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Überschußschlamm

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Überschussschlammproduktion

 

 

Energiereiche organische Eiweiße, Fette und Kohlenhydrate werden durch Atmung unter Sauerstoffverbrauch zu enrgiearmen anorganischen Stoffen, wie H2O und CO2, abgebaut. Die Enzyme wirken dabei als Biokatalysatoren und steuern die Stoffwechselschritte, ohne sich hierbei selbst zu verändern oder zu verbrauchen. Es sind zum Abbau der verschiedenen Substrate, und auch für die verschiedenen Reaktionsschritte, spezifische Enzyme notwendig. Im weitesten Sinne kann die Atmung als Umkehrung der Photosynthese bezeichnet werden. In dieser wird, von den Pflanzen, Algen u.ä. mit Hilfe der Sonnenenergie, der Wasserstoff von dem Wassermolekül abgetrennt und mit CO2, N- und P-Verbindungen zu energiereichen organischen Stoffen verbunden. Durch die Atmung wird nun der, im organischen Molekül gebundene, Wasserstoff wieder freigesetzt, worauf dieser sich mit O2 unter Energiegewinn erneut zu H2O verbindet. Der Organismus baut bei diesem aeroben Vorgang das Substrat im Körperinnern bis zum anorganischen Endprodukt ab. Es können dadurch in einem einzigen Reinigungsschritt sehr niedrge BSB- bzw. CSB-Werte erreicht werden. Der O2-Bedarf hängt dabei von der Art der Schmutzstoffe ab, in mg BSB5 je g Substrat. Es ist wichtig, dass die Sauerstoffzufuhr im Belebungsbecken größer ist als der Sauerstoffbedarf der Mikroorganismen. Aus wirtschaftlichen Gründen heraus ist mit möglichst geringem Sauerstoffgehalt zu arbeiten. Es empfiehlt sich daher für größere Anlagen eine Steuerung der Sauerstuffzufuhr nach dem jeweiligen Sauerstoffgehalt im Belebungsbecken.

 

Der Abbauprozess verläuft in der Natur tatsächlich in kleinen komplizierten Teilschritten. Diese sind nachfolgend beispielsweise für den Glucoseabbau dargestellt.

 

 

Schema des aeroben Glucose-Abbaus

 

 

Die Mikroorganismen gewinnen durch den organischen Stoffabbau einerseits die für alle Lebensvorgänge notwendige Energie, andererseits erhalten sie monomere Bausteine für den körpereigenen Substrataufbau und zum Aufbau polymerer Reservestoffe. Von der gesamten Energieausbeute werden ca. 60 % an Wärme frei und 40 % als Adenosintriphosphat (ATP) gebunden. Die Differenz der Energiegehalte von Ausgangs- und Endprodukt ist groß. Deshalb ist mit diesem Energiegewinn immer auch eine hohe Wachstumsrate bzw. Überschussschlammproduktion verbunden. Sind die Abwässer konzentriert, oder haben hohe Feststoffgehalte (z.B. an Belebtschlamm), so ist sogar eine prozessbedingte Selbsterwärmung möglich. Der Mindestenergiebedarf der Organismen muss immer gedeckt sein. Deshalb ist der für den Biomasseaufbau zur Verfügung stehende Anteil der Nährstoffzufuhr von der täglichen Nährstofffracht abhängig.

 

Der täglich anfallende Schlammzuwachs, als Überschussschlamm bezeichnet, ist aus dem System zu entfernen, damit im Belebungsbecken ein bestimmter Feststoffgehalt eingehalten werden kann. Dabei kann die abgezogene Menge an Überschussschlamm (ÜS) folgenden unterschiedlichen Bezug haben:

  • ÜS-Produktion  ÜSR in [kg / (m3 . d)], bezogen auf das Volumen des Belebungsbeckens, oder
  • spezifische ÜS-Produktion  ÜSB in [kg oTS / kg abgebautes BSB5], bezogen auf die Abbauleistung.

Die ÜS-Produktion ÜSR ist von der BSB5-Fracht abhängig und unterliegt folgender Beeinflussung:

  • ÜSR abnehmend, mit steigender Belüftungszeit,
  • ÜSR abnehmend, mit steigendem Sauerstoffpartialdruck,
  • ÜSR abnehmend, mit steigendem Schlammgehalt (Schlammbelastung sinkt),
  • ÜSR zunehmend, mit steigender BSB5-Abbauleistung.

Mit steigendem Sauerstoffpartialdruck sinkt die ÜS-Produktion. Durch die Erhöhung der Sauerstoffkonzentration wird eine bessere Sauerstoffversorgung der tieferen Schichten der Belebtschlammflocken erreicht. Somit können sich die innen angesiedelten Mikroorganismen ebenfalls am aeroben Abbau beteiligen. Untersuchunge haben gezeigt, dass eine Erhöhung der Sauerstoffkonzentration von 2 auf 4 [g / l] im Mittel über mehrere Schlammbelastungsbereiche eine um bis zu 18 % geringere ÜS-Produktion ergab. Vernachlässigt man unterschiedliche O2-Gehalte und unterschiedliche Wassertemperaturen, so hängt die ÜS-Produktion hauptsächlich von der BSB5-Abbauleistung DBR und dem Schlammgehalt ab.

 

Entsprechend lässt sich die ÜS-Produktion berechnen:           ÜSR = a . DBR  -  b . TSR         (1)

 

Hierbei bedeutet der erste Summand die ÜS-Bildung während des Zellaufbaus duch biochemische Prozesse. Der zweite Summand stellt den Selbstverzehrungsanteil des Schlammes durch den Zellaufbau (Autolyse) dar. Die Werte der Faktoren schwanken in der Literatur für  a = 0,6 - 1,5  und für  b = 0,03 - 0,15.

 

Sind Schwebstoffgehalte von 10 - 50 [mg / l] im Ablauf des Nachbeckens, so führt das scheinbar in der Praxis zu einer Verminderung des ÜS-Anfalls.

 

Die Schlammproduktion ist auch von einer ein- oder zweistufigen Betriebsweise der Belebungsanlage abhängig, wie nachfolgende Abbildung unschwer erkennen lässt.

 

 

Schlammproduktion in Abhängigkeit von der Abbauleistung, je kg abgebautem BSB5

 

Die Schlammproduktion kann auch auf das Schlammalter bezogen werden. Dabei scheint dem Schlammalter, hinsichtlich der Stabilität und dem Wirkungsgrad des Belebungsverfahrens, nicht die Bedeutung zuzukommen, als ihm tatsächlich meist beigemessen wird. Allerdings konnte ein Einfluss des Schlammalters festgestellt werden. Nachfolgende Abbildung zeigt die Schlammproduktion in Abhängigkeit des Schlammalters.

 

 

Schlammproduktion in Abhängigkeit vom Schlammalter, je kg abgebautem BSB5

 

 

Die Schlammproduktion sinkt somit mit der Zunahme des Schlammalters.

 

Es gelten in einer einstufigen Belebungsanlage nachfolgend dargestellte Zusammenhänge zwischen Schlammbelastung, Schlammproduktion und Schlammalter:

 

 

Zusammenhang zwischen Schlammbelastung,  -zuwachs  und  -alter (1-stufige Belebung)

 

 

Der Energiegewinn aus dem Substrat ist bei aeroben Prozessen erheblich größer als bei anaeroben Abbauvorgängen. Die Zellen bilden deshalb unter aeroben Bedingungen mehr Biomasse. Auf den ersten Blick scheinen deshalb anaerobe Verfahren besser geeignet zu sein, da dort schließlich weniger Schlamm anfällt. Dabei ist jedoch zu beachten, dass das Wachstum der anaeroben Mikroorganismen nur sehr langsam erfolgt. Ferner sprechen diese Organismen stark auf Milieuveränderungen an. Bei Störungen dauert es meist sehr lange, bis das System seine ursprüngliche Leistungsfähigkeit wieder erreicht hat.

 

Je weniger Schlamm sich im Belebungsbecken befindet, desto höher ist die Schlammbelastung. Das heißt, dass jedem Organismus mehr Nährstoffe zugewiesen werden und es wird mehr Biomasse aufgebaut.

 

 

Der Anteil des Überschussschlamms am gesamten Rohschlammaufkommen beträgt ca. 83 %. Die Veränderungen der Schlammbeschaffenheit, aufgrund verschiedener Schlammbehandlungsverfahren, sind nachfolgend dargestellt.

 

 

Veränderung der Schlammbeschaffenheit und -mengen durch versch. Behandlungsverfahren in %

 


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