Einsatz schwimmender Rotationstauchtropfkörper zur ... · Klärschlamm-entwässerung Fau-lung...

1/G(vdM)/I/Einsatz_schwimmender_Rotationstauchtropfkoerper/Schlussbericht_300605/Ru. 30.06.2005

BMBF-Projekt 02WA0254

Einsatz schwimmender Rotationstauchtropfkörperzur kostengünstigen Behandlung

von Schlammwässern

- Schlussbericht -

("Das diesem Bericht zugrunde liegende Vorhaben wurde mit Mitteln des Bundesministeriums für Bildung und Forschung unter dem Förderkenn-

zeichen 02WA0254 gefördert. Die Verantwortung für den Inhaltdieser Veröffentlichung liegt beim Autor".)

30. Juni 2005

Alfred-Herrhausen-Str. 4458455 Witten, FRG

Institut für Umwelttechnikund Management an der

Witten / Herdecke gGmbH

Telefon: +49 / (0) 23 02 / 9 14 01-0Telefax: +49 / (0) 23 02 / 9 14 01-11Email: [email protected]: www.uni-wh-utm.de



Inhaltsverzeichnis

Schlussbericht BMBF 02WA0254 Seite 1

I N H A L T S V E R Z E I C H N I S

0. Kurzfassung (Berichtsblatt)Summary (Document Control Sheet)

I. Einführung und Grundlagen.........................................................................61. Problemstellung................................................................................................62. Abwicklung des Vorhabens............................................................................113. Stand von Wissenschaft und Technik.............................................................203.1 Zum Zeitpunkt der Antragstellung .................................................................203.1.1 Verfahren der gemeinsamen Schlammwasserbehandlung .............................213.1.2 Verfahren der getrennten Schlammwasserbehandlung ..................................223.1.2.1 Biologische Verfahren....................................................................................223.1.2.2 Chemisch/physikalische Verfahren ................................................................253.1.2.2.1 Ammoniakstrippung .......................................................................................253.1.2.2.2 Struvitfällung (Magnesium-Ammonium-Phosphat).......................................263.2 Neuere Entwicklungen (aktueller Entwicklungsstand) ..................................283.2.1 Wissenschaft und Forschung..........................................................................283.2.2 Neuerer Stand der Anwendung.......................................................................304. Zusammenarbeit mit anderen Stellen .............................................................35II. Untersuchungen und Ergebnisse.................................................................365. Konzept der Versuchsanlage ..........................................................................366. Errichtung der Versuchsanlage.......................................................................386.1 Voruntersuchungen.........................................................................................386.1.1 Vorbereitende Arbeiten ..................................................................................406.1.2 Erstellung der Versuchsanlage .......................................................................416.2 Leistungskatalog, Geräteliste..........................................................................416.2.1 Allgemeines zum Leistungsumfang ...............................................................416.2.2 Beschreibung der ausgeführten Leistungen....................................................426.2.2.1 Allgemeine Projektbeschreibung....................................................................426.2.2.2 Tauchtropfkörperpilotanlage ..........................................................................436.2.2.3 Pumpen und Verrohrung für die Tauchtropfkörperpilotanlage......................436.2.2.4 Betriebseinrichtungen für die Tauchtropfkörperpilotanlage ..........................446.2.2.5 Messtechnik für die Tauchtropfkörperpilotanlage .........................................446.2.2.6 Schalt- und Steuertechnik für die Tauchtropfkörperpilotanlage ....................44



Inhaltsverzeichnis


6.2.2.7 Lagerstation ....................................................................................................456.2.3 Erläuterungen zur Ausführung und Ausstattung der

Steuerungstechnik...........................................................................................456.2.3.1 Steuer-, Regelungs- und Auswertungsaufgabenstellungen für den

Betrieb der mobilen Versuchs- und Demonstrationsanlage ...........................456.2.3.2 Anforderungen an die Steuer- und Regelungstechnik der Versuchs-

und Demonstrationsanlage .............................................................................466.2.3.3 Ausstattung der Steuerungstechnik ................................................................486.2.4 Bauauftrag und -durchführung .......................................................................506.2.5 Zusatzleistungen zur Lieferung/Grundmontage der Versuchsanlage.............517. Inbetriebnahme ...............................................................................................527.1 Vorlagebehälter ..............................................................................................547.2 Umdrehungszahl des rotierenden Tropfkörpers .............................................557.3 pH-Regulierung ..............................................................................................558. Versuchsphase I..............................................................................................598.1 Beschickung und hydraulische Belastung der Anlage ...................................598.2 Ergebnisse.......................................................................................................609. Versuchsphasen II und III...............................................................................6510. Versuchsphase IV ...........................................................................................6811. Stickstoffumsatz im rotierenden Tropfkörper ................................................7012. Analytik und Probenahme ..............................................................................73III. Verwertungsperspektiven ............................................................................7713. Auswahlkriterien und Einsatzfelder ...............................................................7713.1 Schlammwasseranfall und -beschaffenheit ....................................................7713.2 Energieverbrauch und Betriebsmittel .............................................................7813.3 Prozessstabilität ..............................................................................................7913.4 Platzangebot und nutzbare Bausubstanz.........................................................7913.5 Reststoffentsorgung........................................................................................7914. Wirtschaftlichkeit ...........................................................................................8014.1 Investitionskosten ...........................................................................................8114.2 Betriebskosten ................................................................................................8214.2.1 Energiebedarf..................................................................................................8314.2.2 Einsatz von Hilfsstoffen .................................................................................8314.2.3 Reststoffentsorgung........................................................................................8314.2.4 Personalkosten ................................................................................................84



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14.2.5 Wartungs- und Instandhaltungskosten............................................................8415. Fortschreibung des Verwertungsplanes..........................................................8615.1 Erfindungen und Schutzrechte........................................................................8615.2 Wirtschaftliche Erfolgsaussichten nach Projektende .....................................8615.3 Wissenschaftliche und/oder technische Erfolgsaussichten.............................8615.4 Wissenschaftliche und wirtschaftliche Anschlussfähigkeit............................8615.5 Arbeiten, die zu keiner Lösung geführt haben ...............................................8615.6 Präsentationsmöglichkeiten für mögliche Nutzer...........................................8615.7 Die Einhaltung der Ausgaben- und Zeitplanung ............................................8715.8 Anlage.............................................................................................................8716. Ansätze für Anschlussprojekte .......................................................................8816.1 Workshops und Fachbesuche .........................................................................8816.2 Verbreitung der erworbenen Kenntnisse ........................................................8816.3 Anschlussvorhaben.........................................................................................89IV. Literatur ........................................................................................................90

ANHANG

A 1 Leistungsverzeichnis für die Errichtung der VersuchsanlageA 2 GerätelisteA 3 ErfolgskontrollberichtA 4 Publikation WWI NRW (deutsch und englisch)

Materialien intern: Sammlung von Messdaten und Versuchsprotokollen

Hier Berichtsblatt einfügen!

Hier Document Control Sheet einfügen!



Kapitel I - Einführung und Grundlagen


I. EINFÜHRUNG UND GRUNDLAGEN

1. Problemstellung

Laut Bundesstatistik unterlagen bereits Ende der 90er Jahre ca. 3.500 der damals 10.400bundesdeutschen Kläranlagen besonderen Überwachungswerten bezüglich Stickstoff(zumeist Ammonium und/oder Gesamt-Stickstoff) [Statistisches Bundesamt, 1998]. MitInkrafttreten der novellierten Abwasserverordnung vom 02. Juni 2002 [AbwV 2002] istdie Anzahl der Kläranlagen erheblich gestiegen, für welche die Stickstoffbelastung einbetriebsrelevanter Parameter ist. Viele Anlagen der Größenklasse 5, die in ihrer ur-sprünglichen Konzeption auf die Einhaltung eines Überwachungswertes von18 mg/l Nges anorg. ausgelegt waren, müssen heute 13 mg/l Nges anorg. einhalten.

Auf mehr als 2/3 aller Kläranlagen gibt es Rückbelastungen aus der Schlammbehand-lung, sei es in Form von Überstandswasser aus der Schlammspeicherung, Schlammwäs-sern aus der Schlammeindickung, Schlammwasser und Prozesswasser aus derSchlammfaulung, Filtrat aus der Klärschlammentwässerung oder gar Kondensate ausder Schlammtrocknung usw. Bei der Bemessung des biologischen Kläranlagenteils sinddiese Rückbelastungen zu berücksichtigen (u.a. in ATV-Arbeitsblatt A 131 näher dar-gelegt [ATV, 1991]).

Die interne Rückbelastung macht zwar nur ca. 5 % der Abwassermenge, bei der Stick-stofffracht Nges jedoch bis ca. 30 % aus. Bei Mitentwässerung von Fremdschlämmenkann die Rück- bzw. Zusatzbelastung noch weitaus höher liegen. Abbildung 1 zeigt,dass eine deutliche Abhängigkeit zwischen den Anlagengrößen und den zurückgeführ-ten Stickstofffrachten besteht. Hieraus lässt sich eine mittlere Rückbelastung von 1,4 bis1,5 g NH4-N/EW x d bestimmen.





Abbildung 1: Zurückgeführte Stickstofffrachten auf deutschen Kläranlagen[Grömpig, Rautenbach, Kollbach, 1997]

Die NH4-N-Konzentrationen von Schlammwässern sind wesentlich höher als im Klär-werkszulauf (ca. 400 - 1.200 mg/l gegenüber ca. 50 - 70 mg/l), und die Temperaturenliegen in der Regel etwas höher (20 - 30°C). Anzumerken ist, dass der Stickstoff-Gehaltim Schlammwasser besonders dann hoch ist, wenn aufgrund hoher Klärwerksauslastungdie Nitrifikation/Denitrifikation nur unzureichend oder ohne Kapazitätsreserven abläuft.

Die Abflusskonzentration der biologischen Stufe kann deshalb in Abhängigkeit ihrerReinigungsleistung durch die aus den Schlammwässern eingetragene Stickstofffracht inhohem Maße beeinflusst werden. Neben der reinen Fracht ist der zeitliche Anfall derRückbelastung von besonderer Bedeutung. Je nach Betriebsweise der Schlammentwäs-serung können sich stoßartige Belastungen ergeben, die oftmals mit den Tageszulauf-spitzen an Stickstoff und an Kohlenstoff zusammentreffen [DWA, 2000]. Abbildung 2zeigt das Beispiel einer Stickstoffbilanz für eine kommunale Kläranlage.





Vor-klä-rung

Belebung mit N/DN

Klärschlamm-entwässerung

Fau-lung

Ablauf

Biogas

Zulauf

VKS

Prozesswasser

Feststoff

ÜS

11,0 10,0 6,15,4

1,02,9

2,5

3,91,5

2,4

Nach-klä-rung

Abbildung 2: Beispiel einer Stickstoffbilanz für eine kommunale Kläranlage[in g N/(E · d)] (N/DN: Nitrifikation/Denitrifikation)

Die Problematik der Rückbelastung von Schlammwässern trifft in der BundesrepublikDeutschland auf (griffweise geschätzt) mehr als 5.000 Kläranlagen zu. Je nach örtlichenVerhältnissen ließe sich durch eine Reduktion der internen Stickstoffbelastung eine er-hebliche Kosteneinsparung oder Verbesserung der Betriebsverhältnisse bewirken.

Seit Beginn des Vorhabens haben sich die Problemstellung und der Bedarf nach ent-sprechenden Lösungen durch drei Entwicklungen zusätzlich verschärft.

• Die technische Anleitung Siedlungsabfall ist 2005 in Kraft getreten. Die Deponie-rung von lediglich mechanisch behandeltem (entwässertem oder getrocknetem) Klär-schlamm ist nicht mehr zulässig. Die Deponie als vergleichsweise kostengünstigeLösung fällt weg. Stattdessen muss auf teurere Schritte der zusätzlichen Behandlungoder Endbehandlung ausgewichen werden (mechanisch-biologische Behandlung;Klärschlammverbrennung). Derartige Behandlungsschritte führen in der Regel zu zu-sätzlichem Anfall an Schlammwässern.





• Ausgelöst durch den verschärften Kostendruck bei der Schlammentsorgung wird esauch zum verstärkten Einsatz der Klärschlammdesintegration kommen1. Durch sol-che Verfahren werden ebenfalls zusätzliche Schlammwassermengen und CSB- sowieStickstofffrachten erzeugt.

• Der Rückgewinnung von Phosphor aus Klärschlamm dürfte langfristig in der Klär-anlagenbetriebspraxis Bedeutung erlangen. Mit der Unterstützung des BMBF sind inden letzten Jahren mehrere Forschungsprojekte und Technologieentwicklungen inGang gekommen, das in Überschussschlamm oder Faulschlamm oder in Schlamma-sche enthaltene Phosphor rückzugewinnen (womit sich rd. 10 % des Phosphorbedarfsder deutschen Landwirtschaft rechnerisch decken ließe). Mit Einführung derartigerVerfahren wird die Rückbelastung der Klärwerke mit Stickstoff aus der Schlammbe-handlung zusätzlich ansteigen.

Nach ATV 2001 ist die Belastung des Schlammwassers durch die Konzentration der C-,N- und P-Verbindungen sowie durch nicht abgeschiedene Partikel zu erfassen. InTabelle 1 sind prozentuale mittlere Veränderungen der Rückbelastung und derSchlammentwässerung zusammengefasst. Die Werte geben die prozentuale Verände-rung hinsichtlich der unbehandelten Referenzproben an. Dabei ist zu beachten, dass dieWerte in Abhängigkeit von den jeweiligen Schlammeigenschaften und dem Auf-schlussgrad streuen können.

Bei der mechanischen Desintegration des Überschussschlammes vor der Schlammfau-lung werden die freigesetzten Zellinhaltsstoffe dem anaeroben Abbau zuständig ge-macht. Als Endprodukt des Proteinabbaus verbleibt Ammonium im Schlammwasser, sodass in Abhängigkeit vom erreichten Aufschluss- und Abbaugrad eine relevante Steige-rung der Stickstoffkonzentration von ca. 30 % zu verzeichnen ist, die nahezu aus-schließlich aus Ammonium besteht.

1 Vgl. BMBF-Vorhaben des Autors Nr. 02WS9960/8 "Halbtechnische Untersuchung zur thermischen

Klärschlammdesintegration", 2002





Tabelle 1: Einfluss des Zellaufschlusses auf die Entwässerung und Rückbelastung nacheiner anaeroben Stabilisierung [ATV, 2001]

Probenicht

aufgeschlossenmechanisch

aufgeschlossen

Mittelwerte/Mittlere relative

Veränderungin ± %

Aufschlussgrad As [%] 0 43 - 57 53 %

Fauldauer [d] 13 - 21 13 - 20 17 d

Abbaugrand ηoTR [%] 28 - 34 33 - 49 + 19 %

Polymerbedarf [g/kg] 5,0 - 6,5 6,7 - 9,0 + 42 %

TrockenrückstandTRentw [g/kg]

5,8 - 15,4 6,1 - 14,5 - 6 %

TKN [mg/l] 156 - 680 204 - 822 + 28 %

CSB filtriert [mg/l] 35 - 253 46 - 283 + 38 %

PO4-P [mg/l] 24 - 251 20 - 208 - 9 %





2. Abwicklung des Vorhabens

Als Standort für das Forschungsvorhaben wurde die Kläranlage (KA) Nordhorn ge-wählt. Diese KA verfügt in etwa 3 km Entfernung über ein Gelände mit zahlreichenTeichen zur Schlammlagerung und Schlammbehandlung. Auf diesem Gelände wurdeein Teich zur Verfügung gestellt, der für die vorgesehenen Versuche geeignet erschien.Die KA Nordhorn bot die Möglichkeit, den genutzten Teich mit Schlammwässern un-terschiedlicher Beschaffenheit zu beschicken und somit die Funktion der Versuchsanla-ge unter verschiedenen, definierbaren Rahmenbedingungen zu untersuchen.

Die Rotationstauchtropfkörperanlage auf der Kläranlage Nordhorn wurde im Mai 2002vollständig errichtet und in Betrieb genommen (siehe Abbildung 3). Die zur Verfügungstehenden Schlammwässer wurden beprobt und es wurde eine Auswahl getroffen, mitwelchen Schlammwässern die erste Versuchsreihe bzw. die Einfahrphase durchgeführtwerden sollte.

Abbildung 3: Tauchtropfkörper auf dem Schlammteich der KA Nordhorn





Bis Ende Juni wurde der Teich mit ausgewählten Schlammwässern beschickt. Innerhalbder Einfahrphase bildete sich der Biofilm nur sehr langsam aus. Es konnten in den Vor-versuchen keine wesentlichen Nitrifikationsleistungen festgestellt werden. Zur Unter-stützung der Umwälzung und zur Homogenisierung wurden im Schlammteich Tauch-pumpen installiert.

Bei der Behebung noch vorhandener technischer Mängel an der Versuchsanlage war diePVC-Wabenstruktur durch Funkenflug in Brand geraten. (siehe Schreiben vom26.06.2002). Der Schaden an der Anlage wurde von der Werkstätten GmbH behobenund der rotierende Tropfkörper ging am 15.08.2002 wieder in Betrieb. Am Freitag den23.08.2002 riss die Antriebskette, so dass der Tauchtropfkörper über das Wochenendenur zur Hälfte eingetaucht war und der außerhalb des Wassers befindliche Teil des Bio-films austrocknete. Die Antriebskette wurde durch eine verstärkte Kette ersetzt und miteiner Sicherung versehen, so dass diese Schwachstelle inzwischen behoben ist.

Da sich bis Anfang Oktober 2002 der Biofilm nicht ausreichend ausbildete, wurden ca.200 l Methanol in den Schlammteich (200 m³) dosiert. Um ein günstiges CSB/N-Ver-hältnis herzustellen; wurde zusätzlich hochkonzentriertes Filtrat aus der Schlamment-wässerung (Kammerfilterpresse) zugegeben.

Aufgrund der sinkenden Außentemperaturen konnte sich der Biofilm auch im An-schluss an die Reparaturen nicht ausreichend ausbilden. Anhand der durchgeführtenMessungen konnte lediglich eine leichte Verringerung der CSB-Konzentration; jedochfast keine Verringerung der Stickstofffraktionen festgestellt werden, so dass keine Ver-suchsreihe gestartet werden konnte.

Die Anlage wurde Anfang Dezember 2002 stillgelegt, d.h. der Tauchtropfkörper wurdeaußer Betrieb genommen und das Wasser aus dem Schlammteich abgelassen.

Während der Stillstandszeit der Versuchsanlage und in der Zeit, in der noch keine Ver-suchsreihen gestartet werden konnten, wurden am Institut umfangreiche Literaturre-cherchen zu den Themen Schlammwasserbehandlung, Stickstoffelimination und Bio-filmverfahren durchgeführt. Im Rahmen dieser Untersuchungen wurden insbesondere inder jüngeren Vergangenheit veröffentlichte Forschungsberichte/Dissertationen und dieeinschlägige Fachliteratur eingesehen. Ziel dieser Recherchen war es, zunächst eine





Übersicht über die Einsetzbarkeit, Auslegung, Leistungsfähigkeit und Wirtschaftlichkeitverschiedener Schlammwasserbehandlungskonzepte zusammenzustellen. Schwer-punktmäßig wurde nach Erfahrungen mit solchen Verfahren gesucht, die entsprechendden Wünschen der Betreiber ergänzende bzw. entlastende Maßnahmen als Alternativezur Bereitstellung größerer Belebungsvolumina darstellen.

In der dem 2. Zwischenbericht vom 11.02.2003 angefügten Anlage wurden die Ergeb-nisse der Literaturrecherche zur getrennten Behandlung der Schlammwässer im Teil-strom zusammengestellt. Die Thematik der getrennten Behandlung wurde intensiverbetrachtet, da auch der von uns betrachtete Rotationstauchtropfkörper eine Behandlungdes Schlammwassers im Teilstrom ermöglichen soll.

Vorbereitend für die Wiederinbetriebnahme der Versuchsanlage im Frühjahr 2003 er-folgte eine Betrachtung der Abwasserreinigung mit Teichen. Die Nutzung von Teichenzur Reinigung von Abwasser ist eines der ältesten Verfahren, das sich aus der Einlei-tung von Abwasser in natürlich stehende Gewässer entwickelt hat. Im Gegensatz zumTauchtropfkörperverfahren laufen die biologischen Selbstreinigungsprozesse in einemTeich unbeeinflusst ab. Lediglich der Sauerstoffeintrag und die Wasserumwälzung kanndurch technische Maßnahmen beeinflusst werden.

Zur Bewertung und Beurteilung der Reinigungsleistung der Versuchsanlage erschien eserforderlich, die Faktoren, die die Selbstreinigungsprozesse des Teiches beeinflussen(z.B. Temperatur, Belichtung, Pflanzen), zu kennen und den Anteil des Teiches an derReinigungsleistung zu berücksichtigen.

Die Recherche ergab, dass es aufgrund der verfahrenstechnischen Anordnung desTauchtropfkörpers im Teich nicht möglich sein würde, die Abbauprozesse des Teichesvon denen des Rotationstauchtropfkörpers zu trennen, um die Abbauleistung desTauchtropfkörpers qualitativ und quantitativ mit vertretbarem Aufwand zu erfassen.Aus diesem Grund wurde Ende März 2003 kurzfristig beschlossen, den Tauchtropfkör-per auf die Kläranlage Nordhorn zu versetzen.





Da auf der KA Nordhorn zu diesem Zeitpunkt kein Becken zur Verfügung stand, in dasder Tauchtropfkörper hätte hineingesetzt werden können, wurde der rotierende Tropf-körper auf einem vorhandenen Stahlbehälter (ehemaliger Biofilter) installiert (sieheAbbildung 4).

Abbildung 4: Neuer Behälter für den Tauchtropfkörper auf der KA Nordhorn

Der Behälter besitzt ein nutzbares Volumen von ca. 19 m³ (Breite B = 2,40 m; Länge L= 7,0 m, Tiefe T = 1,13 m). Der Boden läuft konisch zu (Tiefe Trichterspitze 0,17 m),so dass sich am Boden so eine Art Trichter befindet. Aufgrund der Größe des Behältersmusste die Konstruktion des Tauchtropfkörpers angepasst werden. Die Schwimmkörperwurden demontiert und ein Trägergerüst entworfen, auf dem der Tauchtropfkörpermontiert wurde. Dieses Trägergestell befindet sich außerhalb des Behälters und trägt dasgesamte Gewicht (siehe Abbildung 5).





Abbildung 5: Tauchtropfkörper auf der KA Nordhorn

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3. Stand von Wissenschaft und Technik

3.1 Zum Zeitpunkt der Antragstellung

Für die Schlammwasserbehandlung (bzw. die Reduzierung von Rückbelastungen ausder Schlammbehandlung allgemein) gibt es verschiedene, seit vielen Jahren bekannteVerfahren. Diese sind in [DWA, 2005] wie folgt zusammengestellt worden:

Die für die Schlammwasserbehandlung geforderte Eliminationsleistung leitet sich ausden Ablaufanforderungen und der Leistungsfähigkeit der biologischen Hauptstufe ab.Die maßgeblichen Auswahlkriterien für das eingesetzte Verfahren sind die Nährstoff-verhältnisse im Zulauf der biologischen Stufe, die Dynamik des Anlagenzulaufs, dietechnische Umsetzbarkeit und die Wirtschaftlichkeit. Die praktisch relevanten Verfah-rensansätze zeigt Abbildung 6. Hierbei wird zwischen einer Behandlung im Haupt-strom der Kläranlage und einer getrennten Behandlung des Schlammwassers durch einzusätzliches Verfahren unterschieden.

Tages-/Wochenausgleich

Rückführung entsprechendder N-Elimination im Hauptstrom

Bewirtschaftung

Zugabe externer Kohlenstoffquellen

Anpassung deserforderlichen DN-Volumens

Verbesserung der N-Eliminationim Hauptstrom

gemeinsame SWBim Haupstrom

Nitrifikation/Denitrifikation

Nitritation/Denitritation

Deammonifikation

biologische Behandlung

Dampf-/Luftstrippung

Fällung

chemisch-physikalischeBehandlung

getrennte SWBim Nebenstrom

Schlammwasserbehandlung(SWB)

Abbildung 6: Praktisch relevante Verfahrensansätze zur Behandlung von Schlamm-wasser





3.1.1 Verfahren der gemeinsamen Schlammwasserbehandlung

Die früher übliche direkte Einleitung der Schlammwässer in den Zulauf der Vorklärungführt leicht zu Ammoniumspitzen im Ablauf der Kläranlage. Aus diesem Grund solltedie Bewirtschaftung der Schlammwässer mit einer Vergleichmäßigung der zugeführtenFracht über einen zusätzlichen Speicherbehälter heute den Regelfall darstellen. DasSchlammwasser sollte aus diesem Speicher direkt der biologischen Stufe zugeführtwerden. Bei einer Einleitung in die Vorklärung kann die Überlagerung von Speicher-wirkung und Zulaufdynamik insbesondere bei Mischwasserzulauf ansonsten weiterhinAmmoniumspitzen im Ablauf der Kläranlage bewirken.

Bei einem ausreichenden C/N-Verhältnis im Zulauf kann die Stickstofffracht aus demSchlammwasser in der biologischen Hauptstufe entsprechend der verfahrenstechnischenAuslegung der Denitrifikation weitgehend eliminiert werden. Bei Unterschreiten einesBSB5/N-Verhältnisses von etwa 4 g BSB5/g NO3-N erfordert die Denitrifikation dage-gen häufig eine Dosierung zusätzlicher Kohlenstoffträger, wie z.B. Essigsäure oderMethanol. Die geregelte Dosierung der externen C-Quelle ermöglicht das Einstellendefinierter Eliminationsleistungen, führt allerdings zu einem erhöhten Schlammanfall.

Bei weitgehend ausgelasteten Kläranlagen oder Anlagen, die kurzfristig zusätzlicheStickstofffrachten aus dem Zulauf oder der Schlammbehandlung zu erwarten haben,bietet sich daher als Alternative zu einer Anlagenerweiterung eine separate Schlamm-wasserbehandlung an. Dies kann z.B. bei einer Produktionsausweitung einleitender In-dustriebetriebe oder bei einer Mitbehandlung externer Schlämme auf der Anlage derFall sein. Auch eine Desintegration der anfallenden Rohschlämme mit einem erhöhtenAufschluss der organisch gebundenen Stickstofffracht kann zur Notwendigkeit einerzusätzlichen Schlammwasserbehandlung führen [DWA, 2003].





3.1.2 Verfahren der getrennten Schlammwasserbehandlung

Nachfolgend werden die Verfahren der getrennten Schlammwasserbehandlung ein-schließlich ihrer möglichen verfahrenstechnischen Umsetzung beschrieben, wobei sichdie Auswahl auf die Verfahren beschränkt, die bereits praktisch erprobt sind.

3.1.2.1 Biologische Verfahren

Eine Stickstoffelimination aus Schlammwasser im Teilstrom kann sowohl mit der klas-sischen Form der Nitrifikation/Denitrifikation als auch mit den Verfahren der Nitritati-on/Denitritation sowie der Deammonifikation realisiert werden (siehe Abbildung 7).

Nitrifikation / DenitrifikationCSB/TKN:~5,5aerob/anoxisch

autotroph heterotroph

Nitrifikanten und Planctomyceten(z.B. Brocadia anammoxidans)

Nitritation / Denitritation

autotroph heterotroph

Deammonifikation

autotroph autotroph

CSB/TKN:~3,6aerob/anoxisch

CSB/TKN: 0aerob/anoxisch

NH4+

NH4+

NH4+

NO2-

NO2-

NO2- NH4

++

N2

N2

N2

NO3-

Abbildung 7: Gegenüberstellung der verschiedenen Prozessschritte bei der biologi-schen Stickstoffelimination





Die Nitrifikation/Denitrifikation erfordert in vielen Fällen aufgrund des meist ungün-stigen C/N-Verhältnisses im Schlammwasser den Einsatz einer zusätzlichen Kohlen-stoffquelle. Hierzu eignen sich neben externen Substraten auch interne C-Quellen, wiebeispielsweise Rohabwasser, Primärschlamm oder das Filtrat aus einer Schlammdesin-tegration. Neben den synthetischen externen Substraten, beispielsweise Essigsäure oderMethanol, können auch Reststoffe aus der Industrie, sofern sie die qualitativen Anforde-rungen an einen Einsatz bei der Abwasserreinigung erfüllen, eingesetzt werden. BeimVerfahren der Nitrifikation/Denitrifikation sind vor allem die Betriebskosten für dieSauerstoffversorgung der Nitrifikation sowie der im Vergleich zu den anderen Verfah-ren hohe Bedarf an Kohlenstoff für die Denitrifikation zu beachten.

Die technische Umsetzung der Nitrifikation/Denitrifikation kann ähnlich wie beimHauptstromverfahren als vorgeschaltete oder intermittierende Denitrifikation realisiertwerden, wobei häufig Verfahren mit suspendierter Biomasse und Schlammrückführungzum Einsatz kommen. Daneben wurden aber auch zahlreiche SBR-Anlagen zurSchlammwasserbehandlung errichtet und schließlich ist auch die Nutzung einer Mem-branbiologie oder eines Biofilmverfahrens zur Schlammwasserbehandlung möglich.

Zur Einsparung der Betriebskosten bietet sich eine Reduzierung der Ammoniumoxida-tion, die bei der Nitrifikation bis zum Nitrat erfolgt, auf den ersten Prozessschritt, dieNitritation, an. Das hierbei gebildete Nitrit kann dann in einem zweiten Schritt, der De-nitritation, zu molekularem Stickstoff reduziert werden. Mit diesem Verfahren der Ni-tritation/Denitritation lassen sich etwa 25 % des Sauerstoffbedarfs und etwa 40 % desKohlenstoffbedarfs im Vergleich zur Nitrifikation/Denitrifikation einsparen [Abeling u.Seyfried, 1992]. Eine möglicherweise unvollständige Stickstoffelimination mit derKonsequenz erhöhter Nitritgehalte im Schlammwasser ist im Allgemeinen unproblema-tisch, da Nitrit in der biologischen Hauptstufe in der Regel vollständig eliminiert wird.

Verfahrenstechnisch kann die vollständige Oxidation des Ammoniums durch eineHemmung der Nitritoxidation vermieden (Nitratationshemmung) [Anthonisen et al.,1976] oder durch ein Auswaschen der Nitritoxidierer realisiert werden, die bei höherenTemperaturen eine geringere Wachstumsgeschwindigkeit als die Ammoniumoxidiereraufweisen [Knowles et al., 1965]. Zur Hemmung der Nitritoxidation ist eine erhöhteAmmoniakkonzentration bzw. eine Limitierung der Sauerstoffversorgung erforderlich[Abeling u. Seyfried, 1992]. Technisch kann ersteres durch die Anhebung des pH-





Wertes, beispielsweise durch Zugabe von Lauge, und damit einhergehend durch eineVerschiebung des Dissoziationsgleichgewichtes von Ammonium und Ammoniak er-reicht werden.

Zur Auswaschung der Nitritoxidierer können beispielsweise Durchlaufreaktoren ohneSchlammrückführung zum Einsatz kommen (Chemostat), bei denen die hydraulischeAufenthaltszeit so niedrig eingestellt ist, dass die Vermehrung der Nitritoxidierer geradeunterdrückt wird, die der Ammoniumoxidierer aber noch stattfindet, wie dies beispiels-weise beim niederländischen Sharon-Verfahren der Fall ist [Mulder et al, 2001]. Hierbeiwird eine hydraulische Aufenthaltszeit von etwa 10 bis 12 Stunden eingestellt, die beiReaktionstemperaturen von über 30°C ausreichend ist, um ein Wachstum der Nitritoxi-dierer wirkungsvoll zu unterdrücken [Hellinga et al., 1998].

Auch der Einsatz von SBR-Systemen, bei denen die Auswaschung der Nitritoxidiererüber den Überschussschlammabzug kontrolliert wird, hat sich technisch durchaus be-währt [Fux et al., 2003]. Schließlich können auch Festbettreaktoren zur Nitritation ge-nutzt werden, allerdings erfordert die verfahrenstechnische Beherrschung der Nitratati-onshemmung in diesen Anlagen einen nicht zu unterschätzenden Mess-, Steuer- undRegelaufwand.

Ein vollständiger Verzicht auf die Zugabe von Kohlenstoff zur Denitrifikation istschließlich bei dem Verfahren der so genannten Deammonifikation möglich. In zweiProzessschritten kommt es hierbei zu einer nahezu vollständigen, direkten Umsetzungvon Ammonium zu molekularem Stickstoff. Im ersten Prozessschritt muss ein Teil desAmmoniums zu Nitrit oxidiert werden, bevor dann in einem zweiten Schritt unter an-oxischen Bedingungen eine Ammoniumelimination unter gleichzeitiger Nitritreduktionmit N2 als Endprodukt stattfindet (Anammox) (siehe auch Abbildung 7) [van de Graafet al., 1995]. Etwa 10 % des Ammoniums werden bei diesem Verfahren allerdings zuNitrat umgewandelt, so dass eine vollständige Stickstoffentfernung mit Hilfe der De-ammonifikation nicht möglich ist.





Zur technischen Umsetzung der Deammonifikation sind aufgrund der geringen Wachs-tumsgeschwindigkeit der diese Reaktion bewirkenden Bakterien vor allem Festbettsy-steme geeignet. Die großtechnischen Erfahrungen mit Tauchtropfkörpern [Hippen,2001] und dem Moving-Bed-Verfahren [Thöle et al., 2004] zeigen, dass eine prozess-stabile Etablierung dieses Prozesses möglich ist. Prinzipiell ist aber auch eine Realisati-on von Verfahren mit suspendierter Biomasse (z.B. SBR) möglich [Böhler et al., 2003].

3.1.2.2 Chemisch/physikalische Verfahren

3.1.2.2.1 Ammoniakstrippung

Bei der Ammoniakstrippung wird Ammonium zunächst in das in Wasser gut löslicheund vergleichsweise leicht flüchtige Gas Ammoniak umgewandelt, das anschließendphysikalisch aus dem Wasser ausgetrieben wird [Pfennig, 1996]. Ammonium und Am-moniak stehen in Abhängigkeit der Temperatur und des pH-Wertes im Gleichgewicht.Bei einem pH-Wert von 10 und einer Temperatur von 70°C beispielsweise liegt dasDissoziationsgleichgewicht vollständig auf der Seite des Ammoniaks, so dass in derWasserphase kein Ammonium mehr vorhanden ist. Bei einer Temperatur von nur 20°Cwird dieser Zustand allerdings erst bei einem pH-Wert von über 11 erreicht.

Zur anschließenden Überführung des im Wasser gelösten Ammoniaks in die Gasphase(Desorption) haben sich großtechnisch die Luft- und die Dampfstrippung in Füllkörper-kolonnen bewährt. Auch die Desorption ist temperaturabhängig mit der Charakteristik,dass diese Reaktion umso schneller erfolgt, je höher die Temperatur ist. Dies bedeutet,dass der erforderliche Gasvolumenstrom zur Strippung mit zunehmender Temperaturabsinkt. Diesem Vorteil steht bei der Dampfstrippung der erhöhte Energiebedarf für dieDampferzeugung gegenüber, was im großtechnischen Einsatz bedeutet, dass eineDampfstrippung meist nur dort wirtschaftlich ist, wo auch Dampf in entsprechenderMenge, beispielsweise aus der Klärschlammverbrennung oder -trocknung, zur Verfü-gung steht.





In einem der Desorption nachgeschalteten Prozessschritt muss nun das in die Gasphasegestrippte Ammoniak in ein verwertbares oder entsorgungsfähiges Produkt überführtwerden. Ein direkter Austrag des Ammoniaks in die Atmosphäre sollte aus ökologi-schen Gründen nicht erfolgen und ist auch nicht genehmigungsfähig. Im großtechni-schen Maßstab haben sich vor allem die saure Wäsche unter Gewinnung von Ammoni-umsulfat und die Rektifikation zu Ammoniakwasser durchgesetzt. Bei der Rektifikationentsteht ein 25 bis 35 %-iges Ammoniakwasser, das beispielsweise bei der Rauchgas-reinigung verwertet werden kann.

3.1.2.2.2 Struvitfällung (Magnesium-Ammonium-Phosphat)

Zur chemisch-physikalischen Stickstoffentfernung aus dem Schlammwasser bestehtauch die Möglichkeit, das gelöste Ammonium durch eine Fällungsreaktion in eine un-lösliche Form zu überführen und durch Feststoffabtrennung aus dem Schlammwasser zuentnehmen. Dies kann durch eine Ausfällung von Struvit (MgNH4PO4 · 6 H2O) gesche-hen. Bei den üblicherweise im Schlammwasser vorherrschenden Mg- und PO4-Konzen-trationen ist allerdings in der Regel eine Zugabe sowohl von Magnesium als auch vonPhosphat erforderlich, um eine nennenswerte Ammoniumelimination zu erreichen. DerFällungsumfang ist darüber hinaus noch vom pH-Wert abhängig; das Minimum derStruvit-Löslichkeit (Fällungsmaximum) wird bei etwa pH 11 erreicht.

Eine gewisses Potential hat die Struvitfällung auf Anlagen mit vermehrter biologischerPhosphorelimination, da es auf diesen Anlagen zu einer Rücklösung des während derAbwasserreinigung gebildeten Polyphosphats während der Faulung kommt und hierbeisowohl Phosphat wie auch Magnesium in das Schlammwasser freigesetzt werden. Al-lerdings führen chemisch-physikalische Refixierungsvorgänge während der Stabilisie-rung dazu, dass der größte Teil des zunächst gelösten Phosphats über Adsorptions- undFällungsvorgänge wiederum gebunden wird [Jardin, 1995].

Die Magnesiumkonzentration im Schlammwasser ist dagegen auf Anlagen mit ver-mehrter biologischer Phosphorelimination deutlich erhöht. Daher sind die Bedingungenfür eine gezielte Struvitfällung auf derartigen Anlagen in der Regel günstiger als beiKläranlagen mit chemischer P-Fällung.





Ein Nachteil dieses Verfahrens ist der erhebliche Schlammanfall. Bei der Fällungsreak-tion entstehen pro 1 kg NH4-N mindestens 17,5 kg Fällschlamm. Inwiefern dieserSchlamm landwirtschaftlich verwertet werden kann, ist nicht nur von der Pflanzenver-fügbarkeit der Nährstoffe abhängig, sondern auch vom Umfang der mitgefälltenSchwermetalle oder organischen Schadstoffe. Großtechnische Erfahrungen mit derStruvitfällung und dem primären Verfahrensziel einer Phosphorelimination aus demSchlammwasser in Japan zeigen, dass der Schadstoffgehalt des gebildeten Struvits aufkommunalen Kläranlagen gering ist und dass bei entsprechender Produktform einelandwirtschaftliche Vermarktung möglich ist [Ueno u. Fujii, 2001]. Die Anforderungender Düngemittelverordnung sind zu beachten.

Die Struvitfällung kann technisch in unterschiedlichster Form realisiert werden. Nebeneiner "klassischen" Fällung des Ammoniums aus der gelösten Phase und anschließenderAbtrennung in einem Absetzbecken haben sich großtechnisch vor allem Wirbelbettver-fahren, bei denen die Ausfällung auf Sandpartikeln als Aufwuchskeim erfolgt (Kristalli-sation), etabliert. Bei der "klassischen" Fällung ist aufgrund der Mitfällung von parti-kulären Inhaltsstoffen des Schlammwassers mit einem unter Umständen deutlich er-höhten Schlammanfall zu rechnen.

Für die gezielte Stickstoffelimination konnte sich das Verfahren bisher nicht durchset-zen, gewinnt aber im Hinblick auf derzeitige Bestrebungen zur weitergehenden Rück-gewinnung von Phosphor aus dem Klärschlamm zur Zeit wieder an Bedeutung [DWA,2003].





3.2 Neuere Entwicklungen (aktueller Entwicklungsstand)

3.2.1 Wissenschaft und Forschung

Ein Schwerpunkt der gegenwärtigen Forschungs-, Planungs- und Beratungsaktivitätenist die Stickstoffelimination, die in jüngster Zeit gerade im Hinblick auf die Behandlunghoch belasteter Teilströme zunehmend an Interesse gewinnt. Berücksichtigt man diezum Teil beträchtlichen Kosten, die z.B. bei der Mitbehandlung von Schlammwässernin der kommunalen Kläranlage entstehen, so wird schnell deutlich, dass bisher verfolgteBehandlungsstrategien zwar zum Stand der Technik gehören, zum Teil jedoch aus wirt-schaftlicher Sicht als unbefriedigend zu bezeichnen sind. Bedenkt man zudem, dassauch der Gesetzgeber eine separate Behandlung einzelner Teilströme durch Verrech-nung mit der Abwasserabgabe begünstigt, so ist auch vor diesem Hintergrund der Nut-zen zum Beschreiten "neuer Wege" erkennbar.

In den letzten Jahren veröffentlichte Forschungsberichte beschäftigen sich schwer-punktmäßig mit der Erforschung der Nitritation, also der ersten Teilschrittes der Nitrifi-kation von Ammonium zu Nitrit.

Die Nitritation im Rotationstauchtropfkörper wurde auf verschiedenen Großanlagen inKombination mit der "Deammonifikation" (oder Anammox-Prozess) erreicht [Hippen etal, 2000]. Voraussetzung waren immer hohe Ammoniakkonzentrationen. Das entstan-dene Nitrit wurde im Wesentlichen von autotrophen Organismen, welche aus äpuimola-ren Mengen an Nitrit und Ammonium elementaren Stickstoff bilden, umgesetzt. DieUnterdrückung der Nitratation war jedoch auch hier nicht vollständig.

Hoch stickstoffhaltige Abwässer, z.B. Schlammwässer, Deponiesickerwässer, Abwässernach anaerober Vorbehandlung, sind in der Behandlung nach klassischen Konzeptenbesonders kostenintensiv, da sich sowohl der Sauerstoffbedarf für die Nitrifikation alsauch der Bedarf an organischen Substraten für die Denitrifikation an der jeweiligenStickstoffkonzentration im Abwasser orientiert. Der Bedarf an organischen Substratenist bei den genannten Abwasserqualitäten, die durch ein niedriges CN-Verhältnis cha-rakterisiert sind, nur durch die Zugabe externer Kohlenstoffquellen zu decken.





Aus diesen Gründen sind autotrophe Mikroorganismen mit der Fähigkeit, Ammoniumdirekt in elementaren Stickstoff umzusetzen, für die Entwicklung alternativer Konzeptezur Behandlung dieser Problemwässer von besonderem Interesse. Stickstoffverluste innitrifizierenden Biofilmsystemen, wie z.B. dem Rotationstauchtropfkörper der Deponie-sickerwasserreinigungsanlage Mechernich [Seydried, 1987, Hippen et al, 1997, 1998],die nachweislich nicht durch klassische Denitrifikationsprozesse erklärt werden konnten[Helmer und Kunst, 1998, Helmer et al, 1999], gaben erste Hinweise auf das Vorkom-men von autotrophen stickstoffeliminierenden Bakterien in abwasserreinigendenMischbiozönosen.

Beim Betrieb der Versuchsanlage, die die Grundlage für diese Forschungsarbeit ist,steht zunächst die Sammlung von Betriebserfahrung und die Demonstration der Praxi-stauglichkeit im Vordergrund. Beim Betrieb der Versuchsanlage konnten bisher ge-sammelte Erfahrungen umgesetzt und die biologischen Prozesse der Stickstoffelimina-tion näher untersucht werden.

Die Ergebnisse verschiedener Forschungsberichte zeigen, dass die Deammonifikationstark an der Nährstoffentfrachtung beteiligt sein kann. Seit längerem gibt es immer wie-der Berichte über Tropf- und Tauchtropfkörper, die unerwartet hohe Stickstoffelimina-tionsleistungen vorweisen. Erst in den letzten Jahren gelang es, dieses Phänomen mitdem Anammox-Prozess wissenschaftlich zu erklären. Aufgrund seiner Effizienz wirdseither intensiv an der Umsetzung des Anammox-Prozesses zur großtechnischen Ab-wasserbehandlung gearbeitet.

Für die vorliegende Arbeit ist die Beteiligung des Anammox-Prozesses an der Stickstof-fentfrachtung aus zwei Gründen besonders interessant:

1. Durch den Anammox-Prozess erhöht sich die Effizienz der biologischen Nährstoff-entfrachtung deutlich. Das bedeutet, dass sich die Behandlungskosten reduzierenlassen, wenn die Prozessführung speziell für Anammox ausgelegt wird. Der rotie-rende Tropfkörper kann dann wesentlich mit einer wesentlich geringeren Auf-wuchsfläche große Mengen an Ammonium-Stickstoff aus dem Schlammwasser ent-fernen.





2. Die Arbeit soll zeigen, dass das vorgestellte Verfahrenskonzept besonders geeignetist, hochstickstoffbelastete Abwässer zu behandeln. Das bedeutet, dass mit der An-lage Schlammwasser aus der Schlammbehandlung auf kommunalen Kläranlagensehr effizient behandelt werden könnte. Damit ließe sich eine effiziente und kosten-sparende Entfrachtung dieses Stromes realisieren.

Im Unterschied zu den o.g. Forschungsvorhaben, die sich im Wesentlichen mit lei-stungsfähigen, aber auch im laufenden Betrieb technisch und kostenmäßig aufwendigenVerfahren zur separaten Schlammwasserbehandlung beschäftigen, wurde mit dem vor-liegenden Vorhaben versucht, eine vergleichsweise einfache und preisgünstige Tech-nologie auszutesten, auch wenn dies mit einem Kompromiss hinsichtlich der Leistungs-fähigkeit einhergeht. Damit wird auf eine Problemlage abgezielt, bei der eine Teilre-duktion von Stickstoff (30 - 70 %) bereits ausreicht, um die erforderlichen Ablaufwerteder Kläranlage zu erzielen, so dass innerhalb dieses angestrebten Zielkorridors eine Mi-nimierung der Kosten angestrebt wird. Gleichzeitig sollte ein einfaches Verfahren dar-gestellt werden, welches auch für kleine und mittlere Klärwerkstypen einfach anwend-bar ist.

3.2.2 Neuerer Stand der Anwendung

Die unterschiedlichen Verfahrensanbieter präferieren u.a. NH4-N-Strippung, Ozonein-satz, Festbettreaktoren, Sauerstoffeinsatz u.a.m. [siehe u.a. auch Rautenbach u. Mach-hammer, 1988; Lehmkuhl, 1990; Sekoulov u. Stübner, 1990; Kolisch, 1994]. Generellhandelt es sich hierbei um Hochtechnologie-Verfahren mit guter Wirksamkeit, die al-lerdings durch einen hohen finanziellen und betrieblichen Aufwand erkauft wird.

Die Kosten für eine Stickstoffeliminierung (bis zum Grenzwert von in der Regel18 mg/N/l) des im normalen Kläranlagenzulauf enthaltenen Stickstoffs liegen in derPraxis zwischen 5,- bis 8,- €/kg eliminierten Stickstoffs. Die o.g. Verfahren können,insbesondere bei kleineren Anlagen (welche die Mehrzahl der Fälle ausmachen) imVergleich dazu nicht rentabel arbeiten.

Aus diesem Grunde wird bei der Mehrzahl der kleinen und mittelgroßen Kläranlagenauf den Einsatz solcher Verfahren verzichtet, und man beschränkt sich auf einen Men-genausgleich in einem Pufferbecken.





Bei den größeren Kläranlagen in Europa, die auch mit komplizierteren Verfahren undTechnologien betriebstechnisch umgehen können, sind inzwischen jedoch viele separateSchlammwasserbehandlungsanlagen errichtet worden.

Die Tabelle 3 zeigt eine Auswahl großtechnischer Anlagen mit Anwendung der ver-wendeten Verfahrenstechnik [Quelle: DWA, 2005].

Tabelle 3: Zusammenstellung von großtechnischen Anlagen zur separaten Schlamm-wasserbehandlung

Kläranlage Ausbaugröße Verfahren Quelle

Aachen-Soers 458.000 SBR

Aachen-Süd 60.000 Luftstrippung

Altötting 40.000 SBR

Amsterdam-Ost (NL) 600.000 Chemostat

Bad Hersfeld 57.000 SBR [Fischer u. Wildner, 2003]

Bergisch-Gladbach 200.000 Nitrifikation

Bern (CH) 300.000 SBR

Bickenbach-Engelskirchen 25.000 SBR

Cloppenburg 190.000 Dampfstrippung [Rolfs, 1996]

Cuxhaven 400.000 Luftstrippung

Dormagen 80.000 Membranbiologie

Friedrichshafen 86.000 SBR

Fulda 150.000 Wirbelbett

Goch 122.000 Nitrifikation

Göttingen 220.000 Luftstrippung [Eisener, 1998]

Gütersloh-Putzhagen 200.000 Nitrifikation

Hamburg 2.100.000 Nitrifikation [Laurich, 2004]

Hanau 270.000 SBR

Hattingen 100.000 Wirbelbett [Thöle et al., 2003 u. 2004]

Heppenheim 80.000 Luftstrippung

Herbolzheim 15.000 SBR [Natau u. Wiegands, 2003]

Ingolstadt 235.000 SBR [Kammerer u. Schreff, 2003]

Kamp-Lintfort 75.000 Nitrifikation

Kohlfurth 200.000 Membranbiologie





Kläranlage Ausbaugröße Verfahren Quelle

Köln-Stammheim 1.450.000 SBR

Krefeld 1.200.000 Nitrifikation

Landshut 260.000 Wirbelbett [Högl, 1998]

Memmingen 275.000 SBR

Moers-Gerdt 250.000 Tropfkörper

München I 2.000.000 Nitrifikation

Nürnberg I 1.225.000 Tropfkörper

Obere Lutter 380.000 Nitrifikation

Perfgebiet-Wallau 45.000 Luftstrippung

Pforzheim 250.000 Tropfkörper [Cybulski, 2003]

Rheda-Wiedenbrück 64.000 Nitrifikation

RHV Mattig-Hainbach (A) 45.000 Luftstrippung

Rosenheim 350.000 SBR [Ißlinger, 2003]

Rotterdam (NL) 470.000 Chemostat [van Kempen et al., 2003]

Salzburg (A) 620.000 SBR

Sinzing 115.000 SBR

Strass/Zillertal (A) 167.000 SBR [Wett et al., 1998]

Straubing 200.000 Luftstrippung [Pop u. Buchmeier, 2003]

Tuttlingen 40.000 SBR

Utrecht (NL) 400.000 Chemostat [van Kempen et al., 2003]

Verden an der Aller 95.000 Vorgeschaltete De-nitrifikation

Wolfhagen 23.000 Nitrifikation

In der nachfolgenden Abbildung 8 ist die Verteilung der Anzahl zu den verschiedenenVerfahrensarten dargestellt.





SBR13

Membranbiologie2

Nitrifikation9

Chemostat2

Dampfstrippung1

Luftstrippung6

Wirbelbett3

Tropfkörper3

Abbildung 8: Anwendungsstand der Verfahren zur Schlammwasserbehandlung(in % EW, nach Zahlen der [DWA 2005]

Eine Reihe von Forschungsvorhaben [DWA, 2003; Köster, 2005] befassen sich mitVerfahren zur Schlammbehandlung, welche die Rückgewinnung von Phosphor beträgt.Oft ist damit eine Behandlung der Schlammwässer verbunden.

Im Prozess der Abwasserreinigung ist Phosphor in den Schlamm eingebunden. Bis zu90 % der Phosphorverbindungen sind im Schlamm enthalten. Wird Phosphor aus demKlärschlamm zurückgewonnen, können größere Phosphormengen in den Nährstoff-kreislauf zurückgeführt werden.

Den Klärschlamm auf landwirtschaftliche Flächen aufzubringen wäre die einfachsteMöglichkeit zur Kreislaufführung des Phosphors. Dieser Weg ist aufgrund der imSchlamm enthaltenen Schadstoffe umstritten und in einigen Bundesländern nicht mehrgewollt. Es ist daher vielfach sinnvoll geworden, eine Rückgewinnung von Phosphoraus dem Klärschlamm zu untersuchen. Für diese Rückgewinnung von Phosphor stehtnur der Anteil des Phosphors zur Verfügung, der ungebunden in Form von Phosphata-nionen vorliegt. Je nach Reinigungsverfahren der Kläranlage handelt es sich um che-misch gebundenen Phosphor als Eisen- oder Aluminiumphosphat oder um in die Mi-kroorganismen eingeschlossenen Phosphor.





Die Phosphor-Recyclingtechnologie zielt entweder auf eine Behandlung des Über-schussschlammes an (durch anaerobe Rücklösung in rund 25 % des im Überschuss-schlamm enthaltenen Phosphors als Phosphatanionenlösung und stehen zu einer Rück-gewinnung zur Verfügung). Andere Verfahren konzentrieren sich auf die Rückgewin-nung des Phosphors aus Faulschlamm oder Schlammasche.

Der entscheidende Schritt ist bei allen Ansätzen die selektive Rücklösung des gebunde-nen Phosphors als Phosphation. Bei chemisch gebundenem Phosphor hat sich dieRücklösung mit Säure bei einem pH-Wert von 2 als wirkungsvollste Lösung ergeben(mehr als 90 % des Phosphors werden als Phosphat gelöst). Bei biologisch gebundenemPhosphor ist der Säureeinsatz weniger wirkungsvoll (weniger als 70 % rücklösbar).Auch die Fällung mit Magnesium oder Calcium wird untersucht (bei pH 8,5 - 9 nachvorheriger Eisen- und Aluminiumelimination).

Nur teilweise kommt es bei derartigen Verfahren gleichzeitig zu einer Entlastung vonStickstoff im Schlammwasser; insgesamt bzw. im Mittel ist wohl eher mit einer erhebli-chen Zunahme von Stickstoffrückbelastungen im Klärwerksbetrieb zu rechnen (abgese-hen von den ansonsten anfallenden Prozesswässern und dem notwendigen Chemika-lieneinsatz).

Die in diesem Vorhaben behandelte Verfahrenstechnologie mit schwimmenden Rotati-onstauchtropfkörpern gehört zu den biologischen Verfahren und wäre am ehesten alsKombinationstechnologie zwischen SBR- und Tropfkörperverfahren zu beschreiben.





4. Zusammenarbeit mit anderen Stellen

Eine intensive fachliche Zusammenarbeit ergab sich (planungsgemäß) mit dem Betrei-ber der Nordhorner Kläranlage, GfA - Gesellschaft für Abwasserklärung mbH, welcheinsbesondere folgende Arbeitsphasen beeinflusst hat:

• das Vergabeverfahren gemäß VOB zur Errichtung der Versuchsanlage,

• damit verbunden die endgültige Festlegung der verfahrenstechnischen und bautech-nischen Details für die Errichtung der Versuchsanlage (im Zusammenhang mit einempauschalen Nebenangebot eines Bieters, welchem gemäß VOB/VOL der Zuschlag zuerteilen war),

• die erforderlichen Umrüstungen und Umbauten, welche aufgrund der ersten Be-triebsergebnisse der Versuchsanlage sowie nach dem eingetretenen Brandschaden er-forderlich waren,

• der Betrieb der Versuchsanlage selber, welches unter Aufsicht des zuständigenKlärwerksbetriebsleiters gemeinsam mit der wissenschaftlichen Vorhabensleitungstattfand,

• die Durchführung von Vor-Ort-Analysen für Schlammwasserzulauf, Schlammwas-serablauf und prozesstechnische Daten.

Darüber hinaus ergab sich eine intensivere technische Kooperation mit der Lieferfirmader Versuchsanlage, der Werkstätten GmbH, um notwendige konstruktive Verbesserun-gen zu erzielen und den eingetretenen Brandschaden zu reparieren.



Kapitel II - Untersuchungen und Ergebnisse


II. UNTERSUCHUNGEN UND ERGEBNISSE

5. Konzept der Versuchsanlage

In ein in der Regel ohnehin vorhandenes Klär- oder Pufferbecken wird ein schwimmen-der Rotationstauchtropfkörper installiert (siehe Abbildung 9), der im intermittierendenBetrieb unter Einsatz der (in den letzten Jahren sehr gut weiterentwickelten) Mess- undSteuertechnik gefahren werden kann (Steuerung über Zeitschaltung in Kombination mitRedox-Potential und NH4-N-Messung). Somit können (ähnlich wie in einem SBR-Reaktor) Nitrifikations- und Denitrifikationsphasen realisiert werden.

Gleichzeitig wird der Reaktor als Speicherbehälter genutzt, und es wird das behandelteSchlammwasser vorzugsweise in Zeiträumen dem Klärwerkszulauf beigemischt, in de-nen dies im Hinblick auf das C/N-Verhältnis und die Gesamtbelastung der Kläranlagesinnvoll erscheint.

Abbildung 9: Anlagenkonzeption zum Einsatz schwimmender Rotati-onstauchtropfkörper in vorhandenen Schlammwasserbecken





Wenngleich das Verfahren mit seinen maschinentechnischen Komponenten sehr einfachist (erforderlich sind lediglich die Schwimmkörper und der Rotationstauchtropfkörpermit Antrieb und Steuerung), ergibt sich wegen der zu berücksichtigenden Steuerungspa-rameter ein relativ komplexer Steuerungsaufwand.

Konzeptionell wurden folgende Steuerungseinstellungen zu berücksichtigt:

- Ablaufsteuerung in Abhängigkeit von den Verhältnissen im Klärwerkszulauf(Ziel: Zugabe des vorbehandelten Schlammwassers vorzugsweise nachts bzw. zuSchwachlastzeiten, dies jedoch unter Einhaltung der erforderlichen C:N-Verhältnisseim Zulauf),

- daraus resultierend schwankende Wasserstände im Reaktorbecken(Folge: nicht konstantes Reaktionsvolumen, schwankender Abbaugrad, Rückwirkungauf die Ablaufsteuerung),

- kombinierte zeitintervall- und NH4-abhängige Steuerung des Rotationstauchtropf-körpers(gesteuert wird lediglich die Rotation an/aus, um die Hardware-Kosten gering zuhalten),

- davon abhängig ergibt sich der Belüftungseffekt für die am Rotationstauchtropfkör-per vorzugsweise angesiedelten Nitrifikanten(bzw. das Verhältnis Nitrifikation zu Denitrifikation),

- steuerungstechnisch muss sichergestellt werden, dass im Reaktor Sedimentati-onsphasen eingehalten werden, um ausreichend Biomasse im System zu halten(analog zum kombinierten Rotationstauchtropfkörper-Belebungsverfahren).

- Zulaufmengensteuerung zum Reaktor (diskontinuierlich anfallende Schlammwässer, daraus resultierende Stoßbelastungenfür den Rotationstauchtropfkörper bzw. Beschickung des Reaktors in Abhängigkeitvon den Abbauverhältnissen).





6. Errichtung der Versuchsanlage

6.1 Voruntersuchungen

Schlammwasser von verschiedenen Kläranlagen unterscheiden sich aufgrund unter-schiedlicher Randbedingungen, so z.B. Zulaufsituation, Reinigungsverfahren, Schlam-mentwässerungssystem, Fremdschlammanteil usw., hinsichtlich ihrer Zusammenset-zung und Abwassermenge stark von einander. Somit ist es insbesondere zur Beurteilungdes Leistungsvermögens der Rotationstauchtropfkörper von großer Bedeutung, Unter-suchungen an verschiedenen Kläranlagenstandorten durchzuführen.

Zum Zwecke der wissenschaftlichen Bearbeitung und Entwicklung war deshalb geplant,zu Beginn des Projektes Untersuchungen im halbtechnischen Maßstab mit einer mobi-len Versuchseinheit durchzuführen. Die im Vorantrag (siehe Antrag vom 07.12.1993,Einsatz von schwimmenden Rotationstauchtropfkörpern zur Behandlung desSchlammwassers aus der Schlammbehandlung) angegebene Projektlaufzeit erwies sichfür diese vertieften Untersuchungen nicht ausreichend, so dass eine Erweiterung auf dreiJahre beantragt und genehmigt wurde.

Das Containermodul (siehe Abbildung 10) beinhaltet als "Herzstück" die Rotati-onstauchtropfkörper, die auf Schwimmkörpern gelagert werden und an Führungsstan-gen abhängig vom Wasserstand auf- und abgleiten können. Vorgelagert wird ein kleinerVorlagebehälter, durch den ein unabhängiger Betrieb der Versuchsanlage vom jeweili-gen Schlammwasseranfall erreicht werden kann. Der Vorlagebehälter kommt nur beider mobilen Versuchsanlage zum Einsatz. Die übrigen Anlagenteile der Versuchsanla-ge, insbesondere die Rotationstauchtropfkörper und der dazugehörige Antrieb, werden,soweit technisch möglich, für den großtechnischen Einsatz weiter verwendet.





Abbildung 10: Anlagenkonzeption der mobilen Versuchsanlage zur Behandlungvon Schlammwasser mit schwimmenden Rotationstauchtropfkörpern





Nachfolgend werden die einzelnen Untersuchungsphasen genauer beschrieben.

6.1.1 Vorbereitende Arbeiten

In einem ersten Schritt wurden für die Auslegung der mobilen Versuchsanlage die ein-zelnen Kläranlagenstandorte hinsichtlich der stofflichen Zusammensetzung und der an-fallenden Menge des Schlammwassers untersucht und ein entsprechendes Mengenge-rüst erstellt. Diese Arbeiten werden in Zusammenarbeit mit den Kläranlagenbetreiberndurchgeführt.

Nach Auswertung des Mengengerüsts wurde über die Reihenfolge der zu untersuchen-den Schlammwässer an den verschiedenen Kläranlagenstandorten und die jeweiligeAnlagenkonzeption entschieden.





6.1.2 Erstellung der Versuchsanlage

Die Anlagenplanung für die mobile Versuchsanlage erfolgte unter Berücksichtigung derunter Punkt 2.11 gewonnenen Ergebnisse, der vorliegenden konzeptionellen Überle-gungen sowie der späteren großtechnischen Umsetzung. Der beim Antragsteller vor-handene technische Bestand ging in die Gesamtanlagenplanung mit ein. Zur Kostenmi-nimierung wurde in einem Ausschreibungsverfahren die Versuchsanlage inklusive allererforderlichen Ausrüstungsteile angeschafft.

Zudem fanden mit den Kläranlagenbetreibern (Kläranlage Nordhorn) Abstimmungsge-spräche über erforderliche Umbaumaßnahmen an Leitungen, Schiebern, Behältern statt.

Vor Ort war zu prüfen, dass geeignete Aufstellungsorte vorhanden sind, wo Funda-mente erstellt werden mussten etc. Nach Klärung aller relevanten Fragestellungen mitden Betreibern wurde die Versuchsanlage am ersten Kläranlagenstandort aufgestellt unddie notwendigen Installationen durchgeführt (vgl. Abbildung 3).

Eine Genehmigung der Anlage war nicht erforderlich, da es sich hier um ein Pilotpro-jekt zunächst ohne dauerhafte Installation handelt.

6.2 Leistungskatalog, Geräteliste

Nach Klärung der Standortfrage, Leitungsanbindungen, Zufahrtmöglichkeiten und be-trieblichen Logistik wurde, entsprechend den Vorgaben des Klärwerksbetreibers GfA,ein detaillierter Leistungskatalog erstellt, auf dessen Basis eine spätere Ausschreibungzur Anlagenerstellung stattfand. Dieser Leistungskatalog wird nachfolgend wiedergege-ben:

6.2.1 Allgemeines zum Leistungsumfang

Gegenstand der ausgeschriebenen Leistung war die Installation einer Pilotanlage zurStickstoffelimination von ammoniumreichen Abwasser aus der kommunalen Klär-schlammentwässerung. Zu diesem Zweck war eine schwimmende Tauchtropfkörperan-lage zu erstellen.





Im Zuge der Installation dieser Tauchtropfkörperanlage müssten einige fliegende Roh-leitungen erstellt und entsprechende Pumpen und Armaturen installiert werden. DesWeiteren war für die Pilotanlage die MSR-Technik inklusive Schaltanlagen zu konzi-pieren und anschließend umzusetzen. Die neu zu errichtende Schalt- und MSR-Technikder Tauchtropfkörperanlage mussten anschließend an das PLS-System der KläranlageNordhorn eingebunden werden.

Zusätzlich zu der Tauchtropfkörperanlage war eine Lagerstation zu erstellen. Die erfor-derlichen Umbaumaßnahmen waren ebenfalls Bestandteil dieser Leistungsbeschrei-bung.

Alle erforderlichen Aufwendungen und Erschwernisse für die An- und Einbindung derneuen Schalt- und MSR-Technik an die vorhandene Schalt- und MSR-Technik derKläranlage Nordhorn sind in die Einheitspreise des Leistungsverzeichnisses (LV) ein-kalkuliert werden. Dies galt auch für Erschwernisse, die dadurch bedingt sind, dasswährend der Umbau- bzw. Neuinstallationsarbeiten an der Kläranlagenschalt- undMSR-Technik der Kläranlagenbetrieb unbeeinträchtigt aufrecht erhalten werden muss-ten und demzufolge ein kontinuierliches Arbeiten nicht immer gewährleistet werdenkonnte. Teilweise wurden auch Provisorien erforderlich, die den Betrieb der Kläranlageermöglicht. Die Kosten hierfür waren ebenfalls in die Einheitspreise des LVs einzukal-kulieren.

6.2.2 Beschreibung der ausgeführten Leistungen

6.2.2.1 Allgemeine Projektbeschreibung

Die ausgeschriebene Leistung beinhaltete folgende einzelne Teilleistungen:

- Tauchtropfkörperpilotanlage,

- Pumpen und Verrohrung für Tauchtropfkörperpilotanlage,

- Betriebseinrichtungen für Tauchtropfkörperpilotanlage,

- Messtechnik für Tauchtropfkörperpilotanlage,





- Schalt- und Steuertechnik für Tauchtropfkörperpilotanlage,

- Bau einer Lagerstation.

Die einzelnen Teilleistungen sollen allgemein im Folgenden näher erläutert werden.

6.2.2.2 Tauchtropfkörperpilotanlage

Die Tauchtropfkörperanlage wurde in einem vorhandenen Erdbecken frei schwimmendeingesetzt. Hierzu war die Tropfkörperanlage auf einer schwimmenden Stahlrahmen-konstruktion mit Pontons zu installieren.

Die Pontons waren dabei derart auszuführen und auszulegen, dass sie variabel an dieMasse des Tauchtropfkörpers und an die Biobewuchsmasse, die im Laufe des Betriebeszunimmt bzw. schwankt, angepasst werden konnte. Zu diesem Zweck ist eine Kompres-soranlage vorzusehen, mit der der Auftrieb der Pontons durch Auspressen des vorhervorhandenen Ballastwassers gesteuert werden kann. Die Kompressorstation befindetsich am Beckenrand bzw. ist im Betriebscontainer aufzustellen.

Die schwimmende Tauchtropfkörperanlage war durch entsprechende Seilbefestigungen,die an der Anlage und im Erdwall des Erdbeckens zu haltern waren, zu fixieren. Aneiner Seilverbindung waren auch die entsprechenden Strom- und Steuerkabel sowie dieDruckluftschlauchverbindung zu haltern.Sämtliche mit Abwasser in Berührung stehende Anlagenteile waren aus Edelstahl zuerstellen. Alle anderen Anlagenkomponenten waren aus Stahl mit entsprechender korro-sionsbeständiger Beschichtung zu versehen.

6.2.2.3 Pumpen und Verrohrung für die Tauchtropfkörperpilotanlage

Da die Tauchtropfkörperanlage Pilotcharakter besaß und sich im Laufe der Betriebspha-se die Verrohrung entsprechend änderte, wurde die komplette Verrohrung als lösbarefliegende Schlauchleitung erstellt.

Die einzubauenden Armaturen waren entsprechend im Boden zu verankern und zu hal-tern. Eine witterungs- und korrosionsbeständige Ausführung der Armaturen war vorzu-sehen und einzuplanen. Dabei war auf eine lösbare Schlauchverbindung zu achten.





Die zu liefernden Pumpen waren ebenfalls in witterungs- und korrosionsbeständigerForm auszustatten und im Boden zu fixieren. Dabei war auf eine lösbare Schlauchver-bindung zu achten.

6.2.2.4 Betriebseinrichtungen für die Tauchtropfkörperpilotanlage

Für die Unterbringung der Steuereinheit, der Laboreinrichtung usw. war ein Be-triebscontainer vorgesehen. Im entsprechenden Titel des Leistungsverzeichnisses wardie Ausstattung diese Betriebscontainers detailliert beschrieben.

6.2.2.5 Messtechnik für die Tauchtropfkörperpilotanlage

Für die Steuerung und online-analytische Überwachung des Betriebsablaufes warenverschiedene Online-Messgräte inklusive Probenahmeeinrichtung usw. vorgesehen.Diese Einrichtungen und Messgeräte waren im vorstehend aufgeführten Betriebs- undLaborcontainer aufzustellen und anzuschließen.

6.2.2.6 Schalt- und Steuertechnik für die Tauchtropfkörperpilotanlage

Die Schalt- und Steuerungstechnik übernimmt die Steuerung der Tauchtropfkörperanla-ge inklusive der vorgesehenen Pumpen und Automatikarmaturen.

Des Weiteren speichert sie die ankommenden Messwerte und Steuersignale, wertet die-se aus und gibt diese weiter an das Prozessvisualisierungssystem und an die Steuerungder Kläranlage Nordhorn.

Die Prozessvisualisierung ermöglicht einen steuernden Eingriff in die gesamte Anlagesowie die Datensicherung und Auswertung der vorhandenen Messwerte und Signale.

Die von der Tauchtropfkörperanlagensteuerung über Kommunikationsschnittstellen undvorhandene Standleitungskabel an das PLS der Kläranlage Nordhorn weitergegebenenMesswerte und Signale sind in das PLS der Kläranlage Nordhorn eingebunden, werdendort ausgewertet und mit dem Auslastungsgrad der Kläranlage Nordhorn abgestimmt.Anschließend laufen vom PLS der Kläranlage Nordhorn Steuerungsbefehle an dieSteuerung der Tauchtropfkörperanlage zurück, um einen auf den Kläranlagenbetriebabgestimmten Betrieb der Tauchtropfkörperanlage zu ermöglichen.





Die Ausführung der Hard- und Software wie auch die Verdrahtung und Programmie-rung der Steuer-, Kommunikations- und PLS-Einheiten erfolgte komplett nach den gel-tenden Regeln und Richtlinien nach dem geltenden Stand der Technik.

Sämtliche auf der Kläranlage Nordhorn durchgeführten Arbeiten waren mit der Kläran-lage Nordhorn einvernehmlich abzustimmen. Dabei war zu gewährleisten, dass derKläranlagenbetrieb dauerhaft aufrecht erhalten wird. Dadurch evtl. bedingte Erschwer-nisse waren in die Einheitspreise der entsprechenden Leistungspositionen einzukalkulie-ren. Aus diesem Grund war es aus Sicht des Auftraggebers zwingend, dass sich der An-bieter vor Angebotsabgabe vor Ort über die auf der Kläranlage Nordhorn installierteSteuerungs- und PLS-Technik informiert.

6.2.2.7 Lagerstation

Im Titel 4 des Leistungsverzeichnis (ANHANG) sind die entsprechenden Leistungen sodetailliert wie möglich beschrieben.

6.2.3 Erläuterungen zur Ausführung und Ausstattung der Steuerungstechnik

6.2.3.1 Steuer-, Regelungs- und Auswertungsaufgabenstellungen für den Be-trieb der mobilen Versuchs- und Demonstrationsanlage

Der Betrieb der mobilen Versuchs- und Demonstrationsanlage erforderte im Wesentli-chen folgende Aufgabenschwerpunkte:

- Erfassung aller wesentlichen Mess- und Kenndaten und Generierung von Grenz- undSteuer- bzw. Regelwerten zur Steuerung der Anlage.

- Realisierung von Sicherheitsschaltungen wie Anlagenstop bei minimalem Füllstandim Reaktor, Schlammwasserzugabe bei minimalem Füllstand im Reaktor, Unterbre-chung des Schlammwasserablaufs bei minimalem Füllstand im Reaktor usw.

- Steuerung der Zulaufmengen zur Vergleichmäßigung von diskontinuierlich anfallen-dem Schlammwasser, zur Einhaltung eines wählbaren Füllstandes im Reaktor, zurRealisierung eines konstanten Abbaugrades bei variablem Zulauf usw.





- Steuerung der Pausen- und Betriebszeiten des Rotationstauchtropfkörpers über va-riable einstellbare Zeitvorgaben oder über frei einstellbare Grenz- bzw. Sollwertvor-gaben von Online-Messungen wie Redoxpotential sowie Nitrat- und Ammonium-messungen.

- Steuerung von Zulauf-, Nitrifikations-, Denitrifikations-, Absetz- und Ablaufphasenim SBR-Betrieb über variabel einstellbare Zeitvorgaben oder über frei einstellbareGrenz- bzw. Sollwertvorgaben von Online-Messungen wie Redoxpotential sowieNitrat- und Ammoniummessungen.

- Steuerung der Ablaufmengen über Mengenmessung bzw. Füllstandsmessungen zurEinhaltung eines wählbaren Füllstandes im Reaktor, zur Realisierung eines konstan-ten Abbaugrades usw.

- Gezielte Steuerung der Ablaufmengen in den Zulauf der Belebungsstufe der jeweili-gen Kläranlage vorzugsweise in Schwachlastphasen. Hierzu sind die Ammonium-frachten aus dem Zulauf der jeweiligen Kläranlage zu ermitteln und mit den Ablauf-werten des Reaktors zu vergleichen. Wenn die Belastung der Kläranlage ausreichendgering ist, kann in Abhängigkeit von der Stickstoffbelastung im Reaktor das vorbe-handelte Schlammwasser in definierten Mengen dem Klärprozess zugeführt werden.

6.2.3.2 Anforderungen an die Steuer- und Regelungstechnik der Versuchs- undDemonstrationsanlage

Die Komplexität und Vielzahl der unter Punkt 1 aufgelisteten Steuer- und Regelungsva-rianten sowie der zeitliche Ablauf der einzelnen Steuer- und Regelfunktionen über dengesamten Tag hinweg kann durch eine manuelle Steuerung mit vertretbarem personellenAufwand nicht sinnvoll realisiert werden. Eine Automatisierung der wesentlichen, inder Regel immer wiederkehrenden Steuer-, Regel- und Sicherheitsfunktionen, mittelseiner geeigneten Schalt- und Steuerungstechnik ist somit zwingend geboten.





Die erforderliche Schalt- und Steuertechnik hatte dabei folgende Anforderungen zu er-füllen:

- Die Steuerungstechnik musste dem Stand der Technik entsprechen und in den we-sentlichen Sicherheitsfunktionen notfalls auch von geschultem Personal der jeweili-gen Kläranlage bedient werden können.

- Die Steuerungstechnik sollte unabhängig von der vorhandenen Steuertechnik derjeweiligen Kläranlage alle erforderlichen Steuer-, Regelungs- und Auswertfunktio-nen selbständig erfüllen können, so dass lediglich Daten zwischen der Versuchsanla-gensteuerung und der Kläranlagensteuerung ausgetauscht werden müssen. Sie musstedaher mit der Hardware der Versuchsanlage mobil an verschiedenen Orten eingesetztwerden können.

- Die Steuerungstechnik musste einen schnellen und zuverlässigen Datenaustauschzwischen der jeweiligen Kläranlagensteuerung und der Versuchsanlagensteuerungermöglichen. D.h., die Steuerungstechnik musste über standardisierte und kompatibleSchnittstellen verfügen.

- Die Steuertechnik musste flexibel aufgebaut und ausgestattet sein, damit sie kurzfri-stig ohne großen Aufwand für evtl. Umverdrahtungsarbeiten auf verschiedene Ver-suchssituationen (andere Kläranlage, Umrüstung halbtechnischer Anlage auf groß-technische Anlage usw.) umgestellt werden konnte.

- Die Steuertechnik musste ohne steuer- und elektrotechnische Spezialkenntnisse vomversuchsbetreuenden Personal über Sollwert- und Grenzwertvorgabe sowie über ein-fache Auswahlmechanismen auf die jeweiligen Versuchsbedingungen eingestelltwerden können.

Diese Anforderungen konnten in ausreichendem Umfang nur durch den Einsatz einerspeicherprogrammierbaren Steuerung (SPS) erfüllt werden (der Einsatz einer einfachenSchütztechnik war insbesondere aufgrund der erforderlichen Flexibilität und der gefor-derten Datenkommunikation mit den jeweiligen Kläranlagensteuerungen nicht zweck-mäßig).





6.2.3.3 Ausstattung der Steuerungstechnik

Zur Realisierung der vorgenannten Aufgaben und Anforderungen sind die nachfolgendaufgeführten wesentlichen Steuerungskomponenten installiert worden:

a) Hauptbaugruppe der Speicherprogrammierbaren Steuerung,b) Ein- und Ausgabebaugruppen,c) Software für die SPS-Programmierung,d) Visualisierungskomponenten,e) Software für die Visualisierung (Verfahrensdarstellung, Simulation, Datenspei-

cherung).

a) Hauptbaugruppe

Die Hauptbaugruppe besteht im Wesentlichen aus der CPU-Einheit mit dem Ar-beitsspeicher und der erforderlichen Hardware sowie der Stromversorgung, den Si-cherungen und den erforderlichen Schnittstellenkarten bzw. Busverbindungen. Inder Hauptgruppe ist das eigentliche Steuerungsprogramm hinterlegt, mit dem an-kommende Daten ausgewertet und die einzelnen Anlagenkomponenten gesteuertwerden. Durch die freie und flexible Programmierung der SPS kann die Steuertech-nik an die unterschiedlichsten Steuer-, Regel- und Auswertaufgaben problemlosangepasst werden.

Die Hauptbaugruppe verfügt auch über entsprechende Schnittstellen zur Anbindungvon externen Datenübertragungskomponenten (z.B. für den Anschluss an das Da-tenkommunikationssystem von Kläranlagen). Auf diese Weise können Daten vonder Kläranlagensteuerung (z.B. Mengen- und Konzentrationsangaben) an die SPSder Versuchsanlagensteuerung übergeben werden. Mit diesem Datenaustausch kanndie Schlammwasserzugabe des Versuchsanlagenablaufs in die jeweilige Kläranlagegesteuert werden.





b) Ein- und Ausgabebaugruppen

Über die Eingabebaugruppen werden die einzelnen Anlagenkomponenten (Pumpen,Elektroschieber, Online-Messungen usw.) an die Hauptgruppe angebunden. DieAusgabebaugruppen wandeln die Steuerbefehle der Hauptbaugruppe in Steuersi-gnale für die einzelnen Anlagenkomponenten um. Durch Variation der Anzahl anEin- und Ausgabebaugruppen kann die Steuerung an unterschiedliche Prozesssitua-tionen angepasst werden. Eine spätere Nachrüstung bzw. Erweiterung der SPS umweitere Ein- und Ausgabebaugruppen ist problemlos möglich.

c) Software für die SPS-Programmierung

Die Steuerungs- und Reglungsmechanismen werden im sogenannten SPS-Progammhinterlegt. Zur Erstellung dieses Programms ist eine spezielle Software erforderlich.Die Lizenz für diese Software muss somit erworben werden.

Die Programmierung des SPS-Programms kann jederzeit wieder variiert werden.Eine Hardwareanpassung ist nur erforderlich, wenn zusätzliche Ein- und Ausgängenötig werden.

d) Visualisierungskomponenten

Um die SPS-Steuerung dem Bedienpersonal ohne fundiertes steuer- und elektro-technisches Spezialwissen (Nutzer) zugänglich zu machen, d.h. um Sollwerte,Grenzwerte und Auswahlvorgaben im SPS-Programm variieren zu können, ist eineso genannte Prozessvisualisierung erforderlich.

Die Prozessvisualisierung besteht im Wesentlichen aus einem Computer, einemMonitor sowie weiteren Eingabe- und Ausgabehilfen (Tastatur, Maus, Druckerusw.). Der gesamte Versuchsaufbau mit sämtlichen Eingriffsmöglichkeiten undOnline-Messungen wird am Monitor dargestellt. Somit wird der Prozess für denNutzer zugänglich. Über die Eingabehilfe kann der Nutzer dann selektiv auf dieeinzelnen Anlagekomponenten zugreifen und den Versuchsprozess beeinflussen.





Neben der Darstellung des Versuchsaufbaus und der Eingriffsmöglichkeit kannüber die Visualisierungskomponenten auch eine Datenerfassung, -auswertung und-speicherung erfolgen. Auch eine Datenübertragung bzw. eine Störfallbenachrichti-gung kann über die Prozessvisualisierung realisiert werden.

e) Software für die Visualisierung

Für Realisierung der Versuchsvisualisierung wird die entsprechende Visualisie-rungs-, Auswertungs- und Dokumentationssoftware benötigt.

Die Kostenansätze für die Bereitstellung der vorgenannten Steuerungshardware und-software sind in den Positionen 4, 5, 6 und 10 der dem Antrag beigefügten Kosten-schätzung zu entnehmen.

6.2.4 Bauauftrag und -durchführung

Als Ergebnis der Ausschreibung wurde ein Auftrag für die schlüsselfertige Erstellungder Versuchsanlage an die Nordhorner Firma Werkstätten GmbH vergeben.

In der anliegenden Geräteliste (Anlage A 2) ist zusammengestellt, welche Anlagenkom-ponenten dem Antrag und Zuwendungsbescheid zugrunde lagen und wie die Anlageschlussendlich ausgeführt wurde (die Abweichungen sind geringfügig und standorttech-nisch bedingt; wie seinerzeit in den Antragserläuterungen (dort Kapitel 5.1.2, S. 14)ausgeführt, war die Anlagenplanung Gegenstand des Arbeitsplanes des Vorhaben, sodass sich die o.g. Änderungen auch erst im Rahmen der Vorhabensabwicklung ergebenkonnten und insoweit auch nicht als Abweichung von der eigentlichen Vorhabenspla-nung zu betrachten sind).





6.2.5 Zusatzleistungen zur Lieferung/Grundmontage der Versuchsanlage

Der AN hatte die nachstehenden Zusatzleistungen zu erbringen und, soweit im nachste-henden LV nicht gesondert ausgewiesen, in die einzelnen Positionen einzukalkulieren:

a) Komplette Planung der Anlage (Basic and Detail Engineering) mit allen erforderli-chen Angaben zur Konstruktion der Einzelteile und Herstellung der Gesamtanlage(Leistungsverzeichnis).

b) Mitbetreuung der Inbetriebnahme der Anlage einschließlich kleinere Montagear-beiten, soweit diese günstiger durch Personal vor Ort als durch den Lieferanten derAnlage erledigt werden können, einschließlich Erbringung des Funktionsnachwei-ses mit der notwendigen Leistungsfahrt und den notwendigen Leistungsmessungen.

c) Betriebstechnische Anpassung der Anlage nach den Erfordernissen, welche sichnach zweiwöchigem Einfahrbetrieb ergeben. Die Anpassung beinhaltet auch kleine-re Umbauten, Ergänzungskonstruktionen usw., soweit funktionstechnisch entspre-chend der Aufgabenstellung erforderlich.

d) Funktionsgarantie der Gesamtanlage einschließlich Vollständigkeits-Garantie dereingesetzten Teile.Der AN übernimmt alle evtl. Zusatzkosten, welche daraus resultieren, dass Einzel-teile der Versuchsanlage nicht sachgerecht dimensioniert, konstruiert, montiert, po-sitioniert usw. sind, außerdem Kosten für evtl. fehlende Teile. Ausgenommen sindlediglich jene Kosten, die sich durch Änderungen der Leistungsanforderungen oderder technischen Randbedingungen ergeben, welche auf Wunsch oder innerhalb derausschließlichen Einflusssphäre des Auftraggebers entstanden sind.





7. Inbetriebnahme

Zu Beginn der Einfahrphase Mitte April 2003 standen zwei verschiedene Schlammwäs-ser auf der Kläranlage (KA) Nordhorn zur Verfügung, da neben dem Überschuss- undPrimärschlamm der KA Nordhorn zu diesem Zeitpunkt auch der Faulschlamm der KABillerbeck auf der KA Nordhorn entwässert wurde. Die zur Verfügung stehendenSchlammwässer wiesen im Mittel die in Tabelle 4 aufgezeigten Konzentrationen auf.Zum Vergleich sind die Konzentrationen für Schlammwasser entsprechend des Merk-blattes M 366 der ATV angegeben.

Tabelle 4: Mittelwerte der Konzentrationen im SchlammwasserSchlammwasser

NordhornSchlammwasser

BillerbeckSchlammwasser

ATV M 366mg/l mg/l mg/l

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BSB5 380 350 200 – 6.000NH4 100 550 100 – 1.200NO3 5 1,7 --NO2 0,2 0,05 --Nges 150 730 150 – 1.600

Die Inbetriebnahme des Tauchtropfkörpers auf der KA Nordhorn erfolgte am 16.04.2003.

Der ehemalige Biofilter (nachfolgend Behälter genannt) wurde mit Schlammwasser derKA Billerbeck (Filtrat Kammerfilterpresse) befüllt, da dies die höheren Ammonium-konzentrationen aufwies, und der rotierende Tropfkörper in Drehung versetzt. ZumAnimpfen wurden zusätzlich 2 m³ Rücklaufschlamm aus der Belebungsanlage der KANordhorn hinzugegeben. Weiterhin wurde im Behälter eine Tauchpumpe zur Umwäl-zung installiert.





Zur Unterstützung des Wachstums der Nitrifikanten wurde eine Heizspirale im Behälterbefestigt (siehe Abbildung 11), um das Schlammwasser im Behälter auf ca. 15 bis 20°Czu erwärmen, da die Abwassertemperaturen zu Beginn der Inbetriebnahme der Ver-suchsanlage zwischen 10°C und 13°C und somit unter einer Minimaltemperatur von12°C lagen.

Anmerkungen Temperatur:Neben dem Einfluss der Temperatur auf das Dissoziationsgleichgewicht und die Ge-schwindigkeit der ablaufenden Reaktionen, hat die Temperatur aufgrund der unter-schiedlichen von der Temperatur abhängigen Wachstumsraten der Ammonium- undNitritoxidierer noch eine weitere wesentliche Bedeutung. Die maximale Wachstumsrateist eine bakterienspezifische Größe, die ein Maß für das unlimitierte Wachstum bei Sub-stratüberschuss ist. Die Temperaturabhängigkeit der Wachstumsgeschwindigkeit ist fürdie Ammoniumoxidierer anhand der Gattung Nitrosomonas und für die Nitritoxidiereranhand der Gattung Nitrobacter ermittelt worden [Bever, Stein u.a., 1995]. Die Wachs-tumsraten der Ammoniumoxidierer sind bis zu einer Temperatur zwischen 25 und 30°Ckleiner als die Wachstumsraten der Nitritoxidierer. Ab der Temperatur von 28,7°C sol-len die Ammoniumoxidierer schneller wachsen. Die bei Temperaturen unter ca. 29°Cschneller wachsenden Nitritoxidierer sind normalerweise aufgrund der langsamer wach-senden Ammoniumoxidierer durch die Bildung des Nitrits limitiert. Ohne sonstige Stö-rungen sollte bis ca. 29°C keine Nitritakkumulation stattfinden. Bei erhöhten Tempera-turen, wie z.B. ab ca. 30°C, besteht die Möglichkeit einer Nitritakkumulation, da danndie Wachstumsrate der Ammoniumoxidierer größer ist als die der Nitritoxidierer.

Die Heizung wurde Ende Mai außer Betrieb genommen, da die Außentemperaturenanstiegen und das Abwasser konstant Temperaturen zwischen 17°C und 23°C aufwies.Der eigentliche Versuchsbetrieb erfolgte ohne Heizung.

Anfang Juni konnte ein starkes Absinken des pH-Wertes im Behälter festgestellt werden(< 6). Aufgrund der geringen Veränderungen der Stickstoffkonzentrationen war davonauszugehen, dass dies nicht infolge einer beginnenden Nitrifikation geschah. Die Über-prüfung der Versuchsanlage führte zu dem Ergebnis, dass der Behälter am 12.06.2003vollständig entleert wurde. Die unzureichende Umwälzung (Tauchpumpe) hatte ein Ab-setzen des zugegebenen Rücklaufschlammes ermöglicht, was zu anaeroben mikrobiolo-gischen Abbauprozessen am Behälterboden führte. Dies erklärte das Absinken des pH-Werts aufgrund der Bildung von organischen Säuren. Der Schlamm wurde entfernt undder Behälter gesäubert.





Zur Verbesserung der Durchmischung wurde eine zweite Tauchpumpe in den Behältergesetzt. Da sich bis zu diesem Zeitpunkt (Betriebszeit 16.04. bis 12.06.2003) kein aus-reichender Biofilm gebildet hatte, wurde der Behälter mit dem Ablauf Vorklärung derKA Nordhorn gefüllt, um die Stickstoffbelastung zunächst zu verringern. Zusätzlichwurden 1.800 l Schlammwasser der KA Nordhorn hinzugegeben, um die Ammonium-konzentration anzuheben. Damit lagen die Ammoniumkonzentrationen im Behälter mitca. 60 mg/l etwas höher als bei kommunalem Abwasser (~ 50 mg/l).

Die Beschickung des Behälters erfolgte in dieser Zeit unregelmäßig, es wurde jedochversucht die Stickstoffbelastung im Behälter konstant zu halten. Der Stickstoff lag imBehälter überwiegend in Ammoniumform vor. Neben Ammonium konnte ein relativkonstanter Anteil an organisch gebundenem Stickstoff von ca. 16 % der Gesamtstick-stoffbelastung festgestellt werden. Nitrat und Nitrit konnten in der Regel nicht oder nurin sehr geringen Mengen nachgewiesen werden.

Ab Mitte Juni konnte eine deutliche Bildung von Biofilm auf der Kunststoffoberflächedes rotierenden Tropfkörpers festgestellt werden. Somit wurde der Beginn der Untersu-chungen auf Anfang Juli festgelegt.

7.1 Vorlagebehälter

Im Rahmen der Vorbereitungen für die erste Versuchsphase wurde ein Vorlagebehälterfür das Schlammwasser in Betrieb genommen. Dies diente in erster Linie dazu, weitge-hend konstante Zulaufverhältnisse gewährleisten zu können, und zum anderen das unre-gelmäßig anfallende Schlammwasser aus der Kammerfilterpresse zu speichern.

Der Vorlagebehälter besitzt ein Volumen von 25 m³. Bei der Beschickung der Ver-suchsanlage mit geringen Schlammwassermengen (2.000 bis 7.000 l/d) kann eine konti-nuierliche Beschickung über bis zu 10 Tagen gewährleistet werden.

Im Rahmen des Betriebes wurde allerdings so weit wie möglich davon abgesehen, dasSchlammwasser mehr als drei Tage in dem Behälter zu speichern, da es aufgrund deshohen pH-Wertes (~ 11) zu Ammoniakausgasungen kam und somit die Ammonium-konzentration im Vorlagebehälter sank.





7.2 Umdrehungszahl des rotierenden Tropfkörpers

Die Umdrehungszahl des rotierenden Tropfkörpers belief sich zu Beginn der Einfahr-phase auf zwei Umdrehungen pro Minute. Nachdem sich kein Biofilm bildete, wurdedie Umdrehungsgeschwindigkeit auf eine Umdrehung pro Minute reduziert.

Anmerkungen Umdrehungszahl rotierender Tropfkörper:Im Vergleich zu Literaturwerten lag die Umdrehungszahl zu Beginn der Inbetriebnahmeverhältnismäßig hoch. Nach [Rheinheimer et al., 1988] darf die Geschwindigkeitsdiffe-renz zwischen Bewuchsfläche und Wasser den Wert von 20 m/min nicht überschreiten,um ein Abwaschen des Schlammes von den Bewuchsflächen zu vermeiden. In der Re-gel sollte die Umfangsgeschwindigkeit von 10 bis 16 m/min (oder 1 - 1,7 Umdrehungenpro Minute) eingehalten werden.

7.3 pH-Regulierung

Um optimale Verhältnisse für eine hohe biologische Aktivität einzustellen, wurden pH-regulierende Chemikalien in den Behälter dosiert. Optimale Verhältnisse für die Stick-stoffelimination liegen bei pH-Werten zwischen 7 und 8 vor. Bei hohen Ammonium-konzentrationen und hohen Temperaturen verschiebt sich das pH-Optimum zu niedrige-ren Werten, da sonst die Gefahr einer Hemmung durch Ammoniak besteht. Aufgrunddes hohen pH-Wertes des verwendeten Schlammwassers (~ 10) war eine pH-Wert-Regulierung während der Beschickungszeiten erforderlich. Die pH-Wert-Regulierungerfolgte zunächst per Hand durch das Betriebspersonal der KA Nordhorn. Bis zum26.06.2003 wurde Eisen(II)Chlorid in den Reaktor dosiert. Damit konnte der pH-Wertwährend der Beschickungszeiten auf ca. 8 eingestellt werden.

Die Versuchsanlage wurde mit dem Filtrat der Kammerfilterpresse beschickt. Zur Kon-ditionierung des zu entwässernden Schlammes wurde Kalkmilch eingesetzt wird. Durchdie Dosierung von Eisen(II)Chlorid zur pH-Wert-Senkung kam es zu Eisenoxidausfäl-lungen im Reaktor. Diese Ausfällungen können insbesondere auf den Aufwuchsträgernden anorganischen Anteil deutlich erhöhen und somit die biologische Aktivität erheb-lich beeinträchtigten. Deshalb wurde die pH-Regulierung auf 30 %ige Salzsäure umge-stellt, um weitere Ausfällungen zu vermeiden. Weiterhin wurde eine pH-Sonde im Re-aktor installiert, um eine möglichst einfache Kontrolle des pH-Wertes durch das Be





triebspersonal zu ermöglichen. Die Zugabe der Säure erfolgte kontinuierlich währendder Beschickung. Die benötigte Menge an Säure wurde morgens vom Betriebspersonalfür eine Beschickungszeit von 7,5 Std. errechnet und der Zufluss entsprechend einge-stellt und im Laufe des Tages mehrfach kontrolliert und ggf. angepasst. Die Anordnungist Abbildung 11 zu entnehmen.

Abbildung 11: Zulauf Schlammwasser und pH-Regulierung

Da sich die Zugabe von Salzsäure negativ auf die Messtechnik auswirkte (Zugabe vonCl--Ionen), wurde die pH-Wert-Regulierung am 25.07.2003 auf Essigsäure umgestellt.Im Rahmen dieser Umstellung wurde zusätzlich eine Dosierpumpe installiert (sieheAbbildung 12).

Heizspirale

ZulaufSchlammwasser

Heizspirale

Chemikalien-behälter





Abbildung 12: Dosierpumpe zur pH-Regulierung mit 60 %iger Essigsäure





8. Versuchsphase I

8.1 Beschickung und hydraulische Belastung der Anlage

Die Versuchsphase I wurde am 26.06.2003 gestartet. Die Beschickungsmenge wurdeauf 2.000 l/d festgelegt und auf 6.800 l/d gesteigert, wobei der Reaktor ausschließlichwährend der Arbeitszeit des Betriebspersonals beschickt wurde (7,5 h/d), um eine inten-sive Kontrolle der Versuchsanlage zu gewährleisten.

Dies entsprach einer Flächenbelastung von:

• BNH4-N = 0,4 bis 1,6 g/(m²⋅d);• BA,BSB5 = 1,1 bis 3,7 g/(m²⋅d);• BA,TKN = 0,4 bis 1,9 g/(m²⋅d).

Die Bemessungsgrößen für Rotierende-Tropfkörper-Anlagen des Arbeitsblattes A 281der ATV-DVWK liegen bei BA,TKN = 1 g/(m²⋅d) und BA,BSB5 = 6 g/(m²⋅d) und entspre-chen dem Stand der Technik.

Die Beschickung erfolgte kontinuierlich seit dem 16.06.2003 während der Arbeitszeitdes Betriebspersonals der KA, d.h. ca. 7,5 Stunden/Arbeitstag. Nachdem der Betrieb derVersuchsanlage sich weitgehend stabilisiert hatte, wurde der Reaktor ab dem12.07.2003 auch am Wochenende, allerdings nur über ca. 4 Stunden, ebenfalls mit 2 m³beschickt. Am 25.07.2003 wurde die Beschickungsmenge auf 6,8 m³/d erhöht. Diesentspricht bei einer NH4-N-Konzentration von ca. 180 mg/l 1.2 g NH4-N/(m²⋅d). Diesentspricht bei einem mittleren Anteil von 86 % der NH4-Konzentration an der TKN-Konzentration annähernd den Vorgaben der ATV-DVWK-A 281 mit 1,1 mg TKN/(m²⋅d) für rotierende Tropfkörper mit Nitrifikation.

Eine Adaption an höhere Ammoniumkonzentrationen sollte im Rahmen des Versuchs-betriebes durch eine langsame Steigerung der Flächenbelastung erfolgen. Die Überle-gungen gingen dahin, eine Ammoniumflächenbelastung von zunächst 3 g N/(m²⋅d) zuerreichen und, wenn möglich, auf bis zu 5 g N/(m²⋅d) zu steigern.





Aufgrund dieser Überlegungen war vorgesehen, zunächst die hydraulische Belastung soanzuheben, dass eine Ammoniumflächenbelastung von 3 g/(m²⋅d) hätte erreicht werdenkönnen. Dazu wäre ein Zulauf von ca. 19.000 l/d notwendig gewesen (mittlere Ammo-niumkonzentration). Die Zulaufmenge war beschränkt aufgrund der Leistungsfähigkeitder Beschickungspumpe. Die maximale Zulaufmenge lag bei 1 m³/h. Ein Zulauf von19 m³ hätte bei einem 24 Stunden-Betrieb erreicht werden können.

Bevor jedoch die Belastung entsprechend angehoben werden konnte, musste die ersteVersuchsphase am 28.07.2003 überraschend abgebrochen werden, da die Achse desRotationskörpers gebrochen war.Um die Leistungsfähigkeit des Biofilms, die sich in den letzten Versuchstagen der Pha-se I gezeigt hatte, nicht zu verlieren, wurde der Betrieb der Versuchsanlage kurzfristigumgestellt.

8.2 Ergebnisse

Die Zulaufkonzentrationen zusammen mit den entsprechenden Ablaufwerten sind inTabelle 5 zusammengestellt. In der ersten Versuchsphase konnten Abbauleistungen desAmmoniums von im Mittel 80 % erreicht werden.

Die prozentuale Bildung von Nitrit und Nitrat bezieht sich auf die umgesetzte Menge anAmmonium. Es wird deutlich, dass das umgesetzte Ammonium fast vollständig nitrifi-ziert wurde. Insgesamt war eine Abnahme des anorganischen Stickstoffs von im Mittel36 % vom Zulauf gegenüber dem Ablauf festzustellen. D.h. die Zielsetzung der Ver-suchsanlage zu nitrifizieren wurde übertroffen, da im Mittel 36 % des zulaufendenAmmoniums vollständig entfernt wurden. Dies kann auf den Einbau von Stickstoff indie Biomasse, eventuelle Denitrifikation in tieferen Biofilmschichten und auf Strip-peffekte von freiem Ammoniak zurückgeführt werden.

42 % des Ammoniumstickstoffs wurde im Mittel nitrifiziert, und bei lediglich 9 % liefdie Nitrifikation nicht vollständig sondern nur bis zur Bildung von Nitrit (Nitritation)ab.

In Abbildung 13 sind sämtliche Messwerte der aufgenommenen Stickstoffparameter inForm von Ganglinien dargestellt. Es wird noch einmal deutlich, dass das Ziel einerweitgehenden Nitrifikation erreicht wurde.

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9. Versuchsphasen II und III

Aufgrund der hohen Außentemperaturen Ende Juli musste schnellst möglich eine Lö-sung für den weiteren Betrieb der Versuchsanlage gefunden werden, um das Austrock-nen des Biofilms infolge der fehlenden Benässung zu vermeiden. Es wurde beschlossen,die Achse des rotierenden Tropfkörpers nicht zu reparieren, weil eine Reparatur denErhalt des vorhandenen Biofilms nicht ermöglicht hätte. Dementsprechend wäre einezweite Inbetriebnahme erforderlich gewesen, die eine zweite Messphase erst zumHerbst ermöglicht hätte.

Um weitere Verzögerungen innerhalb des Forschungsprojektes zu verhindern, wurdeder Aufbau der Versuchsanlage so belassen wie er war, lediglich die Benässung desBiofilms musste auf eine andere Weise erfolgen, weil aufgrund der fehlenden Drehungdes Reaktors, ein Großteil des Biofilms nicht in Kontakt mit dem zu reinigendenSchlammwasser kam. Somit wurde auf dem rotierenden Tropfkörper ein Schlauch ver-legt, der mit einer großen Anzahl von Löchern versehen wurde, so dass das Wasser überdem Kunststoffkörper verrieselt werden konnte. Dadurch konnte der Biofilm erhaltenwerden und der rotierende Tropfkörper wurde ähnlich einem konventionellen Tropfkör-per betrieben. Die Untersuchungen wurden entsprechend weitergeführt.

Abbildung 14: Versuchsaufbau in Phase II bis IV





In Versuchsphase II befand sich der rotierende Tropfkörper zu 40 % im Wasser, wäh-rend in Versuchsphase III der Wasserspiegel im Reaktor abgesenkt wurde. DasSchlammwasser wurde wie in Phase I dem Reaktor über eine Pumpe zugegeben undüber eine zweite Pumpe in den Schlauch gepumpt und verrieselt.

Die Zulaufmenge wurde im Vergleich zu Phase I erhöht. Sie betrug im Mittel 3.500 l/d.

Die Zulaufkonzentrationen lagen im Vergleich zu Phase I höher. Der Reaktor wurde miteiner Ammoniumzulaufkonzentration von im Mittel 170 mg/l beschickt. Dies entsprichteiner Flächenbelastung Bd,NH4-N von 0,58 g/(m²⋅d) bzw. einer Flächenbelastung vonBA,TKN = 1,16 g/(m²⋅d).

Gegenüber Phase I ließen die Abbauleistungen in Phase II erheblich nach. Die Ammo-niumkonzentration im Zulauf konnte gegenüber dem Ablauf um im Mittel 40 % verrin-gert werden.

In Phase III wurde der Wasserspiegel unter den Reaktor abgesenkt. Es konnten über 20Tage keine Änderungen der Stickstoffkomponenten festgestellt werden. Die Abbaulei-stung sank somit auf null. Aufgrund der Ergebnisse der Phase III wird vermutet, dassdie gesamte Abbauleistung der Phase II von dem eingetauchten Teil des ehemaligenrotierenden Tropfkörpers verursacht wurde. Die Sauerstoffgehalte im Reaktor lagen inder Regel über 2 mg/l, so dass eine Nitrifikation möglich war. Der Reaktor funktioniertesomit ähnlich einem getauchten Festbett.

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10. Versuchsphase IV

Nachdem Phase III keine Ergebnisse geliefert hatte, wurde beschlossen, die letzten Ver-suche nochmals mit hoch Stickstoff belastetem Abwasser durchzuführen. Zu diesemZeitpunkt stand auf der KA Nordhorn kein Schlammwasser mit hohen Ammoniumkon-zentrationen zur Verfügung. Da der Transport eines hoch belasteten Schlammwassersvon einer anderen Kläranlage sehr kostenintensiv gewesen wäre, wurde beschlossen,halbsynthetisches Abwasser für die Versuche zu verwenden.

Anmerkungen halbsynthetisches Abwasser:Für das halbsynthetische Abwasser wird der Ablauf der Nachklärung der KA Nordhornmit Ammoniumhydrogencarbonat auf die gewünschte Ammoniumkonzentration aufge-stockt. Es wurde Ammoniumhydrogencarbonat gewählt, da das Ammonium nach deranaeroben Schlammstabilisierung überwiegend in dieser Form anfällt. Eine ausreichen-de Säurekapazität von Hydrogencarbonat ist zudem für eine erfolgreiche Nitrifikationwünschenswert. Auf die derzeit zur pH-Regelung eingesetzte Säuredosierung kann dannverzichtet und somit erhebliche Mengen an Chemikalien eingespart werden.

Um die Biozönose des Biofilms durch eine abrupte Umstellung auf hohe Ammonium-konzentrationen nicht zu schädigen, wurde die Ammoniumkonzentration im Behälterzunächst auf ~ 400 mg/l eingestellt. Anstellend wurde das Schlammwasser für9 Wochen in dem Behälter gespeichert. Der pH-Wert wurde reguliert und im Mittel auf7,4 eingestellt.

Es erfolgte keine Beschickung. Das Schlammwasser wurde weiterhin wie in Phase IIüber dem Reaktor verrieselt. Ziel war festzustellen, ob eine Abhängigkeit der Abbaulei-stung von der "Zulaufkonzentration" bestand. Die Abbauleistung des Ammoniums warin den ersten Tagen nahe null. Bis zum 30. Untersuchungstag konnte die Ammonium-konzentration halbiert werden. Nachdem die Konzentration auf 120 mg/l gesunken war(39. Untersuchungstag), stieg die Abbauleistung an und der Rest der Ammoniumkon-zentration konnte innerhalb von 18 Tagen auf unter 2 mg/l gesenkt werden (Abbaulei-stung im Schnitt von 27 %).

Allerdings fand keine vollständige Nitrifikation statt, da ein Großteil des Ammoniumsnur bis zum Teilschritt Nitrit reduziert wurde.

Die Veränderung der Stickstoffkonzentrationen ist in Abbildung 16 dargestellt.

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11. Stickstoffumsatz im rotierenden Tropfkörper

Ausgangspunkt des Forschungsvorhabens war, den Reaktor als Nitrifikationsreaktor zubetreiben, d.h. im rotierenden Tropfkörper wird der Ammoniumstickstoff durch Nitrifi-kation zu Nitrat bzw. Nitrit oxidiert. Es ist davon auszugehen, dass neben der klassi-schen Nitrifikation auch andere Prozesse der Stickstoffumwandlung im rotierendenTropfkörper stattfinden bzw. stattfinden können. Die denkbaren Umwandlungsprozessesind dabei sehr vielfältig.

Mit Hilfe von Annahmen soll die Beteiligung dieser Prozesse an der Stickstoffum-wandlung später abgeschätzt werden. Zunächst soll nur bilanziert werden, wie vielStickstoff in welcher Form dem rotierenden Tropfkörper zu- und abfließt.

Im optimalen Fall nimmt die Konzentration von Ammonium im Behälter ab, währenddie Konzentration von Nitrat/Nitrit zunimmt. Zu beobachten ist, ob die Abnahme vonNH4-N der NO3/NO2-Zunahme entspricht. Entspricht die NH4-N-Abnahme nicht derNO3/NO2-Zunahme oder wird festgestellt, dass Stickstoff im rotierenden Tropfkörpernicht nur umgewandelt, sondern auch aus dem Schlammwasser entfernt wird, so sinddies Hinweise, dass vermutlich neben der klassischen Nitrifikation auch andere Prozes-se der Stickstoffumwandlung stattfinden. Anhand der Randbedingungen im rotierendenTropfkörper und der Abnahme der Edukte kann abgeschätzt werden, welche Prozesse inwelchem Maß an der Ammoniumelimination beteiligt waren.

Im Fall der durchgeführten Untersuchungen ist zu sagen, dass in Versuchsphase I eineweitgehende Nitrifikation stattgefunden hat. Neben dem Abbau von Ammonium zuNitrat wurde ein Teil des anorganischen Stickstoffs vollständig aus dem System ent-fernt. Neben der klassischen Nitrifikation waren folgende Prozesse der Ammoniumum-wandlung/-entfernung denkbar:

• simultane Denitrifikation

Wenn in einem biologischen Abwasserreinigungssystem aerobe und teilweise anoxi-sche Bedingungen herrschen, kann das in aeroben Zonen gebildete Nitrat/Nitrit inden anoxischen Zonen denitrifiziert werden, falls biologisch umsetzbare Kohlen-stoffquellen zur Verfügung stehen. Somit kann ein Teil des Ammoniums zu Nitratbzw. Nitrit oxidiert und als solches unmittelbar denitrifiziert werden.





In der Versuchsanlage sind die Voraussetzungen für eine simultane Denitrifikationideal. Aerobe Bedingungen herrschen vor allem im Biofilm (Belag) während derAuftauchphase und abhängig von der Belastung auch im Behälter. In Abhängigkeitvon der sich einstellenden Schichtdicke des Biofilms können sich anaerobe Zonen intieferen Schichten des Biofilms bilden. Dies wurde in der Vergangenheit bei vielenFestbetten beobachtet.

Die Beteiligung dieses Prozesses kann allerdings allein durch eine Bilanzierung vonStickstoffkomponenten im Zu- und Ablaufstrom nicht erfasst werden. Der Anteillässt sich aber über den CSB-Abbau im rotierenden Tropfkörper abschätzen.

Es ist davon auszugehen, dass ein Großteil des abgebauten Ammoniums durch De-nitrifikation aus dem System entfernt wurde.

• anoxische Ammonium-Oxidation (Anammox)

Der Anammox-Prozess ist dadurch gekennzeichnet, dass Ammonium von auto-trophen Mikroorganismen als Elektronendonator für die Nitritreduktase genutzt wird.Die praktische Anwendung dieser anoxischen Ammoniumoxidation gestaltet sichderart, dass in einem ersten Schritt der Nitritation das notwendige Substrat Nitritproduziert wird, welches dann mit (noch vorhandenem) Ammonium in einem nahezuequimolarem Verhältnis zu molekularem Stickstoff umgesetzt wird.

Folgende Voraussetzungen müssen in einem System für den Anammox-Prozess ge-geben sein:

- Der Anammox-Prozess wurde bisher vor allem bei erhöhten Ammonium-, Nitrat-und vor allem Nitrit-Konzentrationen beobachtet.

- Die Bedingungen müssen vorwiegend anoxisch sein.

- Der Prozess wird besonders häufig in Festbettreaktoren wie rotierende Tropfkör-per beobachtet.





Findet die Ammoniumelimination über diesen Prozess statt, muss ein Zusammen-hang zwischen dem vermutlichen Anammox-Umsatz und der Ammonium- und vorallem Nitritkonzentration im Behälter erkennbar sein. Nitrat spielt sekundär ebenfallseine Rolle, da es leicht zu Nitrit reduziert werden kann und somit ebenfalls am Pro-zess teilnimmt.

Der Anammox-Prozess als Abbauprozess konnte in den durchgeführten Versuchennicht beobachtet werden. Allerdings konnte in Phase IV eine Nitritakkumulation er-folgen, die als Betriebsbedingung für den Anammox-Prozess zwingend notwendigist.

• Einbau von Stickstoff in Biomasse

Durch die Entnahme von Überschussschlamm aus biologischen Abwasserreini-gungsanlagen wird Stickstoff aus dem System entfernt. Speziell beim Rotierenden-Tropfkörper-Verfahren entsteht in der Regel vergleichsweise wenig Überschuss-schlamm. Dies gilt insbesondere dann, wenn die Anlage als Nitrifikation ausgelegtist und entsprechend niedrig mit biologisch umsetzbarer Organik belastet wird.

Während der Untersuchungszeiträume wurde kein Überschussschlamm aus dem Sy-stem entnommen, so dass dem Einbau von Stickstoff in die Biomasse im rotierendenTropfkörper keine nennenswerte Rolle bei der alternativen Ammoniumeliminationzukommt.

• Ammoniakemissionen

In Abhängigkeit von der Temperatur, dem pH-Wert und der Ammoniumkonzentrati-on kann ursprünglicher Ammoniumstickstoff als gelöster Ammoniak (NH3) in derFlüssigkeit vorliegen und durch Strippung als Gas aus dem System entweichen. Diegroße Oberfläche des rotierenden Tropfkörpers begünstigt den Gasaustausch mit derAtmosphäre. Deshalb ist die Ammoniak-Emission ein denkbarer Weg der Ammoni-umelimination im rotierenden Tropfkörper.





Wenn die Ammoniak-Emission eine tragende Rolle bei der alternativen Ammonium-elimination im rotierenden Tropfkörper spielen sollte, müsste ein eindeutiger Zu-sammenhang zwischen der Ammoniak-Konzentration und dem alternativen Ammo-niumabbau bestehen. Außerdem ist Ammoniak ein stark riechendes Gas, das bereitsbei sehr geringen Konzentrationen mit dem Geruchssinn deutlich wahrnehmbar istund bei 100 ppm die Atemwege stark reizt. Der Geruchsschwellenwert wird in derLiteratur mit 1 - 5 ppm, der MAK-Wert mit 25 ppm angegeben.

Da die Versuchsanlage im Freien aufgestellt ist, wird davon ausgegangen, dass Am-moniakemissionen solange sie in nur sehr geringen Mengen auftreten, nicht wahrge-nommen werden können (Wind u.ä.). Es konnten zeitweise starke Gerüche festge-stellt werden, was ein untrüglicher Hinweis darauf war, dass die pH-Regulierungnicht funktionierte. Solange der pH-Wert im Bereich von 6,5 bis 8 gehalten wurde,erscheint die Elimination von Ammonium durch Ammoniakemissionen vernachläs-sigbar.

12. Analytik und Probenahme

Das erforderliche Messprogramm wurde vor der Inbetriebnahme der Versuchsanlagefestgelegt. Es erfolgte zunächst eine stichprobenartige Überprüfung, ob die Nitrifikationals entscheidender Prozess bei der biologischen Behandlung in Gang kommt. Dafürwurden alle zwei Tage die Stickstofffraktionen (NH4, NO3, NO2) im Reaktionsbehälterkontrolliert. Zusätzlich wurden die Parameter BSB5 und CSB zweimal pro Woche be-stimmt.

Mitte Mai wurde festgelegt, dass Messprogramm auszuweiten und insbesondere dieStickstoffparameter täglich zu erfassen, da ein schwacher Biofilm auf dem Kunststoff-material wahrzunehmen war. Weiterhin wurde davon ausgegangen, dass die suspen-dierte Biomasse in der Wanne ebenfalls Kohlenstoff- und Stickstofffraktionen abbauenwürde, so dass neben der Überprüfung der Konzentration insbesondere auch eine konti-nuierliche Überprüfung des pH-Wertes notwendig wäre.





Von Mitte Mai bis zum 26.06.2003 wurde folgendes Messprogramm für den Zu- undAblauf durchgeführt:

Konzentrationen - Messung im Zulauf und im Ablauf1. CSB (täglich)2. BSB5 (täglich)3. NH4-N (täglich)4. NO3-N (täglich)5. NO2-N (täglich)6. TKN (täglich)

Weitere Parameter:7. Volumenströme (Zulauf / Ablauf) (täglich)8. pH-Wert (täglich)9. Säurekapazität (2 mal pro Woche)10. Temperatur (täglich)11. Sauerstoffgehalt (täglich)

Überprüfung:12. Geruchstest am Rotationstauchtropfkörper hinsichtlich Ammoniakstrippung

(immer die gleiche Person bitte) (täglich)Bewertung: nicht wahrnehmbar = 0; kaum wahrnehmbar = 1; deutlich wahrnehmbar= 2; stark wahrnehmbar (Reizung der Atemwege) = 3

13. Bewertung des Biofilmwachstums (immer die gleiche Person bitte) (2 malpro Woche Montag und Donnerstag)

Bei der täglichen Durchführung der Messungen ergaben sich Probleme mit der Be-triebsanalytik. Augenfällig wurde dies, da bei der Berechnung des organischen Stick-stoffanteils aus TKN und Ammonium ein negativer Wert ergab. Daraufhin wurden alleTests zur Bestimmung der Stickstoffparameter einer genauen Betrachtung unterzogenund auf eventuelle Fehlerquellen hin untersucht. Es stellte sich heraus, dass sowohl beider Nitrat- als auch bei der CSB-Bestimmung darauf zu achten ist, dass Nitritgehalte> 1 mg/l zu Mehrbefunden bei den verwendeten Küvettentests führen können, da Nitritebenfalls oxidiert wird, und somit das Messergebnis verfälschen kann.





Grundsätzlich sollten daher die Proben, bei denen mit erhöhten Nitritgehalten zu rech-nen ist, Amidosulfonsäure vorbehandelt werden, um das Nitrit durch Maskierung einerOxidation zu entziehen. Des Weiteren beeinfluss hohe Calcium- und Chlorgehalte dasMessergebnis insbesondere bei der Nitratbestimmung.

Die hohen Calciumkonzentrationen im Schlammrung von Kalkmilch bei der Entwässerung mit dvon Salzsäure (HCl) ist ebenfalls nachteilig für d

Neben der Vorbehandlung der Probe wurde derder Fa. Merck (Lieferant der Betriebsanalytik)quelle bei der Bestimmung des TKN und des Amden. Allerdings sind die oder der Fehler seit Mitaktionsbehälter) nicht mehr aufgetreten.

Um im Nachhinein den Fehler bei den Stickstofam 17.07. Proben an den Niedersächsischen LKüstenschutz (NLWK) übergeben, der eine Angraphie durchführte. Die Ergebnisse wiesen erheBSB5-Meßwertes auf, so dass dieser nachfolgendberechnet wurde.

Vom 26.06. bis zum Ende der Versuche wurde derweitert: Pges. (2mal pro Woche - Mo./Do.).

Der Nachweis der im Wasser gelösten Stickstotäglichen Betriebsanalytik auf der Kläranlage Nlytik betrieben werden, aber die Vorgänge bei lassen sich plausibel nachvollziehen.

Weitaus unbefriedigender ist die Situation bei dfemissionen der Anlage. Da diesbezüglich Messßen materiellen und finanziellen Aufwand verbuArbeit nicht möglich. Aussagen können nur m

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wasser ergeben sich durch die Dosie-er Kammerfilterpresse. Die Dosierunge Messanalytik (Chlorionen).
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Nitrat-Test daraufhin auf Empfehlung entsprechend umgestellt. Die Fehler-moniumstickstoffs wurde nicht gefun-

te Juni (Austausch des Wassers im Re-

ftests quantifizieren zu können, wurdenandesbetrieb für Wasserwirtschaft undalyse mit der Atomabsorbtionsspektro-bliche Abweichungen insbesondere des aus der CSB-Konzentration (Faktor 2)

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ffkomponenten erfolgt im Rahmen derordhorn. Damit kann keine Spurenana-der Behandlung des Schlammwassers

er Klärung der gasförmigen Stickstof-ungen mit einem vergleichsweise gro-

nden sind, sind diese im Rahmen dieserit Hilfe von Abschätzungen getroffen





werden. Im Fall von Ammoniak kann durchaus eine obere Grenze der Emissionen an-hand eigener Beobachtungen angegeben werden. Bei Lachgas und anderen Stickoxidenkann jedoch nur auf Ergebnisse ähnlicher Untersuchungen verwiesen werden. Auch dieMöglichkeiten, den Einfluss einzelner Parameter (z.B. Temperatur, pH-Wert) isoliert zuuntersuchen, sind eingeschränkt.

Somit wird deutlich, dass durch den starken Praxisbezug eine wissenschaftliche Unter-suchung nicht bis in jedes Detail stattfinden konnte. Eine detaillierte Untersuchung istallerdings aufgrund der Individualität des Schlammwassers und der dadurch bedingtenÜbertragbarkeit auf andere Anwendungsfälle ohnehin von geringem Interesse. Vielmehrsoll mit dieser Arbeit generell ein praktikabler Weg zur Schlammwasserbehandlungaufgezeigt werden, der in absehbarer Zeit wirtschaftlich und technisch einsetzbar seinwird.

Nicht zuletzt begründet sich in dem ausgeprägten Praxisbezug das Interesse an dem indieser Arbeit vorgestellten Verfahren.



Kapitel III - Verwertungsperspektiven


III. VERWERTUNGSPERSPEKTIVEN

13. Auswahlkriterien und Einsatzfelder

Wichtiger Schritt einer jeden Verwertungsplanung ist stets, die Auswahlkriterien für dieWahl von Bauweise und Verfahrensart, bezogen auf den Einzelfall, zu definieren undvor diesem Hintergrund die Stärken und Schwächen des betrachteten Verfahrens zuanalysieren und zu bewerten. Für das im Rahmen dieses Vorhabens aufgetestete Verfah-ren zur Schlammwasserbehandlung mit schwimmenden Rotationstauchtropfkörpernsind hierfür die nachgenannten Punkte zu berücksichtigen.

13.1 Schlammwasseranfall und -beschaffenheit

Maßgebende Größen für die Verfahrenswahl sind:

• die Stickstoffkonzentration im Schlammwasser,

• die tägliche, wöchentliche und saisonale Variation des Schlammwasseranfalls,

• die Säurekapazität des Schlammwassers in Verbindung mit dem Einsatz vonHilfschemikalien bei der Schlammentwässerung,

• die angestrebte Stickstoffentlastung im Zulauf der Klärwerksbiologie.

Das hier untersuchte Rotationstauchtropfkörperverfahren lässt sich vorteilhaft anwen-den, wenn

• mit der im Einzelfall zu erwartenden Reduktion an Stickstofffracht die angestrebteEntlastung der biologischen Klärwerksstufe erreicht wird(so dass auf die teureren und aufwendigeren Konkurrenzverfahren verzichtet werdenkann).





• der (im Idealfall bereits auf dem Klärwerk vorhandene) Reaktionsbehälter groß ge-nug ist, um die Variation des Schlammwasseranfalles auszugleichen(in der Regel wird davon ausgegangen, dass die Speicherkapazität mindestens eineTages-Schlammwassermenge in der belastungsintensivsten Jahreszeit aufweisensollte; das hängt von der Betriebsweise der Klärschlammentwässerung ab).

• Wie bei allen anderen Verfahren ist die Säurekapazität des Schlammwassers zu prü-fen. Durch die im hier betrachteten Rotationstauchtropfkörperverfahren stattfindendeDenitrifikation wird zumindest ein Teil der verbrauchten Pufferkapazität zurückge-wonnen2. Bei einer Konditionierung des Schlammes mit Kalk kommt es zu einerdeutlichen pH-Wert-Anhebung, Calciumcarbonat fällt dann größtenteils im entwäs-serten Schlamm aus. Dieser Effekt darf nicht so stark werden, dass es zu Be-triebsproblemen beim Rotationstauchtropfkörper kommt.

13.2 Energieverbrauch und Betriebsmittel

Um der Zielsetzung, ein einfaches und kostengünstiges Verfahren zu entwickeln, nichtzuwider zu laufen, wurde auf den Einsatz einer zusätzlichen Kohlenstoffquelle für dieDenitrifikation verzichtet. Auch die technische Alternative dazu, die Primärschlamm-versäuerung, erscheint technisch zu kompliziert. Der in den Versuchen mit dem Rotati-onstauchtropfkörperverfahren erzielte Wirkungsgrad reicht in den angestrebten Einsatz-fällen aus. Wo Wirkungsgrade erzielt werden müssen, sollte der Anwender auf andereVerfahren ausweichen (die dann entsprechend höhere Kosten und kompliziertere Tech-nologien erfordern).

2 Bei alleiniger Nitrifikation wäre mit einem kritischen Absinken des pH-Wertes aufgrund der bei der

Ammoniumoxidation entstehenden H+-Ionen zu rechnen.





13.3 Prozessstabilität

Wenn die technischen Randbedingungen gleich gehalten werden (gute Vermischung deszufließenden Schlammwassers in den Reaktor; Vermeidung von starken Unterschiedenbeim Einsatz von Hilfschemikalien für die Schlammentwässerung etc.), dann ist miteinigermaßen stabilen Abbauprozessen im Rotationstauchtropfkörperreaktor zu rech-nen. Wenn es zur Abkühlung im Winter kommt, wird auch der Wirkungsgrad des bio-logischen Stickstoffabbaus bei der Schlammwasserbehandlung zurückgehen.Wo das ein wesentliches Erfolgskriterium ist, muss der Anwender ggf. auf chemisch-physikalische Verfahren zurückgreifen.

13.4 Platzangebot und nutzbare Bausubstanz

Bei der Ertüchtigung bestehender Kläranlagen durch eine getrennte Schlammwasserbe-handlung sind das vorhandene Platzangebot und die Möglichkeit einer sinnvollen Inte-gration der erforderlichen Anlagenteile in die bestehende Behandlungstechnologie we-sentliche Beurteilungskriterien [DWA, 2005].

Weil der schwimmende Rotationstauchtropfkörper keine besonderen Anforderungen andie Beckengeometrie stellt (wenn lediglich ein sehr flaches Becken mit großer Oberflä-che zur Verfügung steht, muss ggf. zusätzlich eine Umwälzung installiert werden), kanndieses Verfahren im Einzelfall erheblich an Kosten sparen. Allerdings ist darauf zuachten, dass die Oberflächenbeständigkeit und der Schutz vor Wärmeverlusten undEmissionen im ausreichenden Maße gegeben ist.

13.5 Reststoffentsorgung

Der produzierte Überschussschlamm kann mit dem Abwasserablauf aus dem Rotati-onstauchtropfkörper-Reaktor ohne weitere Vorbehandlung den auf der Kläranlage vor-handenen Verfahrensstufen der Abwasserbehandlung zugegeben werden.





14. Wirtschaftlichkeit

Beim Vergleich unterschiedlicher Varianten zur Schlammwasserbehandlung hat dieWirtschaftlichkeit eine herausragende Bedeutung, ist sie doch in den allermeisten Fällendas wesentliche Entscheidungskriterium zur Auswahl eines bestimmten Behandlungs-verfahrens. In diesem Zusammenhang ist nochmals darauf hinzuweisen, dass sich dieUntersuchung geeigneter Varianten zur Erhöhung der Stickstoffelimination oder zurVerbesserung der Prozessstabilität auf der jeweiligen Kläranlage nicht notwendigerwei-se ausschließlich auf eine getrennte Behandlung des Schlammwassers konzentrierensollte. Die gemeinsame Behandlung im Hauptstrom erweist sich oftmals als sinnvolleAlternative.

Wie bei allen Wirtschaftlichkeitsvergleichen sollte die Auswahl eines Verfahrens aus-schließlich auf einem Vergleich der Jahreskosten unter Berücksichtigung der Investiti-ons- und der Betriebskosten, insbesondere der Entsorgungskosten bei den chemisch-physikalischen Verfahren, beruhen. Dies kann sowohl auf Basis eines Projektkosten-barwertes wie auch unter Verwendung der Jahreskosten als Summe aus Jahreskapital-und Betriebskosten erfolgen. Vielfach orientiert man sich an den Leitlinien zur Durch-führung dynamischer Kostenvergleichsrechnungen der [LAWA, 2005]. Wenn es umgebührenrechtlich belastbare Vergleichskalkulationen geht, oder gar um internationaleProjekte, dann sind evtl. andere Kalkulationsmethoden zu wählen [Rudolph, 2001].

Bei privatwirtschaftlich organisierten Klärwerksbetreibern (Stadtwerke, PPP-Gesellschaften, private Wasserdienstleistungsunternehmen) mag es erforderlich sein,die Vergleichskostenkalkulation kompatibel mit den ansonsten im Unternehmen fest-gelegten Kalkulationsrichtwerten (z.B. Zinssatz, Abschreibungszeiten) und Methoden(z.B. Auflösung von Zuschüssen etc.) durchzuführen.

Eine Beurteilung auf Basis der Jahreskosten ist gerade bei einem Vergleich der unter-schiedlichen Verfahren zur Schlammwasserbehandlung (inkl. Reststoffbehandlung und-entsorgung) unbedingt erforderlich, da diese zum Teil erheblich unterschiedliche Ko-stenstrukturen aufweisen. Neben Verfahren mit einem vergleichsweise hohen Investiti-onsaufwand bei gleichzeitig eher geringen Betriebskosten kommen auch Verfahren miteinem sehr niedrigen Investitions-, demgegenüber aber hohen Betriebskostenaufwand inFrage.





Werden die Bieter im Rahmen von Ausschreibungen mit Leistungsprogramm (Funktio-nalausschreibung) aufgefordert, die Betriebsmittelverbräuche und Betriebskosten vonden Anbietern detailliert anzugeben und zu garantieren sind, empfiehlt es sich in jedemFall, diese Angaben einer eingehenden Überprüfung zu unterziehen und im Zweifeleigene Erfahrungswerte zur wirtschaftlichen Beurteilung heranzuziehen.

14.1 Investitionskosten

Zu den häufigsten investiven Aufwendungen bei einer gemeinsamen Schlammwasser-behandlung im Hauptstrom zählen die Kosten für die Errichtung einer Dosierstation fürexterne Kohlenstoffquellen sowie im Einzelfall auch zusätzliches, für die Schlammwas-serbehandlung notwendiges Beckenvolumen. Bei der getrennten Schlammwasserbe-handlung sind sämtliche, mit dem Bau einer solchen Anlage verbundenen Kosten zuberücksichtigen. Dazu zählen insbesondere die Reaktoren zur Schlammwasserspeiche-rung und -behandlung sowie die erforderliche Verrohrung und maschinelle Ausrüstung.Sowohl bei der gemeinsamen, aber in noch viel stärkerem Maße bei der getrenntenSchlammwasserbehandlung sind die Kosten für die EMSR-Technik zu berücksichtigen,da diese Aufwendungen gerade bei komplexen Steuerungs- und Regelungsanforderun-gen einen beträchtlichen Anteil an den Gesamtkosten haben.

In Abbildung 17 sind die Investitionskosten verschiedener Verfahren zur Schlammwas-serbehandlung, wie sie sich aus einer Auswertung großtechnischer Anlagen und theore-tischer Abschätzungen ergeben [Grömping u. Seydried, 2003], dargestellt.





Abbildung 17: Investitionskostenvergleich verschiedener Verfahren zur separatenSchlammwasserbehandlung [Grömping u. Seydried, 2003]

Der Bereich des untersuchten Rotationstauchtropfkörperverfahrens ist nachträglich roteingetragen.

14.2 Betriebskosten

Die Betriebskosten der verschiedenen Verfahren weichen zum Teil erheblich voneinan-der ab und basieren auf unterschiedlichen Kostenanteilen. Die nachfolgende Aufzählungtypischer Betriebskostenanteile der Verfahren zur Schlammwasserbehandlung erhebtnicht den Anspruch auf Vollständigkeit, kann aber als Orientierung dienen und mussselbstverständlich den speziellen örtlichen Randbedingungen angepasst werden.

m

oRTK mit/ohne Reaktionsbecken (30 - 70 % N-Elimination)





14.2.1 Energiebedarf

Bedarf von elektrischer Energie ist bei allen Verfahren zu berücksichtigen. Bei denbiologischen Verfahren dominiert als wichtigster Verbraucher die Belüftung. Auch beider Luftstrippung wird der Gesamtenergiebedarf wesentlich durch das Strippluftgebläsebestimmt. Als weiterer Energiebedarf ist auch die thermische Energie zu berücksichti-gen. Dies betrifft vor allem die Dampfstrippung mit ihrem verfahrensbedingten erhebli-chen Wärmebedarf.

Speziell für das untersuchte Rotationstauchtropfkörper-Verfahren fallen die Stromko-sten zum Antrieb des Rotationstauchtropfkörpers an (fallweise evtl. weitere Stromko-sten für ein Zwischenpumpwerk).

14.2.2 Einsatz von Hilfsstoffen

Hilfsstoffe, z.B. Entschäumer, Natronlauge, Schwefelsäure, sind bei vielen Verfahrenzur Vorbehandlung des Schlammwassers oder zur Prozesssteuerung und-unterstützung erforderlich und können in Abhängigkeit des gewählten Verfahrens dieJahreskosten substantiell beeinflussen.

Für den untersuchten Rotationstauchtropfkörper fielen phasenweise keine Kosten fürHilfsstoffe an. Zeitweise musste jedoch zum pH-Wert-Ausgleich Säuren und Laugeneingesetzt werden.

14.2.3 Reststoffentsorgung

Bei allen Verfahren fallen Prozessreststoffe zur Entsorgung an, die unter Umständenerhebliche Betriebskosten verursachen können. Daneben kann vor allem das Ammoni-akwasser, das bei der Dampfstrippung als Reststoff anfällt, mit Erlös verwertet werden.Trotz der prinzipiellen Verwertbarkeit der Reststoffe aus der Strippung sollte unbedingtim Angebotsverfahren mit dem Anbieter der Strippanlage eine vertragliche Regelunghinsichtlich der Entsorgung bzw. Verwertung der Rückstände angestrebt werden. Inwie-fern dies zukünftig auch für Fällungsprodukte beim Einsatz der Struvitfällung möglichsein wird, ist derzeit nicht abzusehen. Trotz der Diskussion um eine Rückgewinnungdes Nährstoffs Phosphor aus Abwasser, wozu prinzipiell auch die Struvitfällung vorallem in Kombination mit einer vermehrten biologischen Phosphorelimination geeignetist, muss die Verwertung dieses Reststoffes mit Erlös eher skeptisch bewertet werden.





Beim untersuchten Rotationstauchtropfkörperverfahren fielen keine quantifizierbarenKosten für die Reststoffentsorgung an. Bei großen Anlagen sollte man jedoch den theo-retischen Anfall an Überschussschlamm rechnerisch ermitteln, der mit dem behandeltenAbwasser in das Klärwerk zurückgeleitet wird.

14.2.4 Personalkosten

Die Personalkosten sind ebenfalls bei den Betriebskosten mit zu berücksichtigen. ImAllgemeinen ist der notwendige Betreuungsaufwand für eine getrennte biologischeSchlammwasserbehandlung eher gering und kann mit einem Personalbedarf von minde-stens 0,5 MAa abgeschätzt werden. Bei Strippanlagen liegt er erwartungsgemäß höherund kann zu 1 bis 1,5 MAa abgeschätzt werden.

Auf Basis dieses Vorhabens lassen sich die Personalkosten für das Rotationstauchtropf-körperverfahren nicht exakt angeben. Der Personalaufwand entstand vorwiegend für dieDurchführung der Messung, für die Beseitigung von "Kinderkrankheiten" und die Repa-ratur der Versuchsanlage.

14.2.5 Wartungs- und Instandhaltungskosten

Die Wartungs- und Instandhaltungskosten der Maschinen- und Elektrotechnik könnenin Abhängigkeit ihrer Komplexität mit einem prozentualen Anteil von etwa 3 bis 5 %/abezogen auf die Investitionskosten abgeschätzt werden. Der korrespondierende Wert fürdie Bautechnik liegt bei etwa 0,5 bis 1 %/a.

In Tabelle 6 sind Bereiche für Betriebsmittelverbräuche und Reststoffentsorgungsko-sten für verschiedene Verfahren der getrennten Schlammwasserbehandlung zusammen-gestellt.

Die Vergleichswerte für das untersuchte Rotationstauchtropfkörperverfahren sind inAbhängigkeit von den Verhältnissen währen der Versuchsdauer eingesetzt, wobei dieZahlen griffweise geschätzt auf den "Normalbetrieb" hin modifiziert wurden.

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Einheit

SBR mit Nitrifikation und90 %-iger Denitrifikation

Sharon mit Nitritation und90 %-iger Denitrifikation

Deammonifikation / Anammox

Dampfstrippung

Luftstrippung

Struvitfällung

Stro

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Ener-gie Hilfsstoffe

Reststoff-entsorgung

Schwimmender Rotations-tauchtropfkörper (30 bis 70 %Nges-Elimination)

2 - 3 -

0 - 2

0 - 1 ---

0,2- - -





15. Fortschreibung des Verwertungsplanes

15.1 Erfindungen und Schutzrechte

Erfindungen und Schutzrechtanmeldungen wurden nicht getätigt. Es handele sich umdie Kombination bekannter Verfahrenskomponenten (nämlich Rotationstauchtropfkör-per im SBR-Reaktor). Faktisch wird der technologische Vorteil des Anwenders darinliegen, dass dieser die Konstellation für die Bemessung der Anlage und die Betriebspa-rameter bestimmen kann, wozu dem "Technologie-Fremden" die Informationen fehlendürften.

15.2 Wirtschaftliche Erfolgsaussichten nach Projektende

Über die funktionalen/wirtschaftlichen Vorteile gegenüber Konkurrenzlösungen wirdauf Kapitel 3.3 der Vorhabensbeschreibung verwiesen.

15.3 Wissenschaftliche und/oder technische Erfolgsaussichten

Das entwickelte und demonstrierte Verfahren wird im Rahmen des Netzwerkes WWI(Wasserwirtschaftsinitiative Nordrhein-Westfalen) verbreitet.

15.4 Wissenschaftliche und wirtschaftliche Anschlussfähigkeit

Es laufen Verhandlungen, das entwickelte Verfahren in einer vollautomatisierbaren Va-riante fortzuschreiben und im Kontext zur exportorientierten Abwasserforschung ggf.ein Verbundprogramm mit einem Partner in Südafrika zu starten.

15.5 Arbeiten, die zu keiner Lösung geführt haben

entfällt

15.6 Präsentationsmöglichkeiten für mögliche Nutzer

Hier wird auf Anlage A 4 verwiesen. Die Vorhabensergebnisse können in Form vonPostern oder Publikationen verfügbar gemacht werden.





15.7 Die Einhaltung der Ausgaben- und Zeitplanung

Wie in der Vorhabensbeschreibung Seite 16 dargestellt, war aufgrund des Brandscha-dens an der Versuchsanlage eine Verlängerung des Zeitplanes erforderlich.

Weil keine Aussicht auf Bewilligung eines entsprechend aufgestockten Untersuchungs-programms mit zusätzlichen Ausgaben bestand, wurde das genehmigte Budget ohneÜberschreitung der Ausgaben eingehalten.

15.8 Anlage

Geräteliste (Position 0850)Die Versuchsanlage ist schlüsselfertig als Gesamtanlage erstellt worden. Die einzelnenKomponenten der Anlage sind in Kapitel 6.2 sowie in Anlage A 2 der Vorhabensbe-schreibung benannt. Aufgrund des Brandschadens konnte die Anlage nach Beendigungder Versuche nicht mehr weiter betrieben werden (Bruch der Hauptantriebswelle). EineReparatur wäre nicht rentabel gewesen.





16. Ansätze für Anschlussprojekte

16.1 Workshops und Fachbesuche

Während des Vorhabens fanden projektintern verschiedene Workshops mit Vertreternvon Behörden, benachbarten Kläranlagen und unterschiedlichen Klärwerksausrüstungs-unternehmen statt, die Interesse an der untersuchten Anlage bekundet hatten.

Nach Auskunft des Herstellers der Versuchsanlage, Werkstätten GmbH Nordhorn, ver-folgen diese ein ähnliches Projekt in Polen und beabsichtigen, die Rotationstauchtropf-körper-Technologie dort einzusetzen.

Die Gesellschaft für Abwasserklärung Nordhorn konnte die Versuchsanlage nicht inden Tagesbetrieb übernehmen, weil (vermutlich als Spätfolge des Brandschadens) dieAntriebswelle vorzeitig brach und der gesamte Tauchtropfkörper dadurch beschädigtwurde. Der Neubau der Anlage (außerhalb des Forschungsvorhabens) ist beabsichtigt.Zunächst einmal wird jedoch die Überprüfung der Investitionspläne für die kommendenJahre abgewartet (Überprüfung fand statt, weil die Gesellschafter der GfA gewechselthaben). Außerdem soll zunächst das Klärschlammbehandlungs- und Entsorgungskon-zept grundsätzlich neu überarbeitet werden (im Gespräch ist die Einrichtung einer Fau-lung); dies würde auch die Auslegung einer Schlammwasserbehandlungsanlage betref-fen.

16.2 Verbreitung der erworbenen Kenntnisse

Das erworbene technische Know-how und die Kenntnisse über die Bemessungen undden Betrieb einer Rotationstauchtropfkörper-Anlage zur Schlammwasserbehandlungwurde in zahlreichen Fachgesprächen weitergegeben.

Auf Empfehlung des Umweltministeriums NRW wurde das Projekt als "Referenzpro-jekt" in die WWI-Broschüre (Wasserwirtschaftsinitiative) aufgenommen (siehe An-hang).





16.3 Anschlussvorhaben

Ein sinnvolles Anschlussvorhaben wäre die Entwicklung einer vollautomatisch gesteu-erten Rotationstauchtropfkörper-Behandlungsanlage für Schlammwässer, die (ohneVeränderung der Grundtechnologien mit den schwimmend installierten Tauchtropfkör-pern) mit einem SBR-Belebungsverfahren kombiniert wird.

Ein entsprechender Antrag ist noch nicht in Vorbereitung. Zunächst findet Instituts-intern eine internationale Recherche über Parallelentwicklungen statt, um festzustellen,ob die Rotationstauchtropfkörper-Technologie (wie nach derzeitigem Informationsstandder Fall) auch gegenüber anderen konkurrierenden Verfahren noch einen deutlichenPreis-Leistungs-Vorteil für das Anwendungsfeld "geringe bis mittlere N-Eliminationsgrade ausreichen" erwarten lässt.



Kapitel IV - Literatur


IV. LITERATUR

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ANHANG A 1Leistungsverzeichnis


1/G(vdM)/I/Scheibentauchtropfkoerper/Schlussbericht/Anlage_A1_Leitungsverzeichnis 30.06.2005

A 1 LEISTUNGSVERZEICHNIS



ANHANG A 2Geräteliste


1/G(vdM)/I/Scheibentauchtropfkoerper/Schlussbericht/Anlage_A2_Geräteliste 30.06.2005

A 2 GERÄTELISTE

Liste 1: Liste der Gegenstände gemäß Antrag und Zuwendungsbescheid(vorbehaltlich Planung)

Liste 2 a: Lieferschein Pos. 1, 2Liste 2 b: Lieferschein Pos. 3 bis 8

Liste 3: Zuordnung der Positionsnummern





LISTE 1:Liste der Gegenstände gemäß Antrag und Zuwendungsbescheid (vorbehaltlich Planung)





LISTE 2A:Lieferschein Pos. 1, 2





LISTE 2B:Lieferschein Pos. 3 bis 8





LISTE 3:Zuordnung der Positionsnummern

Nr.aus Liste 1

Enthaltenin Pos.-Nr.

aus Listen 2a, 2b

Bemerkung

1 2Rotationstauchkörper statt Scheibentauch-körper

2 4Puffer- und Methanoltank zur Kapazitätser-höhung

3 2

Container verblieb bei GfA

zusätzlich GfA-eigene Materialien einge-setzt

4, 5, 6 7 Brandfolgeschaden

7, 8, 9, 10Zur Vermeidung von Budgetüberschreitungkein Neukauf, sondern Instituts-eigene Ge-räte und GfA-Geräte eingesetzt

11, 12 7

13, 14, 15 3

16 5

17 3

18 5

19 3

20, 21, 22Zur Vermeidung von Budgetüberschreitungkein Neukauf, sondern Instituts-eigene Ge-räte und GfA-Geräte eingesetzt



ANHANG A 3Erfolgskontrollbericht


1/G(vdM)/I/Scheibentauchtropfkoerper/Schlussbericht/Anlage_A3_Erfolgskontrollbericht 30.06.2005

A 3 ERFOLGSKONTROLLBERICHT

1. Beitrag des Ergebnisses zu den förderpolitischen Zielen

Wesentliches förderpolitisches Ziel der BMBF-Aktivitäten im Bereich Wassertechnolo-gien ist es, durch Neu- und Weiterentwicklungen die Leistung zu steigern bzw. dieKosten zu optimieren.

Im Ergebnis des Vorhabens wurde ein Verfahren zur Schlammwasserbehandlung mitwesentlich günstigeren Kosten und einem noch ausreichenden technischen Leistungs-grad demonstriert. Das Kosten : Nutzen-Verhältnis liegt bei gegebenen Randbedingun-gen deutlich besser als die bislang verfügbaren Technologien.

2. Wissenschaftlich-technisches Ergebnis des Vorhabens

Wie in Ziffer 1 dargestellt, wurde das untersuchte Verfahren zur Schlammwasserbe-handlung mit Rotationstauchtropfkörpern im technischen Maßstab verifiziert und de-monstriert. Im Ergebnis konnten die angezielten technischen Wirkungsgrade eingehal-ten werden, bei ausgesprochen günstigen Perspektiven für den Verbrauch an Betriebs-mitteln und dem Investitionsaufwand.

Allerdings ist es erforderlich, eventuell anfallende große Schwankungen im pH-Wertund C:N-Verhältnis durch einen ausreichend großen Reaktor selbst auszugleichen,durch einen vorgeschalteten Pufferbehälter oder auch (falls keine andere Möglichkeitbesteht) durch Einsatz von Hilfschemikalien zur Einstellung des geeigneten pH-Wertesim Zulauf. Das kann auch in Kombination mit der gewählten Art, beispielsweise derSchlammentwässerung geschehen (z.B. Kalkkonditionierung).



ANHANG A 4Publikation WWI NRW


1/G(vdM)/I/Scheibentauchtropfkoerper/Schlussbericht/Anlage_A4_Publikation_WWI_NRW 30.06.2005

A 4 PUBLIKATION WWI NRW

*)

Auf das Förderkennzeichen des BMBF soll auch in der Veröffentlichung hingewiesen werden. BMBF-Vordr. 3831/03.99

Berichtsblatt

1. ISBN oder ISSN--

2. BerichtsartSchlussbericht

3a. Titel des BerichtsEinsatz schwimmender Rotationstauchtropfkörper zur kostengünstigen Behandlung von Schlammwässern

3b. Titel der Publikation--

4a. Autoren des Berichts (Name, Vorname(n))Rudolph, Karl-Ulrich, Prof. Dr.-Ing. Dr. rer. pol.

4b. Autoren der Publikation (Name, Vorname(n))--

5. Abschlussdatum des Vorhabens31.12.2004

6. Veröffentlichungsdatum--

7. Form der Publikation--

8. Durchführende Institution(en) (Name, Adresse)

Institut für Umwelttechnik und Managementan der Universität Witten/Herdecke gGmbHAlfred-Herrhausen-Straße 4458455 Witten, DeutschlandTelefon: 02302 / 91 401-0Telefax: 02302 / 91 401-11Email: [email protected]: www.uni-wh-utm.de

13. Fördernde Institution (Name, Adresse)

Bundesministerium fürBildung und Forschung (BMBF)

53170 Bonn

9. Ber. Nr. Durchführende Institution

10. Förderkennzeichen *)

02WA025411a. Seitenzahl Bericht88

11b. Seitenzahl Publikation--

12. Literaturangaben38

14. Tabellen6

15. Abbildungen17

16. Zusätzliche Angaben

17. Vorgelegt bei (Titel, Ort, Datum)--

18. KurzfassungBei der Schlammbehandlung in Kläranlagen (Eindickung, Faulung, Entwässerung, Trocknung usw.) fallen hochkonzentrierteSchlammwässer an, die zu Rückbelastungen (bis 30 % der gesamten Stickstofffracht) innerhalb der Kläranlage führen könnenund sich auf die Größe des erforderlichen Belebungsvolumens auswirken.

Zur Minimierung der Rückbelastungen stehen verschiedene Verfahren wie Strippung, Ozoneinsatz, Festbettreaktoren usw. zurVerfügung, deren gute Wirksamkeit durch einen hohen finanziellen und betrieblichen Aufwand erkauft wird. Aus diesem Grundbeschränken sich die Klärwerksbetreiber (insbesondere bei kleineren Klärwerken) zumeist auf einen Mengenausgleich in einemPufferbecken.

Als besonders kostengünstige Alternative wurde ein einfaches Vorbehandlungsverfahren zur Reduktion der Stickstofffrachtenentwickelt, bei dem schwimmende Rotationstauchtropfkörper in bereits vorhandenen Pufferbecken oder stillgelegten Klärbeckenzum Einsatz kommen. In Abhängigkeit von der Zulaufganglinie der Kläranlage wird das vorbehandelte stickstoffreduzierteSchlammwasser wieder dem Zulauf beigemischt.

Aufgrund der Versuchsergebnisse ist mit einem für die Praxisfälle meist ausreichenden Wirkungsgrad von 30 % bis 90 % (i.M.≥ 50 %) (Nges.-Elimination) und mit Behandlungskosten von ca. 1,50 €/kg N zu rechnen (im Vergleich dazu 3 bis 10 €/kg N beiden o.g. bisher eingesetzten Verfahren mit höherem Eliminationsgrad). Damit eröffnen sich insbesondere für kleine und mittlereKlärwerke verbesserte Anwendungsperspektiven.

19. Schlagwörter

20. Verlag--

21. Preis--

BMBF-Vordr. 3832/03.99

Document Control Sheet1. ISBN or ISSN--

2. Type of ReportFinal Report

3a. Report TitleUse of rotating bio-reactors regarding cost-efficient treatment of wastewaters from sewage sludge treatment

3b. Title of Publication--

4a. Author(s) of the Report (Family Name, First Name(s))Rudolph, Karl-Ulrich, Prof. Dr.-Ing. Dr. rer. pol.

4b. Author(s) of the Publication (Family Name, First Name(s))--

5.End of Project31.12.2004

6. Publication Date--

7. Form of Publication

8. Performing Organization(s) (Name, Address)

Institute of Environmental Engineering and Managementat the University of Witten/Herdecke gGmbHAlfred-Herrhausen-Straße 4458455 Witten, GermanyPhone: 02302 / 91 401-0Fax: 02302 / 91 401-11Email: [email protected]: www.uni-wh-utm.de

13. Sponsoring Agency (Name, Address)

Bundesministerium fürBildung und Forschung (BMBF)

53170 Bonn

9. Originator’s Report No.

10. Reference No.02WA0254

11a. No. of Pages Report88

11b. No. of Pages Publication--

12. No. of References38

6

15. No. of Figures17

16. Supplementary Notes

17. Presented at (Title, Place, Date)--

18. AbstractSludge treatment units (thickeners, anaerobic digesters, dewatering machines, sludge drying facilities) produce pernatants(sludge waters), often with high concentrations of nitrogen, which might cause additional loadings of up to 30 % of the wholenitrogen inflow to sewage treatment plants. This is an important parameter for defining the necessary activated sludge tankvolume, and influencing the operation of activated sludge process.

To minimise this additional N-loading, different technologies are available, like strippers, ozonation, fixed bed reactors etc., withhigh technical efficiency, but also significantly high financial and operational requirements. This is, why many sewage plantoperators (especially of smaller and medium-sized sewage plants) hesitate to use more than a simple equalisation tank fortreatment of sludge waters.

To develop simple and low-cost alternatives, the rotating bio-disc technology was applied to reduce nitrogen contents,constructed as floating devices with simple instalment in existing tanks, abandoned basins etc., available on the sewagetreatment plant. Depending on the characteristics of wastewater inflow, the pre-treated sludge water (with less nitrogen thanbefore) is to be discharged into the wastewater treatment plant, preferably at low peak hours.

As the pilot plant has demonstrated, the rotating bio-reactor technology is able to achieve 30 up to 90 % elimination rate of totalnitrogen, at total costs as low as 1.5 €/kg N. (Compared to 3 - 10 €/kg N for higher technologies with higher elimination rates.This means a new field of application, especially for smaller and medium-sized sewage treatment plants.)

19. Keywords

20. Publisher--

21. Price--

Einsatz schwimmender Rotationstauchtropfkörper zur ... · Klärschlamm-entwässerung Fau-lung...

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