Henning Albers
Zur biologischen Reinigung von Sickerwasser aus Sonderabfalldeponien
Zusammenfasssung
Die derzeitige Situation zum Problem der Behandlung von Sickerwässern aus Sonderabfalldeponien ist dadurch gekennzeichnet, dass erhebliche Wissensdefizite über den Wasserhaushalt und die stoffliche Zusammensetzung des Deponiekörpers zu verzeichnen sind. Daneben fehlen praktische Erfahrungen zur Anwendbarkeit von Reinigungsverfahren ganz einfach deswegen, weil bisher nur vereinzelt eigenständige Behandlungsanlagen vorhanden sind.
Zur Erfüllung der in den Novellierungen der Wassergesetze formulierten Anforderungen und zur Erstellung von geeigneten Verfahrenskonzepten mangelt es also an allen drei wesentlichen Eingangsgrößen: Sickerwasserabfluss, Sickerwasserzusammensetzung, Anwendungserfahrungen von bestehenden Reinigungsverfahren. Daher wurde mit dieser Arbeit versucht, bisher vorliegende Daten und Erfahrungen zusammenzutragen und zu bewerten sowie die Kenntnisse über die Anwendbarkeit aerober biologischer Reinigungsverfahren durch eigene Laboruntersuchungen mit vier verschiedenen Sickerwässern zu erweitern.
Das anfallende Sickerwasser wird bei den bestehenden Sonderabfalldeponien nahezu ausschließlich durch die Einsickerung von Niederschlag in den Deponiekörper gebildet. Aus den Abfällen ausgepresstes Wasser spielt demgegenüber keine Rolle. Genau wie bei Siedlungsabfalldeponien ist das Sickerwasser also als kontaminiertes Regenwasser zu bezeichnen. Je nach Betriebszustand der Deponie sind die mittleren Sickerwasserabflüsse mit 2 bis 12 m3/ha•d anzusetzen.
Mit zunehmender Verfüllung der Deponie stellt sich eine ausgleichende Wirkung des Deponiekörpers ein. Abdichtungsmaßnahmen an der Oberfläche führen zu deutlichen Verringerungen der Abflussmengen in Richtung auf die unteren Werte des angegebenen Bereichs. Tendenziell ist jedoch nach den wenigen, bisher vorliegenden Werten dann wiederum mit erhöhten Schwankungsbreiten zu rechnen. Für die Sickerwasserreinigung bedeuten diese Ergebnisse, dass ein mehrmonatiger Volumenausgleich sinnvoll ist.
Die überwiegende Mehrzahl der Sickerwässer aus Sonderabfalldeponien weist trotz deutlicher Schwankungen der Konzentrationen eine ähnliche stoffliche Zusammensetzung auf. In aller Regel sind hohe Gehalte an organischen Stoffen (CSB) und reduzierten Stickstoffverbindungen vorhanden. Daneben sind hohe Salzkonzentrationen (Chloride, Sulfate, im Einzelfall auch Fluoride) zu finden. Charakteristisch sind außerdem die überwiegend flüchtigen AOX-Bestandteile und die - im Vergleich zu anderen Abwässern - kaum erhöhten Schwermetallbelastungen. Anhand üblicher abwassertechnischer Parameter zur Beschreibung der chemischen Zusammensetzung lassen sich keine generellen Unterschiede zu Sickerwässern aus Siedlungsabfalldeponien feststellen. Das Konzentrationsniveau liegt allerdings in der Regel etwas höher.
Aerobe biologische Reinigungsverfahren haben sich bei einer Vielzahl von Abwässern insbesondere zum Abbau organischer Inhaltsstoffe und zur Elimination von Stickstoffverbindungen bewährt. Obwohl anhand der chemischen Analysen auch bei diesen Sickerwässern überwiegend biologisch abbaubare organische Substanzen festzustellen sind, werden biologische Reinigungsverfahren zur Zeit großtechnisch nur in zwei Einzelfällen eingesetzt. Mit dem Ziel der Stickstoffelimination durch Nitrifikation/Denitrifikation ist bisher keine Anlage verwirklicht worden. Eigenständige Reinigungsanlagen bestehen bisher nahezu ausschließlich aus chemisch/physikalischen Stufen wie Eindampfung und Adsorption.
Die Versuchsergebnisse zum Abbau organischer Stoffe mit dem Belebungsverfahren zeigen, dass je nach Sickerwasser eine Reduktion des CSB im Bereich von 80-90% erreicht wird. Durch die Schwankungen der Sickerwasserzusammensetzung sind aber im Extremfall erhebliche Unterschiede bis minimal 60% möglich. Die CSB-Elimination beruht zu über 90% auf einem biochemischen Abbau, wobei je nach Belastung 65% bis über 90% zu C02 oxidiert wird.
Ein weitgehender Abbau auf BSB5-Ablaufwerte kleiner als 20 mg/L wird erst mit geringen Belastungen BoTS,BSB5unter 0.10 kg BSB5/kg oTS•d erzielt. Dabei werden gleichzeitig verschiedene spezielle Stoffgruppen wie AOX mit minimal 35% sowie Kohlenwasserstoffe, Cyanide und Phenole mit maximal über 90% eliminiert.
Trotz der Unterschiede in der Sickerwasserzusammensetzung kann das biochemische Verhalten der beteiligten Mikroorganismen als ähnlich bezeichnet werden. Die Ertragskoeffizienten der heterotrophen Bakterien YH betragen 0.4 - 0.5 kg TS/kg BSB5-Abbau, der Faktor d der direkten Oxidation des BSB5beläuft sich auf 0.67 kg 02/kg BSB5-Abbau. Beide Resultate weisen auf einen erhöhten Energiebedarf der Mikroorganismen zur Aufrechterhaltung der Stoffwechseltätigkeiten hin.
Als wesentlicher Einflussfaktor für diese Ergebnisse wird das ungünstige Milieu für die Bakterien aufgrund der Vielzahl von potentiellen Hemmstoffen angesehen. Eine eindeutige Zuordnung der Hemmwirkung bestimmter Einzelstoffe war jedoch in diesem Rahmen nicht möglich.
Ein entscheidender Faktor für die Anwendbarkeit des Belebungsverfahrens ist die Absetzfähigkeit der Belebtschlämme. Nach den Laborversuchsergebnissen beeinflussen folgende Faktoren die Schlammstruktur negativ, sodass sich statt gut flockender, absetzfähiger Biomasse eine fein verteilte, disperse Struktur bilden kann: Hohe Schlammbelastungen, Belastungsschwankungen und Veränderungen der Sickerwasserzusammensetzung, hohe Salzgehalte und geringe Protozoengehalte im Belebtschlamm. Technisch beeinflussbar sind am ehesten die ersten beiden Punkte. Es wird deshalb empfohlen, die oben angegebenen Grenzbelastungen einzuhalten und einen Mengen- und Konzentrationsausgleich vorzusehen.
Nach den Versuchsresultaten mit drei Sickerwässern muss die generelle Nitrifizierbarkeit bei Sonderabfalldeponien in Frage gestellt werden. Zumindest bei einer bestimmten Zusammensetzung des sehr heterogenen Sickerwassers C wurden beide beteiligten Bakteriengruppen (Nitrosomonas und Nitrobacter) vollständig und irreversibel gehemmt. Die Toxizität wird auf organische Inhaltsstoffe zurückgeführt. Da die Identifizierung der toxischen Substanzen aussichtslos erscheint, sind Labor- oder Pilotversuche in jedem Einzelfall notwendig.
Die Abbaukinetik und die Leistungsfähigkeit der nitrifizierenden Bakterien kann, von dem Problem der Toxizität abgesehen, als ähnlich für die drei Sickerwässer bezeichnet werden. Der erste Teilschritt der Umsetzung des Ammoniums zu Nitrit bestimmt die Geschwindigkeit der Gesamtreaktion. Da die vollziehende Bakteriengruppe der Nitrosomonas im ungehemmten Zustand bei leicht alkalischem pH 8.0 - 8.5 die höchsten Umsatzraten aufweist, ergibt sich aus der Reaktionskinetik hier der optimale Betriebspunkt.
Untrennbar mit dem pH-Wert sind jedoch Hemmungen der Nitrifikation durch die undissoziierten Stickstofformen Ammoniak und Salpetrige Säure verbunden. Beide wirken zuerst auf die Nitrobacter und fördern damit die Akkumulation von Nitrit. Zur Vermeidung dieser reversiblen Hemmungen wird die Einhaltung von niedrigen Ammonium- und Nitritgehalten, d.h. geringe Belastungen mit entsprechend langem Schlammalter und ein pH-Bereich von 7.0 - 8.2 empfohlen.
Die stoffliche Zusammensetzung der Sickerwässer verursacht auch für die Nitrifikanten ein sehr ungünstiges Lebensmilieu. Ein wesentlicher Faktor sind dabei die hohen Chloridgehalte. Die maximale Wachstumsrate der Nitrifikanten beträgt für alle Sickerwässer annähernd gleich nur µMAX= 0.09 d -1. Daraus folgt unter Berücksichtigung eines Sicherheitsfaktors SF = 3 ein minimales aerobes Schlammalter tTS= 40 Tage.
Die Denitrifikation ist unter diesen Bedingungen nicht nur allein zur Elimination des oxidierten Stickstoffs zu Stickstoffgas zu empfehlen, sondern betrieblich als zusätzliche Sicherheit zur Vermeidung der Nitritbildung im Nitrifikationsschritt unbedingt notwendig.
Voraussetzung ist ein ausreichendes Verhältnis von abbaubarem organischem Substrat und dem zu denitrifizierenden Stickstoff. Die Ergebnisse zur vorgeschalteten Denitrifikation zeigen eine vollständige Denitrifikation entsprechend dem Rücklaufverhältnis bei BSB5/NOX-N > 3.0. Das Denitrifikationsvolumen ist gegenüber dem Nitrifikationsbecken unbedeutend. Ausreichend ist in jedem Fall ein zusätzlicher Volumenanteil von 20%.
Die biologische Reinigung kann relevante Schadstoffe in die Abluft und den Überschussschlamm verlagern. Bei diesen Sickerwässern erfolgt die AOX-Elimination nahezu ausschließlich über den Emissionspfad Abluft, während Schwermetalle neben AOX-Restgehalten den Überschussschlamm belasten. Verglichen mit Grenzwerten der TA-Luft bzw. MAK-Werten, ist die Notwendigkeit einer Behandlung der Abluft nicht abzuleiten. Allerdings steht die vollständige Identifizierung als Voraussetzung für eine endgültige Bewertung aus. Die Schwermetallgrenzwerte der Klärschlammverordnung als Vergleichsgrößen zur Beurteilung der Überschussschlämme werden nur teilweise überschritten.
Wesentliches Ziel der verschiedenen Verfahren zur Sickerwasserreinigung ist, die Mineralisierung organischer Stoffe und umweltneutrale Fixierung anorganischer Stoffe. Die biologische Reinigung mit dem Belebungsverfahren erreicht dieses Ziel zumindest für den überwiegenden Anteil der als CSB gemessenen Gesamtheit der organischen Stoffe und für die Stickstoffverbindungen. Die unlängst aufgestellten Mindestanforderungen für die Parameter BSB5 und NH4-N werden erfüllt.
Eine entscheidende Reduktion der definierten "Gefährlichen Stoffe" wird jedoch nicht erzielt. Dazu sind chemisch/physikalische Verfahren wie Umkehrosmose, Eindampfung, Flockung/Fällung, Adsorption und chemische Oxidation besser geeignet. Durch biologische Vorreinigung kann die Leistungsfähigkeit dieser Verfahren zur Elimination der "Gefährlichen Stoffe" aber deutlich verbessert werden. Daraus ergibt sich eine eindeutige Aufgabenverteilung zwischen beiden Verfahrensgruppen. Das Belebungsverfahren wird gegebenenfalls mit Vorbehandlungsschritten zur Grundreinigung eingesetzt. Die chemisch/physikalischen Verfahrensschritte dienen mit konkreter Aufgabenstellung, die im Einzelfall je nach den Anforderungen an die Ablaufqualität zu definieren ist, der Nachbehandlung.