Einsatz von Hilfsstoffen
Bei Einsatz von Tensiden verbessert sich die
Betriebsstabilität der biologischen Stufe und der
Überschussschlamm tritt reduziert auf.
Dipl.-Ing. Joachim Wittau
Die Stadt Neuss erprobte von Mai 2002 bis August 2004 auf ihren Kläranlagen Neuss Süd und Neuss Ost den Einsatz von Tensiden im großtechnischen Maßstab, mit dem Ziel, die Produktion des biologischen Überschussschlamms (ÜS) zu vermindern und auf diese Weise Schlammbehandlungs- und -entsorgungskosten zu reduzieren. An der Versuchsdurchführung waren die Firma Bioserve GmbH, Mainz, als Verfahrensanbieterin, das Institut für Wasser und Boden e. V. (IWB), Sankt Augustin, für die wissenschaftliche Betreuung sowie die Stadt Neuss als Anlagenbetreiberin beteiligt.
Die Kläranlagen der Stadt Neuss
Die Stadt Neuss ist Betreiberin zweier Großkläranlagen, der Kläranlagen Neuss Ost und Neuss Süd. Beide Kläranlagen sind über zwei etwa 7 km lange Verbundleitungen für Abwasser und Schlamm miteinander verbunden.
Die Kläranlage Neuss Ost wurde in den Jahren 1988 bis 1996 auf eine Ausbaugröße von 300.000 EW erweitert. Der Ausbau erfolgte zweistufig nach dem A/B-Verfahren mit Hoch- und Schwachlastbiologie sowie nachgeschalteter Flockungsfiltration. Die Schwachlastbiologie (B-Stufe) wurde als sechstraßige Zweierkaskade mit Möglichkeiten zur Bio-P-Elimination, Denitrifikation und Nitrifikation errichtet. Die Volumina der Belebungsbecken betragen 2.250 m³ für die A-Stufe und 19.200 m3 für die B-Stufe. Der mittlere Trockenwetterzufluss zur Kläranlage belief sich im Jahre 2003 auf rund 27.300 m³/d, der industrielle Abwasseranteil bezogen auf den BSB5 lag bei etwa 74 %. Im Jahr 2003 wurden rund 12.970.000 m³ Abwasser auf der Kläranlage behandelt. Darin enthalten waren etwa 1.130.000 m³ mechanisch vorbehandeltes Abwasser der Kläranlage Neuss Süd, welches im Rahmen des Verbundbetriebes übergeleitet wurde.
Die Kläranlage Neuss Süd ging im Jahr 1963 als einstufige mechanisch/biologische Kläranlage in Betrieb. Erweiterungen erfolgten in den 80er Jahren und zuletzt in den Jahren 1994 bis 1999. Dabei wurden zunächst der Einlaufbereich und die mechanische Reinigungsstufe auf eine Ausbaugröße von 122.000 EW erweitert. Als sich mit voranschreitender Fertigstellung und Inbetriebnahme der neu ausgebauten Kläranlage Neuss Ost abzeichnete, dass hier die Abwassermengen der industriellen Einleiter erheblich zurückgingen, wurde ab 1995 ein Verbundkonzept für beide Kläranlagen erarbeitet mit dem Ziel, Belastungsspitzen in der Kläranlage Neuss Süd zu kappen und überschüssiges, jedoch mechanisch vorbehandeltes Abwasser sowie ausgefaulten Klärschlamm zur Kläranlage Neuss Ost zu fördern und dort frei gewordene Kapazitäten zu nutzen. Die Erweiterung der biologischen Reinigungsstufe auf der Kläranlage Neuss Süd konnte dadurch auf eine Ausbaugröße von nur noch 92.000 EW begrenzt und auf die Errichtung einer Filtrationsstufe als dritte Reinigungsstufe verzichtet werden. Die Kläranlage verfügt heute über eine dreistraßige Belebung mit unterschiedlichen Beckenzonen für Bio-P-Elimination, Denitrifikation und Nitrifikation und einem Volumen von insgesamt 12.260 m³.
Der mittlere Trockenwetterzufluss zur Kläranlage beträgt rund 12.500 m³/d. Im Jahr 2003 wurden rund 6.075.000 m³/a Abwasser von der Kläranlage aufgenommen und mechanisch vorbehandelt. Die biologische Stufe wurde infolge des Verbundbetriebes mit Neuss Ost mit rund 4.945.000 m³/a beaufschlagt. Der industrielle Anteil im zufließenden Abwasser lag im Jahr 2003 bei 22 %‚ bezogen auf den BSB5.
Versuchsprogramm
Die Firma Bioserve GmbH bietet das Tensidprodukt LIPISOL in Kombination mit einer auf den Einzelfall abgestimmten, begleitenden verfahrenstechnischen Beratungstätigkeit unter der Bezeichnung „Bioserve-Verfahren“ an.Das Produkt LIPISOL selbst besteht nach Firmenangaben aus nichtionischen Tensiden sowie stoffwechselanregenden Substanzen und ist leicht biologisch abbaubar. Der Aufbau von Tensiden sowie ihre Wirkmechanismen bei Dosierung in die biologische Stufe von Kläranlagen werden in /1/ dargestellt.
Im Rahmen der auf den Neusser Kläranlagen durchgeführten Versuche sollte
der Wirknachweis des Bioserve-Verfahrens hinsichtlich der US-Reduzierung erbracht werden
der Nachweis der Unbedenklichkeit für den übrigen Klärbetrieb hinsichtlich Reinigungsqualität und Betriebs-stabilität erbracht werden die Wirtschaftlichkeit des Verfahrens nachgewiesen werden.
Für die Auswertung konnte im Wesentlichen auf das im Rahmen der laufenden betrieblichen Eigenkontrolle und Selbstüberwachung generierte Datenmaterial zurückgegriffen werden. Lediglich die Anzahl der mikroskopischen Belebtschlammuntersuchungen wurde verdichtet, um die Entwicklung ausgewählter Mikroorganismen als zusätzliche Bioindikatoren für die Parameter Schlammbelastung, Sauerstoffversorgung und Schlammalter verfolgen zu können.
Die Ermittlung des Belebtschlammzuwachses sollte auf der Basis von Massenbilanzen (Input/Output) erfolgen, und im Anschluss der spezifische biologische ÜS-Anfall bezogen auf die der Kläranlage zugeführte CSB-Fracht ermittelt werden. Der eigentliche Wirknachweis einer verminderten biologischen US-Produktion sollte schließlich durch den Vergleich mit den Daten des durch Tenside nicht beeinflussten jeweiligen Vorjahreszeitraums als Referenzzeitraum geführt werden.
Versuchsergebnisse Kläranlage Neuss Süd
Mit der Dosierung von LIPISOL wurde am 17.05.2002 begonnen. Pro Tag wurden 7 Liter Lipisolkonzentrat direkt in die Nitrifikationsstufen der dreistraßigen Belebung dosiert. Durch die mikroskopische Kontrolle des Belebtschlamms konnte innerhalb von zwei Wochen ein Anwachsen von Rädertierchenpopulationen von 2 Individuen pro Präparat auf größer 6 Individuen pro Präparat als Indikator für die Ausbildung höher organisierter Lebensformen beobachtet werden. Dieser Nachweis war Initiator für die Anderung des US-Abzugsregimes, welche am 31.05.2002 erstmalig vorgenommen wurde.
Die Anderung erfolgte in der Form, dass die bekannte Gleichung zur Ermittlung der US-Abzugsmenge:
TS (BB) * V (BB)/(TS (RS) * t(TS)) = Q(ÜS) mit: TS(BB): Trockensubstanzgehalt im Belebungsbecken
V(BB): Volumen der Belebungsbecken
TS(RS): Trockensubstanzgehalt des Rücklaufschlamms
t(TS): Schlammalter
Q(US): US-Abzugsmenge in m³/d um einen Faktor F ergänzt wurde, welcher die Reduktion enthält:
F * TS (BB) * V (BB)/(TS (RS) * t(TS)) =Q(ÜS)
Ein Faktor F von 0,9 bedeutet z. B. eine 10 %ige Reduktion des Uberschussschlammabzugs.
Im Verlauf der Versuche erfolgte eine Anpassung des Faktors in mehreren Teilschritten bis zu einem Wert von F = 0,6. Ausgangsbasis der Berechnung war dabei immer das ursprüngliche, vor Versuchsbeginn langjährig angesetzte rechnerische Schlammalter von 12 Tagen. Auf diese Weise wurde die US-Abzugsmenge von durchschnittlich 470 m³/d im Referenzzeitraum im Verlauf der Versuche bis Juli 2003 auf im Mittel 330 m³/d verringert. Da der oben beschriebene Faktorenansatz letztlich nichts anderes darstellt als eine Erhöhung des Ansatzes für das rechnerische Schlammalter, mag dies vordergründig unspektakulär erscheinen. Versuche, höhere Schlammalter zu fahren und dadurch den Trockensubstanzgehalt des Belebtschlamms der Kläranlage Neuss Süd zu erhöhen, waren jedoch in der Vergangenheit immer wieder an der schlechten Schlammstruktur, hervorgerufen u. a. durch das Fadenbakterium Microthrix parvicella, gescheitert. Mit dem Einsatz der Tenside verbesserte sich der Schlammindex nachhaltig und ließ eine Erhöhung des Trockensubstanzgehalts nun erst zu. Dieser stieg im Laufe der Versuche von durchschnittlich 2,9 kg TS/m³ im Referenzzeitraum auf stabile Werte um 3,7 kg TS/m³ im Versuchszeitraum an. Grafik 1 zeigt die mit der Rücknahme des US-Abzugs verbundene Erhöhung des Schlammalters und die resultierenden Trockensubstanzgehalte in den Belebungsbecken. Die Entwicklung des Schlammindex ist in Grafik 2 dargestellt.
Unmittelbare Folge des verminderten US-Abzugs waren im selben Verhältnis reduzierte Zentrifugenlaufzeiten und Flockungshilfsmittelverbräuche. Weiterhin führte die durch die Erhöhung von Schlammalter und Trockensubstanzgehalt hervorgerufene verminderte Schlammbelastung erwartungsgemäß zu stabileren Nitrifikationsleistungen und damit zu verminderten Stickstoffkonzentrationen im Ablauf der Kläranlage.
Durch mikroskopische Untersuchungen konnte auch im fortgeschrittenen Versuchsverlauf ein stetiger Rückgang an Fadenorganismen im Belebtschlamm beobachtet werden, bis schließlich im Sommer 2004 erstmalig seit Jahren ein Nullbefund zu verzeichnen war. Die Verbrauchsmenge an Polyaluminiumchlorid (PAC), welches früher im Bedarfsfalle u. a. zur Bekämpfung von Schwimmschlamm eingesetzt worden war, ging drastisch zurück.
Die Erstellung von Schlammmassenbilanzen an den Belebungsbecken stellte sich leider als nicht praktikabel heraus. Ursache waren nicht quantifizierbare Verlagerungen von Primärschlamm in die Belebungsbecken, welche bei hohen Mischwasserzuflüssen auftraten. Die Methodik der vorhandenen automatisierten Probenahme ließ eine exakte Erfassung der in diesen Fällen transportierten Schlammfrachten nicht zu. Da in diesem Zusammenhang auch die bisherige Ermittlung der CSB-Frachten im Zulauf zur biologischen Stufe kritisch hinterfragt werden musste, wurde die Ermittlung eines auf die CSB-Fracht bezogenen spezifischen US-Anfalls nicht weiter verfolgt.
Versuchsergebnisse Kläranlage Neuss Ost
Bei den Versuchen auf der Kläranlage Neuss Ost kam erstmalig eine weiterentwickelte Variante des LIPISOL zum Einsatz, welche aufgrund ihrer geringfügig höheren Resistenz geeignet war, sowohl Bio-P als auch Denitrifikation unbeschadet zu durchströmen und erst in der Nitrifikation wirksam zu werden. Die Zugabe konnte somit zentral in die Wasserverteilung vor der B-Stufe erfolgen und auf die Einrichtung von Dosierstellen an den einzelnen Nitrifikationsbecken verzichtet werden. Da mit dem neuen Produkt noch keine Erfahrungen auf zweistufigen Anlagen vorlagen, wurde die Dosiermenge an LIPISOL im Vergleich zur Kläranlage Neuss Süd im ersten Versuchsmonat sowohl im Verhältnis als auch absolut wesentlich niedriger angesetzt. Die Versuche begannen daher am 12.08.2003 mit einer Dosiermenge von nur 3Liter Lipisolkonzentrat pro Tag. In den Folgemonaten wurde diese in Abhängigkeit der anhand der mikroskopischen Bilder feslstellbaren Änderung der Mikroorganismenpopulationen zunächst auf rund 7 und schließlich auf etwa 11 Liter Konzentrat pro Tag erhöht. Weitere Dosiermengenerhöhungen auf bis zu 25 Liter Konzentrat pro Tag ließen in der mikroskopischen Untersuchung keine weiteren Verbesserungen erkennen.
Angesichts der anfangs vergleichsweise niedrigen Dosiermengen wurde erst nach zwei Monaten erstmalig in das USAbzugsregime eingegriffen. Dabei wurde die US-Abzugsmenge von 840 m³/d zunächst auf 700 und schließlich auf 600 m³/d reduziert. Der Trockensubstanzgehalt sowie das Schlammalter in der BStufe stiegen im Versuchszeitraum auf Werte von im Mittel 5,6 kg TS/m³ bzw. 18,5 Tagen gegenüber durchschnittlich 4,4 kg TS/m³ bzw. 13,9 Tagen im Referenzzeitraum. Das erhöhte Schlammalter führte, wie schon auf der Kläranlage Neuss Süd, zu stabileren Nitrifikationsleistungen und trug damit zu einer verminderten Stickstoffkonzentration im Ablauf der Kläranlage bei.
Anders als bei der Kläranlage Neuss Süd war es bei den Versuchen auf der Kläranlage Neuss Ost möglich, eine Bilanzierung des Schlammaufkommens der BStufe vorzunehmen und auch die zugehörigen CSB-Frachten sowohl für den Referenz- als auch für den Versuchszeitraum zu ermitteln. Bei den für beide Zeiträume monatsweise aufgestellten Feststoffmassenbilanzen wurde unter Berücksichtigung des Schlammmassenzuwachses in der Belebung, des monatlichen US-Massenabzugs, der zugeführten und abtreibenden Masse an abfiltrierbaren Stoffen sowie der durch Fällmitteleinsatz erzeugten Schlämme der monatliche Anteil der biologischen ÜS-Masse errechnet. Im Ergebnis ist eine deutliche Verminderung der biologischen US-Produktion von durchschnittlich 148 t TS/Monat im Referenzzeitraum auf im Mittel 112 t TS/Monat im Versuchszeitraum festzustellen, was eine Reduzierung um 24 % bedeutet. Da die der B-Stufe zufließende CSB-Fracht im Versuchszeitraum gegenüber dem Referenzzeitraum von durchschnittlich 493 t CSB/Monat auf 510 t CSB/Monat angestiegen war, fiel die Verminderung des auf die CSB-Fracht bezogenen spezifischen US-Anfalls noch etwas höher aus. Der CSB-Fracht bezogene spezifische US-Anfall lag im Referenzzeitraum bei durchschnittlich 0,30 kg TS/kg CSB und im Versuchszeitraum nur noch bei 0,22 kg TS/kg CSB, was einer Verminderung um 26,7 % entspricht. Eine Gegenüberstellung der gewonnenen Daten des Versuchs- und des Referenzzeitraums zeigt die Tabelle.
Im Rahmen einer Betriebskostenermittlung, welche die durch den LIPISOLEinsatz erzielbaren verminderten Betriebsmittelverbräuche (Strom und Flockungshilfsmittel) an den Zentrifugen von US-Eindickung und Schlammentwässerung sowie die verminderten Entsorgungskosten einbezieht, wurden unmittelbare Einsparungen in Höhe von 72.000 Euro/a errechnet. Den größten Einzelposten stellen dabei die um rd. 45.000 Euro/a verminderten Entsorgungskosten dar. Zusätzliche Einsparungen sind aufgrund anteilmäßig verringerter Wartungs- und Instandhaltungskosten an den Eindick- und Entwässerungsmaschinen zu erwarten. Weiterhin kann bei nachhaltig verbesserter Stickstoffelimination ggf. die Abwasserabgabe gesenkt werden. Die Vergütung für das Bioserve-Verfahren ist dem entgegenzurechnen. Sie orientiert sich an den tatsächlich eingesparten ÜSS-Massen und ist im übrigen nach den Betriebsgrößen der Kläranlagen gestaffelt. Für die Kläranlage NeussOst wurden hier Jahreskosten in Höhe von rund 44.000 Euro/a ermittelt, so dass mit einem Einsparpotenzial von insgesamt mindestens 28.000 Euro/a zu rechnen ist. Aufgrund der leistungsbezogenen Komponente im Vergütungsmodus kommt einer Bestandsaufnahme des relevanten Betriebsdatenmaterials vor der LIPISOL-Dosierung besondere Bedeutung zu.
Fazit
Die Tensiddosierung bewirkte auf beiden Neusser Kläranlagen erhebliche Verbesserungen der Belebtschlammstruktur, was zu verbesserten Betriebsstabilitäten und Reinigungsleistungen hinsichtlich der Stickstoffparameter führte. Scheiterte der Nachweis der Schlammmassenreduzierung auf der Kläranlage Neuss Süd zunächst an einer nicht hinreichend genau zu erbringenden Schlamm-Massenbilanzierung, so konnte er bei den sich anschließenden Versuchen auf der Kläranlage Neuss Ost erbracht werden. Dabei wurden eine gegenüber dem Vorjahreszeitraum um 24 % verminderte biologische Uberschussschlammproduktion sowie ein um rund 27 % reduzierter, CSB-Fracht bezogener spezifischer Uberschussschlammanfall nachgewiesen. Es ist von einer daraus resultierenden Betriebskostenersparnis in Höhe von mindestens 28.000 Euro jährlich auszugehen.
Entwicklung der biologischen ÜS-Produktion auf der Kläranlage Neuss-Ost
| Versuchsphase | Zeitraum | Zulauf B-Stufe | Belebungsbecken B-Stufe | Biologische ÜS-Produktion | |||
| Q (m³/d) | Bd CSB (kg/b) | ÜS-Abzug (m³/d) | Schlammalter (d) | biol. Ü-Masse tTS/Monat | spezifisch ÜS kg TS/kg CSB | ||
| Referenzzeitraum | 06/2002-07/2003 | 37.696 | 16.191 | 859 | 13,9 | 148 | 0,30 |
| Versuchszeitraum | 08/2003-08/2004 | 33.382 | 16.660 | 702 | 18,5 | 112 | 0,22 |
Literatur:
/1/ Strunkheide, J.: Überschussschlamm-Reduktion durch Tenside, in wwt 12/2003, S.34
Kontakt:
Dipl.-Ing- Joachim Wittau
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