Eine der größten Aufgaben beim Betrieb der biologischen Abwasserreinigung ist die Stickstoffelimination. Durch die gezielte Zugabe der Internen Stickstofffrachten können Betriebskosten an externen C-Quellen eingespart werden. Ebenso ist es möglich die Stickstoffbelastung zur Biologie bei einem Regenereignis zu mindern und Ammoniumspitzen zu vermeiden.
Je nach Anlagenart beträgt der Anteil der Internen Stickstofffracht zur biologischen Stufe im Tagesmittel bis 25%. Die Hauptquellen für die Rückbelastung sind der Trübwasserabzug von den Nacheindickern sowie Filtrat bzw. Zentrat aus der maschinellen Schlammentwässerung. Die Konzentrationen betragen oft über 1.000 mg/l TKN. Die Konzentrationen aus einer Schlammtrocknung sind meist noch höher. Die Zugabe erfolgt sehr häufig direkt nach der Entwässerung in den Zulaufbereich der Kläranlage. Ist der Zulaufprobenehmer nach der Einleitung dieser Stoffströme installiert muss beachtet werden, dass die Interne Rückbelastung doppelt gemessen wird. Die Zugabe in den Zulaufbereich hat weiterhin den Nachteil, dass in den Vorklärbecken so genannte Stickstoffspeicher angelegt werden. Dort wird bei niedriger Zulaufmenge und direkter Zugabe der Rückbelastung eine hohe Konzentration an Stickstoff erreicht. Bei einem Regenstoß wird dieses hochkonzentrierte Wasser der Internen Rückbelastung sehr schnell in die Biologie verdrängt. Diese Frachten können dabei das Dreifache des Tagesdurchschnitts erreichen. Zusätzlich kommt etwas später noch die hohe Fracht des Spülstoßes aus dem Kanalnetz hinzu. Dies führt zu Spitzen bei den Ablaufwerten von Ammonium.
Bei einem ungünstigen Verhältnis von leicht abbaubarem Kohlenstoff zu Stickstoff ist die Zugabe von externen C-Quellen notwenig, um die Grenzwerte für den anorganischen Stickstoff einzuhalten. Durch die Zugabe von Internen Stickstofffrachten zu Zeiten, an denen der leicht abbaubare Kohlenstoff für die Denitrifikation fehlt, entstehen dadurch hohe Kosten.

Grafik: Schwankungen der Stickstofffracht zur Biologie ohne Speicherung der Internen Stickstoffquellen

Als gute Lösung der beiden Probleme hat sich die Speicherung der Internen Stickstofffrachten und spätere Zugabe direkt zur biologischen Reinigung herausgestellt. Um den Inhalt der Speicherbecken zu begrenzen sollten nur die Wässer mit hohen Konzentrationen an Stickstoffverbindungen aufgefangen werden. Eine Speicherkapazität des anfallenden Wassers der Internen Rückbelastung von 1 bis 2 Tagen ist völlig ausreichend. Die Zugabe sollte dann mittels einer Pumpe gezielt zur biologischen Reinigung erfolgen. Die Einleitstelle in die Biologie sollte so gewählt werden, dass die Wässer der Internen Rückbelastung vom Probenehmer am Ablauf der Vorklärbecken miterfasst werden. Sind diese Wässer stark mit Feststoff belastet, sollte dieser durch Absetzten zuerst abgetrennt werden. Als sinnvoll hat sich eine Pumpe mit Frequenzumrichter und Mengenmessung herausgestellt. Dadurch kann jederzeit die zugegeben Fracht angepasst werden. Bei einem einsetzenden Regen wird die Zugabe sofort unterbrochen und die Stossbelastung zur Biologie ist um den Anteil der Internen Rückbelastung gemindert. Nach dem Spülstoß kann der Speicher dann abgearbeitet werden. Ein ungünstiges Verhältnis zwischen leicht abbaubarem Kohlenstoff und Stickstoff ergibt sich meist an Wochenenden. Eine Aussetzung der Zugabe der Internen Stickstofffrachten an den Schwachlastzeiten verbessert das Kohlenstoff/Stickstoff Verhältnis und die Zugabe von externen C-Quellen kann vermieden oder reduziert werden. In aller Regel sind auf Anlagen, die externe C-Quellen zugeben On-Line Messgeräte für Ammonium und NOx-N vorhanden. Durch die Kenntnis der Messwerte lässt sich die Zugabe nahezu ideal an die Gegebenheiten anpassen.

Tabelle: Beispiel für die Bewirtschaftung der Internen Rückbelastung aus der Schlammbehandlung

Fazit: Durch die gezielte Zugabe der Wässer der Internen Rückbelastung aus der Schlammbehandlung werden Stickstoffspitzen zur Biologie vermindert und Spitzen in den Ammoniumauslaufwerten vermieden oder reduziert. Durch die Vergleichmäßigung des Verhältnisses von leicht abbaubarem Kohlenstoff zu Stickstoff kann die Zugabe von externen Kohlenstoffquellen deutlich verringert werden. Speichermöglichkeiten durch leer stehende Eindicker oder Becken sind auf der Kläranlage sehr oft vorhanden. Lediglich eine Leitung zum Ablauf der Vorklärbecken muss noch verlegt werden. Dieser Aufwand lohnt sich jedoch recht schnell.

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Autor: CS

Die meisten Kläranlagen mit Belebungsverfahren benutzen für den Sauerstoffeintrag Druckluft. Um die biologische Reinigung auch wirtschaftlich zu betreiben ist es unerlässlich, sich mit der Leistung des Belüftungssystems zu befassen. Der minimale Aufwand steht in keinem Verhältnis zum Nutzen. Nach einer Umfrage in Baden-Württemberg im Jahre 2005 liegt bei der Hälfte der betrachteten Anlagen der Druckverlust größer 108% gegenüber dem Neuzustand [1]. Im Mittel wird dadurch von einem Mehrverbrauch von 12% an Energie für die Belüftung gerechnet. Bei frühzeitigem Erkennen von steigenden Druckverlusten können Maßnahmen ergriffen werden, um gegenzusteuern.

Eine Plausibilitätsprüfung der abgegebenen Fragebögen aus der zitierten Umfrage  ergab lediglich eine Verwertbarkeit von ca. 30%[1]. Dies lässt den Schluss zu, dass dem Problem der Druckverluste noch nicht allzu groß Aufmerksamkeit geschenkt wurde.

Zu hohe Gegendrücke führen dazu, dass die erforderlichen Luftmengen nicht mehr in die Belebung eingetragen werden. Dies kann bis zu einer unzureichenden Nitrifikation führen. Jedoch schon viel früher geht bei steigenden Druckverlusten der Wirkungsgrad des Belüftungssystems zurück.  

Grafik: Zusammenhang Systemdruck, Luftmenge und Energiebedarf Belüftung

Vor der eigentlichen Messung der Druckverluste, ist der hydrostatische Druck der Wassersäule in der Biologie zu ermitteln. Zuerst misst man die Beckentiefe, am einfachsten geht das mit einer langen Stange. Danach muss die Einbauhöhe der Belüfterelemente ermittelt werden. Meist werden dazu vorhandene Pläne oder Zeichnungen herangezogen. Von der Oberkante der Belüfterteller oder -platten wird dann die Einblastiefe bis zum Wasserspiegel berechnet. Die Wasserhöhe in cm wird mit 0,981 multipliziert, um den Wert in mbar zu erhalten.

Der Druck der Einblastiefe muss dann nur noch vom gemessen Druck an den Belüfterelementen abgezogen werden, um den Druckverlust zu ermitteln. Jedoch ist wichtig, dass vor der Messung die Leitung entwässert wurde [2]. Als Messpunkt ist ein Anschluss so nahe wie möglich an den Belüftern zu wählen. Meist wird die Entwässerungsleitung ein geeigneter Messpunkt sein. Auf jeden Fall sollte hinter dem Messpunkt keine Drosseleinrichtung z.B. Regelschieber eingebaut sein. Um verschiedene Messungen vergleichen zu können, müssen die Randbedingungen nahezu identisch sein. Entweder sind immer gleiche Gebläsedrehzahlen erforderlich oder gleiche Regelschiebereinstellungen mit dem gleichen Systemdruck. Durch Wiederholung der Messungen sind Veränderungen sehr schnell ersichtlich. Um Vergleiche mit Herstellerangaben durchzuführen, sollte die Luftmenge entweder über die Gebläseleistung oder mit einer Luftmengenmessung ermittelt werden. Es ist darauf zu achten, dass die Luftmengenangabe in Normkubikmeter angegeben wird.

Weichen die Druckverluste erheblich von den Herstellerangaben ab, zahlt sich schnelles Handeln auf der Kostenseite deutlich aus.

Grafik: Druckverluste im Neuzustand sowie vor und nach Säuerungen

In obiger Grafik konnten 16 Jahre alte Keramikdome auf Druckverlustwerte des Herstellers, zwischen Neuzustand und 5 Jahre alter Dome, verbessert werden.

Die Möglichkeiten der Reinigung von Belüfterelementen richten sich nach den Herstellerangaben. Je nach Belüfterelementen ist eine Reinigung im laufenden Betrieb möglich. Im Zweifel ist die Auskunft des Herstellers einzuholen.

Eine Wiederholungsmessung sollte mindestens einmal pro Jahr durchgeführt werden. Beim Betrieb von vielen Belebungsbecken an einer gemeinsamen Luftversorgung kann der Aufwand reduziert werden. Die Kammer mit den größten Druckverlusten bestimmt die Effizienz des Belüftungssystems. Durch Optimierung dieser Kammer, wird auch der Wirkungsgrad des gesamten Belüftungssystems verbessert. Dabei müssen bei einer Mehrstaßigkeit immer die entsprechenden Kammern verglichen werden. Die Kammer deren Luftschieber am weitesten geöffnet ist hat den größten Druckverlust, sofern der Luftbedarf der einzelnen Straßen identisch ist.

Grafik: Vergleich Luftschieberöffnungen bei Mehrstraßigkeit

In obiger Grafik ist deutlich zu sehen dass die Regelschieber von Straße 1, 4 und 6 im Tagesdurchschnitt weiter geöffnet sind als alle anderen. Bei Anwendung der Gleitdruckregelung bestimmen diese Kammern den variablen Systemdruck der Luftleitung. Eine Verminderung der Druckverluste bei diesen Kammern bringt den meisten Erfolg für das gesamte Belüftungssystem.

Meist ist für die Druckverlustmessungen lediglich ein tragbares Druckmessgerät mit einer Genauigkeit von 1mbar erforderlich. Die Kosten dafür sind je nach Hersteller unter 300 €. Durch mehrere Messungen in zeitlichen Abständen weiß der Betreiber immer Bescheid über den aktuellen Zustand seines Belüftungssystems. Je nach Anlagengröße und Ausstattung der Messtechnik ist sogar eine permanente Zustandsüberwachung möglich. Mit einem tragbaren Druckmessgerät können zusätzlich die Druckverluste an den Gebläseeinrichtungen (Ansaugfilter und Schalldämpfer) und der Luftleitungen sowie Armaturen ermittelt werden. Diese sollten jedoch bei richtiger Planung und Einbau eine untergeordnete Rolle spielen.

Quellen:

[1] Dr. Jörg Krampe, Sabine Kaebert: Stand der Belüftungstechnik in Baden Württemberg, Lehrer- und Obmanntagung DWA 2006

[2] Dr. Wilhelm Frey: Diagnose: zu hoher Druckverlust, KA-Betriebs-Info 2006 (36) Nr. 3:

[3] Dr. Wilhelm Frey: Methoden zur Reinigung feinblasiger Belüftungssysteme, Lehrer- und Obmanntagung DWA 2006

[4] Dr. Wilhelm Frey: Einflüsse auf die Veränderung des Betriebsverhaltens von Membranbelüftern, Belüftertagung in Osnabrück Mai 2006

[5] Dr. Wilhelm Frey: Vergleichende Betrachtung der Betriebsergebnisse von Druck- und Oberflächenbelüftungssystemen in Österreich, Belüftertagung in Osnabrück Mai 2006

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Autor: CS

Siehe auch:
– Gleitdruckregelung Belüftung
– Chemische Reinigung feinblasiger Druckbelüftungselemente
– Diagnose: Zu hoher Druckverlust!
– Mechanische Reinigung feinblasiger Druckbelüftungselemente

Weitere Informationen finden Sie auch unter:
– www.kan.at (dort im Downloadbereich)