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Verfahren

Mechan./Physikalisch
Chemische Verfahren
Biochem.-/Biologisch

 

Biochemische Verfahren

 

Derzeit verwenden alle biochemischen Desintegrationsverfahren als Zusatzstoff Tenside oder tensidhaltige Substanzen. Tenside bestehen aus einem hydrophilen und einem lipophilen Ende. Bei Einsatz von Tensiden ist in der Überschussschlammbehandlung eine schrittweise Umstellung bzw. Anpassung der Biologie notwendig. Diese wird durch Zugabe von Nahrungsergänzungsstoffen in den Zulauf erreicht. Es können aber auch tensidhaltige Zugabestoffe, in Kombination mit diesen Nahrungsergänzungsmitteln, verwendet werden. Tenside werden unterschieden durch die Ladung ihres hydrophilen Endes in:

      • kationische Tenside (positiv geladen)
      • anionische Tenside (negativ geladen)
      • nichtionische Tenside (besitzen keine Ladung)
      • amphotere Tenside (besitzen eine positiv geladene und eine negativ geladene Gruppe)

Für die Verbesserung des Sauerstoffeintrags in das Belebungsbecken sind nur solche oberflächenaktiven Substanzen geeignet, die auch in geringen Konzentrationen äußerst wirksam sind. Insbesondere sind hierfür Biotenside gut geeignet, die zudem noch biologisch vollständig abgebaut werden können. Ihr hydrophiles Ende besteht aus einem Zuckermolekül, und ihr hydrophobes bzw. lipophiles Ende aus einem Fettmolekül.


Bioserve-Verfahren

 

Das Bioserve-Verfahren verwendet das Produkt LIPISOL, das direkt in das Belebungsbecken dosiert wird. Es besteht aus einem oder mehreren nichtionischen Tensiden und stoffwechselanregenden Substanzen, wie z.B. Thymian. Dabei hängen Menge und Zusammensetzung des Produktes LIPISOL von der Aufgabenstellung und der Kläranlage ab. Die nichtionischen Tenside sind in der Belebung biologisch leicht abbaubar. Sie bestehen aus natürlichen Substanzen, wie z.B. tierische und pflanzliche Fette oder Stärke, und können auch anaerob abgebaut werden. Die hinzudosierten Tenside lagern sich, je nach ihrer Konzentration, von außen in die Zellmembran der Bakterien ein und verringern dadurch entweder den semipermeablen Transportwiderstand der Zellmembran, oder führen sogar zu deren irreversiblen Schädigung.

 

Der Aufbau einer Doppelmembran ist in Abb. 1 dargestellt. Hierbei besitzen die Lipidmoleküle einen gelben, runden, hydrophilen Kopf mit meist zwei violetten, schlauchförmigen Enden, die fettlöslich sind.

 

 

Abb. 1:  Aufbau einer Zellmembran (Doppelmembran)

 

 

Die Tensid-Konzentration ist insbesondere an der Dosierstelle relativ hoch, so dass die Membranen einiger Zellen zerstört werden. Hierdurch werden die Zellinhaltsstoffe freigesetzt, die dann im Anschluss den anderen Mikroorganismen als Nahrung dienen.

 

Das Verfahren wurde großtechnisch in mehreren kommunalen Kläranlagen getestet. Herbei erzielte man unterschiedlich hohe ÜS-Reduktionen von 20,8 - 37,4 %. Die veröffentlichten Betriebsdaten und Ergebnisse sind in nachfolgender Tabelle aufgelistet.

 

 

Tab. 1:  Betriebsdaten und Ergebnisse bei Einsatz des Bioserve-Verfahrens (wwt, 12/2003)

 

 

Die bisher abgezogene Menge an ÜS ist beim erstmaligen Dosierbeginn beizubehalten. Dabei sind täglich die Bioindikatoren für Schlammbelastung, Sauerstoffversorgung und Schlammalter zu beobachten und zu dokumentieren. Die Bioindikatoren sind in Tab. 2 aufgeführt. Der Schlammabzug lässt sich dann schrittweise reduzieren, sobald eine ausreichend große Anzahl an höher organisierten Mikroorganismen (Mehrzeller) im Belebungsbecken anzutreffen sind.

 

 

Tab. 2:  Bioindikatoren (wwt, Dezember 2003)

 

 

Das Bioserve-Verfahren kam ab August 2003 ebenfalls auf der KA Neuss-Ost zum Einsatz. Dort wurde auch erstmalig eine weiter entwickelte Variante des Produktes LIPISOL verwendet. Diese besitzt eine etwas höhere Resistenz, so dass es die dort vorhandenen Stufen der biologischen Phosphorelimination und der Denitrifikation unbeschadet übersteht. Somit wird das LIPISOL erst in der Nitrifikation wirksam. Durch den Verfahrenseinsatz wurde die Schlammstruktur eheblich verbessert, so dass sich einerseits die Betriebsstabilität erhöhte und sich andererseits die Reinigungsleistung bzgl. des Stickstoffs verbesserte. Gegenüber dem Vorjahreszeitraum wurde die ÜS-Produktion um 24 % reduziert. Der auf die CSB-Fracht bezogene spezifische ÜS-Anfall wurde um rund 27 % gesenkt. Durch die Verfahrensanwendung lassen sich jährlich Betriebskosten von 28.000 € einsparen.


WWE-bionorm®-Verfahren

 

Beim WWE-bionorm®-Verfahren werden im Wesentlichen eine oberflächenaktive Substanz und eine temporäre Nahrungsergänzung zur ÜSR angewandt. Das Verfahren der Firma WasteWater Engineering Ltd. beinhaltet die beiden Zusatzstoffe Energon®, das als Nahrungspräparat in den Zulauf des Sandfangs gegeben wird, sowie die tensidhaltige Substanz Contrased®, die dem Rücklaufschlamm zudosiert wird.

 

Das Verfahren wurde 2001 großtechnisch auf den kommunalen Kläranlagen Dremmen und Lemke betrieben. Es wurde vom IWB (Gemeinnütziges Institut Wasser und Boden e.V.) in Form eines Gutachtens beurteilt. Die Anlagen wurden dabei zeitgleich von April bis August betrieben. Gegenüber dem Vorjahreswert erreichte man auf der KA Dremmen eine Überschussschlammreduktion von 50 %. Mit 23 % fiel auf der KA Lemke die ÜSR vergleichsweise gering aus. Auf beiden Anlagen wurde für den ÜS bessere Absetzeigenschaften festgestellt.

 

In einem 8 Monate dauernden Versuchsbetrieb, von Februar bis November 2001, wurde das Verfahren auf der KA Bad König im Odenwald-Kreis getestet. Die KA war zum damaligen Zeitpunkt mit einer einstufigen mechanisch-biologischen Stufe ausgestattet, die Feinrechen, Sandfang, Vorklärung bzw. Grobentschlammung, Belebungsbecken mit vorgeschalteter Denitrifikation, Nitrifikation mit feinblasiger Belüftung, chemische P-Fällung durch Zugabe von Natriumaluminat und ein Nachklärbecken umfasste. In diesem Zeitraum wurde, unter Einsatz des WWE-bionorm®-Verfahrens, eine Reduzierung des Überschussschlammanfalls in Höhe von 45 % erzielt. Es wurde auch eine deutlich verbesserte Nitratablaufkonzentration und eine leicht verbesserte Kohlenstoffablaufkonzentration festgestellt.

 

Das Verfahren wurde auch auf zwei Versuchsanlagen erprobt. Es handelt sich dabei um eine Versuchsanlage in Neuss, mit einem Belebungsbeckenvolumen von 4 m3, und eine Anlage in Düsseldorf-Süd, mit einem Beckenvolumen von 30 m3. Auf der Anlage in Neuss wurden, innerhalb des Versuchszeitraums von 74 Tagen, eine maximale ÜSR von nur 8,5 % erzielt. Allerdings ist eine solch kleine Anlage nicht betriebsstabil. Ferner waren die vier bilanzierten Zeiträume ungleich und es traten zusätzlich Probleme mit Blähschlamm auf. Deshalb wurden in der letzten der vier Phasen keine Werte mehr erhoben. Das Ergebnis kann, auch auf Grund der kurzen Einsatzzeit des Verfahrens, somit nicht als repräsentativ gelten. Bei den Untersuchungen auf der Versuchsanlage in Düsseldorf-Süd sah das Ergebnis noch ernüchternder aus. Dort wurde lediglich eine maximale ÜSR von 0,7 % erreicht. Die erste Phase dauerte hierbei 85 Tage. Hier wurde sogar ein ÜS-Anstieg von 2,3 % beobachtet. In der zweiten Phase, mit nur 13 Tage Dauer, reduzierte sich dann die ÜS-Menge bereits um 0,7 %. Diese Reduzierungmenge wurde schließlich durch dritte Phase, mit einer Läge von 55 Tagen, bestätgt. Allerdings geht aus dem Bericht nicht hervor, ob eine Anwendung des Verfahrens in den fehlenden 91 Tagen nun stattfand, oder nicht. Ferner war ein erforderlicher, schrittweiser Schlammabzug, mit der jeweilig ensprechenden Dosierung der Zugabestoffe, hier ebenfalls nicht feststellbar.

 


 

Biologische Verfahren

 

Derzeit lassen sich die biologischen Verfahren zur Überschussschlammreduzierung einteilen in:

      • Enyme,
      • Folsäure und
      • Räuberische Organismen

Enzyme

 

Die meisten Enzyme haben i.d.R. alle Eigenschaften von Eiweiß (Protein). Sie sind Proteinmoleküle, die aus langen Ketten von Aminosäuren aufgebaut sind. Proteinmoleküle sind Biomoleküle, die grundsätzlich aus zwei Teilen bestehen. Ein Molekülteil, die sog. Grundstruktur, ist bei allen Aminosäuren gleich und enthält zwei Molekülgruppen. Gewissermaßen einen linken und rechten Arm. Über diese Arme werden die einzelnen Aminosäuren zu langen Ketten aneinander gebunden. Beim zweiten Molekülteil handelt es sich um den sog. Rest, der austauschbar ist. Die 20 existierenden Aminosäuren können nur an diesem veränderbaren Rest unterschieden werden.

 

Der häufigste Einsatzort für Enzyme ist in der kommunalen Abwasserreinigung die Schlammfaulung. So wurden in den letzten Jahren immer wieder Versuche unternommen, mit Hilfe von Enzym- sowie Bakterienpräparaten, eine Zellaufschlusswirkung bei Klärschlamm zu erzielen. Dabei kamen Enzympräparate, meist aus mehreren Komponenten bestehend, mit teilweise deutlich unterschiedlichen Wirkmechanismen zum Einsatz. In allen Fällen waren jedoch hydrolytisch wirkende Enzyme, wie Proteasen, Zellulasen und Lipasen, die Hauptkomponenten dieser Produkte. Die Enzyme sollen i.d.R. den geschwindigkeitsbestimmenden Schritt der Hydrolyse in der Schlammfaulung unterstützen. Eine Leistungssteigerung von Enzym-und Bakterienpräparaten ist dabei nur schwer möglich. Dies kann aus den bisherigen Resultaten, aus Laborversuchen und großtechnischen Anwendungen, geschlossen werden.

 

Speziell über eine Reduzierung von Überschussschlamm mit Hilfe von Enzymen, konnten bisher weder Ergebnisse, noch Praxis- oder Laborberichte gefunden werden.

 

Enzyme werden jedoch weltweit, vor allem in den USA, bei Abwassertechnik und Schlammbehandlung eingesetzt. Die Enzymverfahren haben sich in Deutschland nicht durchgesetzt, was möglicherweise an der teilweise sehr großen Zeitdifferenz zwischen Zugabe und Wirkung liegt. Ferner liefern manche Enzyme sehr gute Resultate bei der Abbauleistung in der Faulungsstufe, andere jedoch nicht.


Folsäure

 

Die Folsäure gehört zur Gruppe der B-Vitamine. Sie spielt eine Schlüsselrolle bei lebenswichtigen Vorgängen in unserem Körper. So ist sie beispielsweise für alle Wachstums- und Entwicklungsprozesse notwendig, da mit ihrer Hilfe die Bestandteile der Nucleinsäure hergestellt werden. In Form von Tetrahydrofolsäure kann das Vitamin außerdem kleine C-Moleküle binden und weitergeben. Diese kleinen Kohlenstoffmoleküle spielen eine wichtige Rolle bei vielen Soffwechselvorgängen. Es profitieren auch die Mikroorganismen im Belebungsbecken davon. Eine unzureichende Menge an Folsäure bewirkt deshalb eine Limitierung der Stoffwechselprozesse von Mikroorganismen.

 

Die einfache Folsäure ist geruchslos und in Wasser schlecht löslich. Es wird deshalb eine wasserlösliche Form der Folsäure, die Tetrahydrofolsäure, für den Einsatz im Belebungsbecken benötigt. Diese doppelt stabilisierte Folsäure soll den Enzymstoffwechsel von Bakterien optimieren.

 

Derzeit ist auf dem Markt lediglich das Produkt DOSFOLAT®XS zu finden. Das Produkt, das von der Firma Dosfolat AG in Herisau (Schweiz) hergestellt wird, enthält genügend Tetrahydrofolsäure und auch zusätzlich Spuren des Co-Faktors Molybdo-Pterin. Dieser Molybdän-Komplex ist für den Nitrifikationsprozess durch die Organismen Nitrosomonas und Nitrobacter wichtig.

 

Das DOSFOLAT® wird in den Volumenstrom des Rücklaufschlamms dosiert. Damit eine intensive Einmischung erfolgt, ist auf eine ausreichende Turbulenz zu achten. Der Eintrag erfolgt, gemäß den aktuellsten Erfahrungen des Herstellers, in zwei Phasen. In der ersten Phase gibt es, über den Zeitraum von 14 Tagen, eine vergleichsweise hohe Dosierung von 0,7 ppm. Im zweiten Schritt werden dann, über den gleichen Zeitraum, nur noch 0,35 ppm zugegeben. Bereits nach der höheren Dosierung der ersten Phase, lässt sich der ÜS-Abzug schrittweise reduzieren.

 

In Deuschland wurde diese Reduktionsmöglichkeit bereits auf mehreren kommunalen und industriellen Kläranlagen angewendet und untersucht. Bei zwei kommunalen Kläranlagen war der ÜS-Abzug bereits modifiziert bzw. die schrittweise Verringerung des ÜS-Abzugs abgeschlossen. Hierbei handelt es sich um die KA Feist in Sachsen-Anhalt und die KA Hagen in Nordrhein-Westfalen. Auf diesen Anlagen wurde die Dosierung, wie folgt, anders ausgeführt. In der ersten Phase wurden 15 Tage lang 0,3 ppm DOSFOLAT® zugegeben. Im zweiten Schritt erfolgte nur noch eine Zugabe von 0,1 ppm. Der ÜS-Abzug wurde hierbei in vorgegebenen Zeitintervallen jeweils um 10 % gesenkt. Somit erzielte man auf der KA Feist, nach ca. 67 Tagen, eine ÜSR von 50 %. Ein besonderes Ergebnis wurde jedoch auf der KA Hagen erzielt. Dort reduzierte nämlich das DOSFOLAT® sogar den Überschussschlamm bereits in nur 49 Tagen um 60 %.

 

 

Abb. 2:  KA Feist, ÜSR und CSB-Fracht als Belastungsgröße der Belebung

 

 

 

Abb. 3:  KA Hagen, ÜSR und CSB-Fracht als Belastungsgröße der Belebung

 

 

Das Verfahren wurde 2004 ebenfalls auf der Kläranlage der Stadt Bramsche eingesetzt. Die KA wurde zu diesem Zeitpunkt mit etwa 50.000 EWG belastet, bei einem industriellen Anteil von ca. 45 %. Der Abwasserzufluss betrug dabei durchschnittlich 4.800 m3 / d, und nach dem Dekantieren wurde der ÜS ca. 17 Tage lang in einem Faulturm behandelt. Das DOSFOLAT® wurde auch hier zu Beginn mit 0,5 ppm, über einen Zeitraum von 15 Tagen, dosiert. Danach erfolgte eine auf 0,1 ppm reduzierte Zugabe, die dann konstant gehalten wurde. Die Reduzierung des ÜS-Abzugs ging wieder schrittweise vonstatten. Durch den ÜS-Abzug erhöhten sich Schlammvolumen und Trockensubstanzgehalt (TS) in der Belebung. Die befürchteten Probleme, mit einem unzureichenden Sauerstoffeintrag, haben sich nicht bestätigt. Der Sauerstoffeintrag und die Nutzung des Sauerstoffs haben sich durch den Einsatz des Verfahrens sogar noch verbessert. Auf Grund der Anhebung des Schlammvolumens, war bei Verfahrensbeginn nahezu kein Schlammabzug notwendig. Das neue Gleichgewicht stellte sich aber nach einigen Wochen von selbst ein. Es werden somit auf der KA Bramsche, durch den Einsatz von DOSFOLAT®, derzeit etwa durchschnittlich 40 % an Überschussschlamm reduziert. Nachfolgendes Schaubild zeigt den ÜS-Anfall ab Mitte 2004 mit Einsatz der Folsäure, gegenüber dem des Vorjahreszeitraums ohne Überschussschlammreduzierung.

 

 

Abb. 4:  KA Bramsche, ÜS-Produktion mit (2004) und ohne (2003) DOSFOLAT®

 


Räuberische Organismen

 

Im Belebungsbecken bauen räuberische Organismen ebenfalls Biomasse ab. Diese können sich jedoch nur schwerlich anreichern, da sie ein relativ langsames Wachsum haben. Zudem wird ja im Betrieb der Überschussschlamm regelmäßig aus der Belebung abgezogen. Im Belebungsbecken muss also eine künstliche Anreicherung durch solche Räuber stattfinden. Zwar sind bei Tropfkörpern entsprechende Versuche gemacht worden, bei denen die anfallende ÜS-Menge um bis zu 80 % reduziert werden konnte, wobei sich allerdings dadurch die Nitrifikation und die Phosphorelimination verschlechterte. Über den Einsatz von räuberischen Organismen in Belebungsbecken von kommunalen Kläranlagen ist bisher noch nichts bekannt geworden.

 


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