Heft 59

Thomas Nellenschulte

Modell zur Charakterisierung des Entwässerungsergebnisses von Klärschlämmen

Zusammenfasssung

Das entwickelte Entwässerungsmodell beschreibt den Zusammenhang zwischen granulometrischen Stoffeigenschaften und den Feststoffgehalten entwässerter Klärschlämme. Die darin eingehenden Stoffeigenschaften - Partikelgröße und Dichte - wurden der Grundgleichung für die Sedimentationsgeschwindigkeit von Partikeln in turbulenten Strömungen entnommen. Andere Einflussgrößen konnten der Entwässerungsmaschinentechnik zugeordnet werden.

Vor der Auswahl weiterer Entwässerungskennwerte wurde die Literatur bezüglich der Ergebnisse von Arbeiten zur Entwässerbarkeit von Klärschlämmen in Abhängigkeit der partikulären Stoffeigenschaften vor und nach verschiedenen Behandlungsverfahren gesichtet. Die Ergebnisse waren nicht immer eindeutig und teilweise auch widersprüchlich. Die meisten Arbeiten zur Entwässerung der Klärschlämme wurden mit Messmethoden, wie spezifischer Filtrationswiderstand und CST-Wert, durchgeführt. Sehr häufig wurden aus den Untersuchungsergebnissen Rückschlüsse auf das Entwässerungsergebnis gezogen, obwohl die Methoden nur Aussagen zum Entwässerungsverhalten zulassen.

Die Arbeiten orientieren sich an folgenden Zielen:

• Die Auswahl möglichst aller relevanten Kennwerte, mit denen der granulometrische Zustand von Klärschlämmen unabhängig von der Art der jeweiligen Behandlung aufgezeigt werden kann.
• Die Bestimmung des Endfeststoffgehaltes im Labor mit einer Becherglaszentrifuge.
• Der erzielte Endfeststoffgehalt von Klärschlämmen sollte anhand der Kennwerte erklärt werden (Beschreibung des granulometrischen Zustandes).

Als maßgebliche granulometrische Kennwerte wurden von elf der als relevant erachteten Kennwerte folgende Kennwerte ausgewählt: Der Trockenrückstand, der Glühverlust, der Partikelfeinanteil, die Dichte und das Primär-/Überschussschlammverhältnis. Der Partikelfeinanteil wurde im Wesentlichen aus der Partikelgrößenverteilung abgeleitet, die auf Messungen mit einem Laserscanner basierten. Für wenige Messungen von Partikelgrößenverteilungen stand ein Laserbeugungsspektrometer zur Verfügung. Die Dichte ist im Rahmen dieser Arbeit nicht bestimmt worden. Sie wurde durch den Glühverlust substituiert. Die Angabe des Primär-/Überschussschlamm-Verhältnisses hatte zunächst qualitativen Charakter.

Die Beurteilung und Kennzeichnung von mechanisch beeinflussten, aerob und anaerob stabilisierten Klärschlämmen erfolgte im Hinblick auf das Entwässerungsergebnis mit den ausgewählten granulometrischen Kennwerten. Die Ergebnisse lassen sich folgendermaßen darstellen:

• Die mechanische Beanspruchung von Partikelstrukturen, Flocken oder Agglomerationen führt nachweislich zu einer Erhöhung des Partikelfeinanteiles und zu einer Verschlechterung des Entwässerungsergebnisses.
• Der aerobe Abbau organischer Feststoffe konnte in einem großtechischen Reaktor auf einer kommunalen Kläranlage mit 30 % bis 40 % ermittelt werden. Es wurde bei allen aeroben Stabilisationsversuchen eine erhebliche Zunahme des Partikelfeinanteiles gemessen. Bedingt durch den hohen Feinanteil und durch das hohe Biomassenwachstum bei aeroben Abbauvorgängen, wird Wasser in erheblichem Maß auf Partikeloberflächen und im Inneren von Bakterienzellen gebunden. Die Entwässerbarkeit aerob-stabilisierter Schlämme nimmt - verglichen mit dem Ausgangszustand vor der Stabilisation - ab.
• Die Versuche zur anaeroben Stabilisation wurden im Labor und auf einer Kläranlage, auf der Primär- und Überschussschlamm getrennt gefault wurden, durchgeführt. Es konnte für beide Schlämme ein weitergehender Abbau der organischen Feststoffmasse festgestellt werden, als wenn der Schlamm aerob stabilisiert worden wäre. Als wesentliche Ursache konnte dafür ein im Vergleich zum aeroben Abbau deutlich geringeres Biomassenwachstum verantwortlich gemacht werden. Das Abbauverhalten von Primärschlamm und Überschussschlamm war aufgrund der strukturellen Eigenschaften verschieden. Der Abbaugrad von Primärschlamm wurde mit etwa 60% festgestellt, während der Abbaugrad des Überschußschlammes rund 40% betrug. Der Partikelfeinanteil stieg durch den anaeroben Abbauprozess ebenfalls deutlich an. Bei gleicher Dosierung der Flockungshilfsmittelmenge stellte sich ein etwa doppelt so hoher Endfeststoffgehalt für Primärschlamm ein als für Überschussschlamm. In Abhängigkeit der eingestellten Faulzeiten zwischen 10 und 25 Tagen konnte festgestellt werden, dass sich für Primärschlämme bereits nach 15 Tagen ein weitestgehender Abbau und dazu ein optimaler Endfeststoffgehalt nach der Entwässerung einstellte. Eine Verlängerung der Aufenthaltszeit bewirkte keine nennenswerte Erhöhung des Endfeststoffgehaltes. Der Abbaugrad und das Entwässerungsergebnis von Überschussschlamm ist dagegen um so höher, je länger die Faulzeit andauert, die für Überschussschlämme nach den vorliegenden Ergebnissen länger als 25 Tage dauern sollte.

Die unterschiedlichen Endfeststoffgehalte von Primär- und Überschussschlamm forderten eine Quantifizierung des Primär-/Überschussschlammverhältnisses. Es wurde ein neuer Kennwert (j-Wert) eingeführt. Dieser Kennwert beschreibt das Feststofffrachtverhältnis von Überschussschlamm zum gesamten Rohschlamm.

Einzeluntersuchungen haben ergeben, dass zwischen Partikelfeinanteil, Glühverlust und j-Wert kein statistisch gesicherter Zusammenhang, sondern nur ein tendenzieller Zusammenhang zum Endfeststoffgehalt existiert. Dieses Ergebnis gab den Anlass für die Entwicklung eines Entwässerungsmodells. Das Modell wurde als deterministisches, empirisches Modell entwickelt, wobei die Konditionierungs- und Entwässerungsprozesse durch Standardisierung der Versuchsbedingungen als Black-Box-Prozesse angesehen wurden.

Der Feststoffgehalt von Klärschlämmen nach der Entwässerung konnte so ausschließlich den Stoffeigenschaften der Schlämme zugeordnet werden.

Eine mathematische Verknüpfung der ausgewählten Kennwerte durch Multiplikation führte zu einem integralen Eigenschaftskennwert, der fE-Wert genannt wurde. Die im Rahmen der Arbeit erzielten Ergebnisse der Untersuchungen zur aeroben und anaeroben Stabilisation von Klärschlämmen und deren Entwässerbarkeit konnten mit dem Modell realistisch abgebildet werden. Für die Darstellung des mathematischen Zusammenhanges zwischen fE-Wert und Endfeststoffgehalten von 49 untersuchten Klärschlämmen erwiesen sich die Exponential- und Potenzfunktion als am besten geeignet. Regressionsberechnungen ergaben ein Bestimmtheitsmaß r2von 0,92.

Weitere Untersuchungen zeigten, dass für eine Abschätzung des Endfeststoffgehaltes die Bestimmung des integralen Eigenschaftskennwertes aus Glühverlust und j-Wert ausreichend war. Das Bestimmtheitsmaß r2betrug 0,856.

Mit Hilfe des Modells wurden Untersuchungen durchgeführt, die Auskunft über den Flockungshilfsmittelbedarf für ein optimales Entwässerungsergebnis gaben. Dazu wurde die Flockungshilfsmittelmenge von 3,5 (Standarddosierung) auf 5,0 und 6,5 g WS/kg TR erhöht. Die Entwässerungsergebnisse von Schlämmen mit einem niedrigen integralen Eigenschaftskennwert, zu denen Primärschlämme zählen, verringerten sich wegen Überflockung. Die Entwässerungsergebnisse für Überschussschlämme mit hohen integralen Eigenschaftskennwerten verbesserten sich dagegen. Entsprechend den granulometrischen Eigenschaften der untersuchten Schlämme wurde ein geringer, mittlerer und hoher Bereich für den Bedarf an Konditionierungsmitteln festgelegt und quantifiziert.

Abschließend wurden die dem Modell zugrundeliegenden Endfeststoffgehalte von dem Labormaßstab auf großtechnische Verhältnisse übertragen. Eigene Untersuchungen auf Kläranlagen ermöglichten einen Vergleich zwischen Labor- und großtechnischen Entwässerungsergebnissen. Diese zeigten, dass der gewählte Projektionsansatz durchaus zu wirklichkeitsnahen Ergebnissen führte. Für statistisch gesicherte Aussagen sind jedoch noch weitere Messungen erforderlich.

Aus den granulometrischen Untersuchungen zum Abbau- und Entwässerungsverhalten von Klärschlämmen lassen sich die wichtigsten praxisrelevanten Aspekte dieser Arbeit wie folgt darstellen.

• Primär- und Überschussschlamm sollten zukünftig auf mittleren und großen Kläranlagen getrennt ausgefault werden. Eine separate Stabilisation ermöglicht die individuelle Behandlung der Schlämme im Hinblick auf eine optimale Entwässerung. Damit können die Betriebsprobleme und die Betriebskosten minimiert werden. Beim Bau von neuen Anlagen sind geringere Investitions- und Kapitalkosten zu erwarten.
• Kleine Kläranlagen sollten zukünftig mit einer mechanischen und biologischen Reinigungsstufe ausgelegt werden. Für die Stabilisation ist die Faulung der aeroben Stabilisation vorzuziehen. Die Reaktoren sollten aus wirtschaftlicher Hinsicht in Modulbauweise gebaut werden.
• Das entwickelte Entwässerungsmodell kann dazu beitragen, den zeitlichen Aufwand für Pilotentwässerungsversuche zu verringern oder auf Pilotversuche zu verzichten, wenn ausreichende Erfahrungen mit der Anwendung des Modells gesammelt werden konnten. Das Entwässerungsmodell sollte geeignet sein, gesicherte Garantie-Entwässerungsergebnisse abgeben zu können.

Die gewählten Entwässerungskennwerte ermöglichen eine genaue Kennzeichnung der granulometrischen Eigenschaften der Klärschlämme. Durch die Dokumentation können Vergleichsanalysen zwischen den Endfeststoffgehalten, die während der Versuchsphase und nach der Inbetriebnahme des Entwässerungsaggregates entstanden sind, miteinander verglichen werden. Mögliche Abweichungen lassen sich dann ursächlich auf Veränderungen der granulometrischen