Separate biologische Faulwasserbehandlung

Idee
Üblicherweise wird während der Faulung in kommunalen Kläranlagen etwa 40-50% des im Frischschlamm gebundenen Stickstoffs als Ammonium freigesetzt, wodurch Konzentrationen im Faulwasser zwischen 600-1000 g NH4-N/m3 resultieren. Die Rückführung des ammoniumreichen überstehenden Wassers der Nacheindicker und der Entwässerung in die Wasserstrasse führt zu einer Stickstoff-Rückbelastung in der Grössenordnung von 15-20% bezogen auf den im Zulauf zur Kläranlage enthaltenen Gesamtstickstoff. Durch eine separate Behandlung dieser Teilströme wird die biologische Stufe substantiell entlastet, wodurch überschüssiges Beckenvolumen für die Denitrifikation und evtl. für die biologische Phosphor-Elimination zur Verfügung steht.

Ziel
Mittels Versuchen mit einer Pilotanlage (Reaktorvolumen 4.0 m3) werden nacheinander drei verschiedene Verfahren zur biologischen Entstickung des Faulwassers ausgetestet. Ziel der drei Versuchskampagnen ist es, die jeweils massgebenden Prozesse zu identifizieren und darauf basierend ein mathematisches Modell zu entwickeln und zu kalibrieren. Der Wärmeeintrag resp. der Wärmeverlust dieser Verfahren und die daraus resultierende Reaktortemperatur ist sehr stark mit der Prozessgeschwindigkeit verknüpft. Zur Sicherstellung eines stabilen Betriebes dieser Anlagen wird deshalb neben der Kinetik auch der Wärmehaushalt und dessen Einflussfaktoren untersucht.

Drei verschiedene biologische Verfahren
In einer ersten relativ kurzen Versuchsphase wird die vollständige Nitrifikation/Denitrifikation mit Methanol resp. Primärschlamm als C-Quelle in einem Sequencing Batch Reactor (SBR) auf der ARA Au (St. Gallen, CH) und ARA Werdhölzli (Zürich, CH) untersucht. Erste Ergebnisse zeigen, dass sich mit einem Austauschvolumen von 10-15% und einer Zykluslänge von ca. drei Stunden eine vollständige Nitrifikation und Denitrifikation ohne Alkalinitätslimitierung erreichen lässt. Dies bedeutet, dass die im Faulwasser bereits vorhandene Alkalinität zusammen mit der infolge der Denitrifikation produzierten Alkalinität ausreicht und somit keine aktive pH-Kontrolle, z.B. durch eine Laugendosierung, notwendig wird.In der zweiten Versuchsphase wird versucht, Ammonium nur bis zum Zwischenprodukt Nitrit zu oxidieren, und den zweiten Teilschritt der Nitrifikation, die Oxidation vom Nitrit zum Nitrat, zu unterbinden. Der Sauerstoffverbrauch der Nitrifikation reduziert sich dadurch um 25%. Bei der anschliessenden Denitrifikation von Nitrit zu elementarem Stickstoff kann noch einmal 40% der erforderlichen externen Kohlenstoffquelle eingespart werden.

Reaktorkonfigurationen zur Untersuchung der autotrophen Stickstoffelimination
Neuste Untersuchungen an Biofilmverfahren deuten darauf hin, dass eine Stickstoffelimination auch völlig ohne C-Quelle möglich ist. Unter anaeroben Bedingungen wird dabei Nitrit von langsam wachsenden, autotrophen Bakterien mit Ammonium im Verhältnis 1:1 zu elementarem Stickstoff oxidiert. Für die dritte Versuchsphase wird deshalb die Pilotanlage als Kaskadenreaktor betrieben (siehe Abbildung). Die Bereitstellung des erforderlichen Nitrits erfolgt durch einen vorgeschalteten aeroben Reaktor mit suspendierter Biomasse. Dabei soll ca. 50% des Ammoniums zu Nitrit oxidiert werden. Im darauf folgenden unbelüfteten Reaktor lassen sich auf einem geeigneten Trägermaterial autotrophe Bakterien in Form eines Biofilms züchten, welche das gebildete Nitrit zusammen mit dem noch vorhandenen Ammonium vollständig zu elementarem Stickstoff umwandeln.

Beteiligte Personen
I. Brunner (Abteilung Verfahrentechnik, Eawag),
K. Egli (Abteilung Mikrobiologie, Eawag),
C. Fux (Abteilung Verfahrenstechnik, Eawag),
A. Hofmann (Stadtentwässerung, Zürich),
G. Koch (Abteilung Verfahrenstechnik, Eawag),
Ph. Huber (Abteilung Verfahrenstechnik, Eawag),
H. Siegrist (Abteilung Verfahrenstechnik, Eawag),
J.R. Van der Meer (Abteilung Mikrobiologie, Eawag),
M. Wehrli (Stadtentwässerung, Zürich),

Publikationen
Koch G. und Siegrist H. (1998). Separate biologische Faulwasserbehandlung - Nitrifikation und Denitrifikation. VSA (Verband Schweizer Abwasser- und Gewässerschutzfachleute), Verbandsbericht, 522, 33-48.

Siegrist H., Reithaar S., G. Koch und Lais P. (1998). Nitrogen loss in a nitrifying rotating contactor treating ammonium-rich wastewater without organic carbon. Wat.Sci.Tech., 38(8-9), 241-248.

Koch G., Egli K., Van der Meer J.R. and Siegrist H. (2000). Mathematical modeling of autotrophic denitrification in a nitrifying biofilm of a rotating biological contactor. Wat. Sci. Tech., accepted.

G. Koch, C. Fux, P. Huber, I. Brunner, K. Lange, A. Monti und H. Siegrist (1999). Biologische Entstickung von Faulwasser. VSA Fortbildungskurs 1999 in Engelberg-Nährstoffelimination auf Kläranlagen.