stabil. Mit diesem Verfahren kann man also Schlamm kontrolliert verdichten und rezirkulieren. Der Gehalt an Trockensubstanz bleibt dabei im Anaerobbecken konstant.

 

CPSC - Verfahren

 

VKB = Vorklärbecken                ZKB = Zwischenklärbecken                BB = Belebungsbecken                NKB = Nachklärbecken

 

R1 = Rücklaufschlamm aus dem anaeroben Zwischenklärbecken           R2 = Rücklaufschlamm aus dem Nachklärbecken

 

 

 

Das  EASC - Verfahren  zeichnet sich durch seine Einfachheit aus. Zur Steigerung der Eliminationsrate wurden folgende Gesichtspunkte berücksichtigt:

  • Steigerung der anaeroben Aufenthaltszeit für den Belebtschlamm
  • Steigerung der Phosphat-Rücklösungsgeschwindigkeit durch Verfügbarmachung des gesamten leicht abbaubaren Substrats im Rohabwasser

Dabei wird ein anaerobes Absetzbecken vorgeschaltet, bzw. hierfür das Vorklärbecken verwendet. Rücklaufschlamm und Rohabwasser gelangen in das Absetzbecken, wobei der Schlamm sedimentiert. Die gesamte, leicht abbaubare Substratmenge des Rohabwassers ist somit für den Belebtschlamm verfügbar. Dabei können die Aufenthaltszeiten des Schlammes, bei guter Eindickung, bis zu fünfzehn Stunden betragen. Es lassen sich Vorklärbecken einfach in ein vorgeschaltetes anaeroes Absetzbecken umfunktionieren. Bereits betriebene Anlagen können so auf dieses Verfahren umgerüstet werden.

 

 

EASC - Verfahren

 

 

 

Selbst bei ungünstigen Abwasserverhältnissen, wie z.B. geringe Substratkonzentrationen, Verdünnung durch Fremdwasser und niedrige Temperaturen, ist das  ISAH - Verfahren  einsetzbar. Dabei wird der Rücklaufschlamm in einem separaten anaeroben Becken denitrifiziert. Es soll somit eine Beeinträchtigung der Phosphatrücklösung ausgeschlossen werden, und das leicht abbaubare Substrat des Abwassers steht dann den phosphatspeichernden Bakterien voll zur Verfügung. Damit werden Bakterienwachstum und Phosphatanreicherung unterstützt. Der Ablauf erfolgt zur weitergehenden Reinigung in Schönungsteiche und wird hier deshalb als Vorablauf bezeichnet.

 

ISAH - Verfahren

 

 

 

Beim  Phoredox - Verfahren  handelt es sich um ein modifiziertes  Bardenpho - Verfahren. Wie beim  A/O - Verfahren  werden hier rohes oder vorgeklärtes Abwasser und Rücklaufschlamm in einem unbelüfteten Becken, oder einer Beckenkaskade, durchmischt. Hiernach folgen die Nitrifikation und eine vollständige Denitrifikation. Es gelangt somit kein Nitrit oder Nitrat mehr mit dem Rücklaufschlamm in den anaeroben Bereich der Anlage. Dieses Verfahren eignet sich speziell bei schwach belasteten Anlagen mit biologischer Stickstoff- und Phosphorelimination.

 

 

Phoredox - Verfahren

 

 VKB = Vorklärbecken                VKS = Vorklärschlamm                NKB = Nachklärbecken                ÜS = Überschussschlamm

 

Die zweite Denitrifikationsstufe hat allerdings keinen großen Einfluss mehr auf die Denitrifikation. Das Verfahren wurde deshalb insoweit modifiziert, dass die Nachklärung nun direkt hinter dem ersten Belüftungsbecken stattfindet. Die zwischenliegenden Bereiche wurden somit weggelassen.

 

 

 

Eine vollständige Denitrifikation ist mit großem Aufwand verbunden. Das  UCT - Verfahren  wurde aus diesem Grund heraus entwickelt. Bei dem Verfahren beschränkt man sich auf eine vorgeschaltete Denitrifikationsstufe, in der prinzipiell keine vollständige Nitrit- bzw. Nitratentfernung möglich ist. Der nitrit- und nitrathaltige Rücklaufschlamm wird zunächst dem Denitrifikationsbecken zugeleitet. Danach gelangt er in ein vorgeschaltetes anaerobes Mischbecken, wobei er direkten Kontakt mit dem rohen bzw. vorgeklärten Abwasser erhält.

 

 

UCT - Verfahren

 

 VKB = Vorklärbecken                VKS = Vorklärschlamm                NKB = Nachklärbecken                ÜS = Überschussschlamm

 

 

 

Unterteilt man die Denitrifikationszone in zwei Bereiche, so erhält man das  modifizierte UCT - Verfahren. Dabei wird im ersten Teil das Nitrat des Rücklaufschlammes denitrifiziert, und im zweiten Teil erfolgt die Denitrifikation des Nitrats aus dem Belüftungsbecken. Das Verfahren besitzt damit sowohl einen anaeroben, als auch einen aeroben Denitrifikationskreislauf.

 

Es existieren weitere Hauptstromverfahren, die jedoch in der Praxis kaum verwendet werden.

 


Bei den Nebenstromverfahren kommt der Belebtschlamm nicht mit dem gesamten Abwasserhauptstrom in Kontakt, sondern höchstens mit nur einem Teilstrom. Das anaerobe Becken ist hierbei in den Kreislauf des Rücklaufschlamms integriert. Neben der generellen Überschussschlamm-Entnahme soll möglichst ein großer Teil des aufgenommenen Phosphats im Nebenstrom unter anaeroben Bedingungen rückgelöst, und danach chemisch gefällt, werden. Es handelt sich also nicht um eine rein biologische Phosphorelimination, und man spricht daher von einer biologisch induzierten Fällung. Folgendee zwei Nebenstromverfahren sind wohl am bekanntesten:

  • CISAH - Verfahren
  • Phostrip - Verfahren

 

Durch die Verbindung von biologischer Phosphatelimination im Abwasserhauptstrom mit einer Fällung im Nebenstrom bei Bedarf, erhält man das  CISAH - Verfahren. Bei diesem kombinierten  ISAH - Verfahren  kann eine zwei- oder mehrstufige Kaskade als anaerobe Vorstufe dienen. Das letzte Becken der anaeroben Kaskade besitzt die höchste Phosphorkonzentration. Hieraus wird ein Teilstrom in ein Sedimentationsbecken geleitet. Der sich darin abgesetzte Schlamm wird dem Belebungsbecken rückgeführt, und das Überstandswasser4 mit gelöschtem Kalk [ CA(OH)2 ] gefällt.

 

4 Das Überstandswasser, auch als Dekantat bezeichnet, ist das in einem Behälter über den abgesetzten Feststoffen stehende Schlammwasser.

 

 

CISAH - Verfahren

 

 AN  =  Anaerobbecken             BB  =  Belebungsbecken              NKB  =  Nachklärbecken

 

 Den. = Denitrifikation             Sed. = Sedimentation                   Fäll. = Fällung 

 

 

 

Beim  Phostrip - Verfahren  wird ein Teil des Rücklaufschlamms in den sog. Stripper geleitet. Bei diesem Eindicker handelt es sich um ein Absetzbecken mit einer ca.  8-24 h  dauernden anaeroben Aufenthaltszeit. Dort finden gleichzeitig Phosphatrücklösung und Abtrennung des Überstandswassers statt. Anschließend wird das im Überstandswasser befindliche Phosphat chemisch mit Kalk gefällt. Der Wirkungsgrad lässt sich dadurch verbessern, indem man einen weiteren Kreislauf einführt. In diesem wird das rückgelöste Phosphat aus der Schlammschicht des Stripperüberlaufs ausgewaschen. Der ausgewaschene Belebtschlamm wird dann anschließend dem Belüftungsbecken zur erneuten Phosphataufnahme zugeleitet. Im Ggs. zur rein biologischen P-Elimination sind mit diesem Verfahren grundsätzlich höhere Eliminationsraten erzielbar.

 

 

Phostrip - Verfahren

 

    VKB = Vorklärbecken               VKS = Vorklärschlamm               BB = Belebungsbecken               NKB = Nachklärbecken

 

 

Die Nebenstromverfahren enthalten, neben der biologischen P-Elimination, eine Stufe mit chemischer Phosphatfällung. Durch den chemischen Fällungsprozess werden Fällungschemikalien, wie z.B. Kalk, benötigt. Nachteilig ist letzlich auch, dass im Ggs. zu den Hauptstromverfahren mehr Schlamm anfällt.

 


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