Liendel Chang
Auslegung von einstufigen Belebungsanlagen zur Stickstoffelimination bei Sickerwässern aus Siedlungsabfalldeponien
Zusammenfasssung
Bei der Ablagerung von Siedlungsabfällen auf Deponien, die nicht den aktuellen Anforderungen gemäß der TA Siedlungsabfall entsprechen, entstehen auf Grund der eindringenden Niederschläge Sickerwässer, die hauptsächlich organische Inhaltsstoffe und stickstoffhaltige Verbindungen enthalten. Die Sickerwassermenge und -zusammensetzung wird dabei im Wesentlichen durch die eingelagerten Abfälle, die Einbautechnik und die biologischen Milieubedingungen innerhalb des Deponiekörpers bestimmt.
Durch die gesetzlichen Vorgaben ist eine Aufbereitung dieser Sickerwässer unabhängig vom Ort der Einleitung zwingend notwendig. Unter wirtschaftlichen und ökologischen Gesichtspunkten ist eine Reinigung nur mit einer Verfahrenskette aus verschiedenen Techniken möglich. Als Hauptreinigungsstufen werden in der Regel chemische oder physikalische Verfahren wie z B. chemische Oxidation, Aktivkohladsorption oder Umkehrosmose verwendet. Zur Entlastung dieser Hauptstufen bzw. um gewisse Verfahrenskombinationen erst zu ermöglichen (z. B. Aktivkohleadsorption bei Direkteinleitung) werden biologische Verfahren eingesetzt. In dieser Vorreinigungsstufe kann eine weitgehende Kohlenstoffelimination und eine weitestgehende Stickstoffentfernung erreicht werden.
Bestehende Modelle zur Auslegung von einstufigen Belebungsanlagen beruhen auf Untersuchungsergebnissen, die anhand von Versuchen mit Sickerwässern aus der sogenannten Übergangsphase gewonnen wurden. Daraus wurden verschiedene statische Bemessungsansätze entwickelt, die nur bedingt auf aktuell anfallende Sickerwässer angewendet werden können, da sich die meisten Deponien inzwischen in der stabilen Methanphase befinden. Bedingt durch die Sickerwasserzusammensetzung in dieser Deponiephase mit einem nur geringen Anteil von biologisch abbaubaren Inhaltsstoffen aber hohen Stickstoffkonzentrationen verschiebt sich das Hauptaugenmerk bei der Reinigung von Sickerwässern aus der Methanphase von der Kohlenstoffelimination hin zur Stickstoffentfernung, zumal die Reduzierung der organischen Inhaltsstoffe im wesentlichen in den chemisch/physikalischen Hauptreinigungsstufen erfolgt.
Um diesen veränderten Anforderungen zu folgen, wurden in dieser Arbeit Untersuchungen zur Denitrifikation und Nitrifikation durchgeführt, um dann mit Hilfe der Ergebnisse aus diesen Versuchen einen statischen Ansatz zur Bemessung von einstufigen Belebungsanlagen entwickeln zu können. Entgegen der üblichen Vorgehensweise wird zuerst das benötigte Denitrifikationsvolumen in Abhängigkeit von der verwendeten Kohlenstoffquelle ermittelt. Diese Monosubstrate müssen neben den im Rohsickerwasser enthaltenen Inhaltsstoffen bei der Überschussschlammproduktion berücksichtigt werden, um anhand eines aeroben Mindestschlammalters das erforderliche Nitrifikationsvolumen zu ermitteln. Die Untersuchungen wurden an Anlagen im labor- und halbtechnischem Maßstab durchgeführt.
Mit Hilfe von Batchversuchen konnten Denitrifikationsraten in Abhängigkeit von der eingesetzten Kohlenstoffquelle und vom CSB/N-Verhältnis ermittelt werden. Dabei zeigte sich, dass bei der Verwendung des im Rohsickerwasser enthaltenen abbaubaren CSB die Denitrifikationsraten nur unwesentlich über den endogenen Umsatzraten lagen. Daraus kann geschlossen werden, daß der Rohsickerwasser-CSB praktisch nicht als C-Quelle für eine Denitrifikation bei Sickerwässern aus der Methanphase genutzt werden kann.
Durch die Zugabe von Kohlenstoff kann die Denitrifikationsrate deutlich gesteigert werden. Untersucht wurden in diesem Zusammenhang die Monosubstrate Essigsäure, Methanol und Glykol. Bei allen drei C-Quellen zeigte sich anhand von Batchversuchen, dass die Denitrifikationsgeschwindigkeiten ab einem CSB/N-Verhältnis von 4 im Wesentlichen durch den externen Kohlenstoff bestimmt werden, auch wenn ständig eine Überlagerung der endogenen mit der monosubstratinduzierten Atmung stattfindet. Deutlich wird dieser Umstand bei CSB/N-Verhältnissen unterhalb von 4. Bei diesen geringen Verhältnissen wurden Steigungsunterschiede bei der Nitratabnahmegeschwindigkeit festgestellt. Dies bedeutet, dass zwar in nahezu allen untersuchten Fällen eine vollständige Denitrifikation erreicht werden konnte, bei geringen Kohlenstoffzugaben allerdings mit sehr geringen summarischen Umsatzraten und damit großen Denitrifikationsbecken gerechnet werden muss. Eine Erhöhung des CSB/N-Verhältnisses bis auf etwa 9 steigerte die Denitrifikationsgeschwindigkeit, es muss jedoch von diesen hohen CSB/N-Verhältnissen abgeraten werden, da sie zu einem vermehrten Betriebsmitteleinsatz führen, der zusätzlich zu den damit verbundenen Kostensteigerungen zu einer überhöhten Überschussschlammproduktion und damit sekundär zu unnötig großen Nitrifikationsbecken führt. Eine weitere Steigerung der CSB-Zugabe bewirkt eine Verminderung der maximalen Denitrifikationsraten, die wahrscheinlich auf die stark reduktiven Zustände und den damit verbundenen fermentativen Milieubedingungen zurückzuführen ist.
Weiterhin wurde untersucht, ob das intermediär gebildete Nitrit zu einer Hemmung der Denitrifikationsschritte führen kann. Dazu wurden Versuche an einem halbtechnischen SBR durchgeführt und mit Hilfe der gemessenen Nitrat- und Nitritkonzentration unter Verwendung des Softwarepaketes AQUASIM (REICHERT, 1994) die maximalen Denitrifikationsgeschwindigkeiten, die Halbwertskonstanten sowie die Hemmkonstanten bestimmt. Als Hemmprozesse wurden die Produkthemmung als Sonderform der kompetitiven Hemmung durch Nitrit auf den Denitratationsschritt und die Substrathemmung als Sonderform der unkompetitiven Hemmung durch Nitrit auf den Denitritationsschritt implementiert. Es zeigte sich, dass innerhalb der untersuchten Fälle im Batchreaktor bei Nitratausgangskonzentrationen von etwa 100 mg/L maximal 60 mg NO2-N/L gebildet wurden. Diese Nitritkonzentrationen führten zu keiner Hemmung auf die Denitrifikation. Eine gesicherte Aussage über eine mögliche Hemmung der Denitrifikation durch Nitrit bei höheren Inhibitorkonzentrationen kann jedoch nur nach Durchführung von entsprechenden Untersuchungen getroffen werden.
Die Auslegung des Nitrifikationsvolumens erfolgt mit Hilfe der maximalen Wachstumsrate der Nitrifikanten, aus der das aerobe Mindestschlammalter unter Berücksichtigung der Randbedingungen berechnet werden kann. Um das aerobe Beckenvolumen berechnen zu können, muss die Überschussschlammproduktion bekannt sein. Die Überschussschlammzusammensetzung und -menge wird durch die eingestellte Belastung, die feststoffproduzierenden Bestandteile des Rohsickerwassers sowie den stöchiometrischen und kinetischen Parametern (Ertrags- und Zerfallskoeffizienten) bestimmt.
Zur Ermittllung der maximalen Wachstumsrate wurden Batchversuche unter definierten Randbedingungen durchgeführt. Die Auswertung erfolgte anhand der Produktzunahme, d. h. die maximale Wachstumsrate der Nitrosomonas wurde mit Hilfe der zeitabhängigen Konzentrationsveränderung von Nitrit- und Nitratstickstoff bestimmt, während die maximale Wachstumsgeschwindigkeit der Nitrobacter über die zeitliche Veränderung des Nitratstickstoffes ermittelt wurde.
Dabei zeigte sich, dass das Wachstum der Nitrobacter geschwindigkeitsbestimmend für den Nitrifikationsprozess war. Eine Unterschätzung der Wachstumsgeschwindigkeit der Nitrobacter auf Grund der verwendeten Auswertungsmethodik konnte jedoch nicht ausgeschlossen werden, sodass bei einer Berechnung des erforderlichen aeroben Mindestschlammalters unter Verwendung der hier ermittelten maximalen Wachstumsrate für Nitrobacter eine Sicherheit enthalten ist. Weitergehende Untersuchungen mit Hauptaugenmerk auf den Prozess der Nitratation sollten durchgeführt werden, um diesen Punkt zu klären.
Untersuchungen hinsichtlich des Temperatureinflusses auf die maximale Wachstumsrate zeigten, dass sich die Wachstumsrate etwa um 10 % je Grad Celsius bei einer Erhöhung der Temperatur bis 28 °C steigerte. Bei Temperaturen über diesen Bereich hinaus spielte die Denaturierung der Enzyme eine Rolle, sodass die Kopplung der Wachstumsrate nur an den Arrheniuskoeffizienten zu einer Überschätzung der positiven Temperaturauswirkung auf die Wachstumsrate führt. Wird die Temperatur über das bei etwa 30 bis 35 °C liegende Optimum erhöht, findet eine deutliche Verlangsamung des Wachstums statt. Eine funktionale Beschreibung dieses Zusammenhanges kann jedoch erst nach weiteren Untersuchungen hinsichtlich des Temperatureinflusses auf das Wachstum bei Temperaturen von 30 bis 40 °C erfolgen. Dieser Temperaturbereich ist insbesondere bei Anlagen interessant, bei denen auf Grund des Ersatzes eines konventionellen Nachklärbeckens durch eine Ultrafiltration erhöhte Energieeinträge stattfinden können mit der Folge, dass durchaus Temperaturen zwischen 35 und 45 °C im Belebungsbecken entstehen.
Bezüglich der Nitrifikation beeinflusst der pH-Wert die Struktur der Enzyme, die Dissoziationsform von Ammonium/Ammoniak bzw. Nitrit/Salpetrige Säure und damit die Membrangängigkeit sowie durch die Abhängigkeit des Kalk-Kohlensäure-Gleichgewichtes vom pH-Wert das Angebot an anorganischem Kohlenstoff, dem eigentlichen Substrat der autotrophen Nitrifikanten. Bei leicht alkalischen pH-Werten ab 7,2 konnten keine wesentlichen Unterschiede bei der Abhängigkeit der Wachstumsrate vom pH-Wert festgestellt werden. Im pH-Neutralbereich bzw. im leicht sauren Bereich nahm die Wachstumsgeschwindigkeit ab, wobei eine Zuordnung der oben beschriebenen Effekte nicht vorgenommen werden konnte.
Bei den Untersuchungen zum Einflus von Salzkonzentration auf die Wachstumsrate wurde festgestellt, dass bei Belebtschlämmen, die an Chloridkonzentrationen von ca. 3 bis 5 g/L adaptiert waren, innerhalb eines Schwankungsbereiches von 4 g Chlorid/L keine signifikanten Unterschiede bei den ermittelten maximalen Wachstumsraten erkennbar waren. Höhere Salzkonzentration zwischen 15 und 20 g Cl-/L führten jedoch zu vergleichbar geringeren Wachstumsgeschwindigkeiten bei den Nitrifikanten. Ein an kommunales Abwasser adaptierter Belebtschlamm zeigte starke Einbußen bei der Wachstumsrate, wenn die Chloridkonzentration auf über 1 g/L erhöht wurde.
Zusammenfassend aus diesen Batchversuchen konnte eine maximale Wachstumsrate ermittelt werden, die in dem Temperaturbereich zwischen 10 und 28 °C mit µ = 0,15*1,1(T-15) beschrieben werden kann. Des Weiteren sind ergänzende Untersuchungen mit Belebtschlämmen aus Anlagen notwendig, die mit Temperaturen zwischen 30 und 40 °C betrieben werden, um Aussagen zu einer möglichen Adaption der Biozönose an diese Temperaturbereiche und einer eventuell korrespondierenden Verschiebung des Optimums mit erhöhten Wachstumsraten zu erlangen.
Um das Nitrifikationsvolumen anhand eines einzuhaltenden aeroben Mindestschlammalters auslegen zu können, muss die Überschussschlammproduktion bekannt sein. Diese hängt von der Rohsickerwasserbeschaffenheit, der Belastung und vom Zerfall der aktiven Bakterienmasse ab.
Mit Hilfe einer Sensitivitätsanalyse konnte festgestellt werden, dass der im Rohsickerwasser enthaltene Feststoff TS0 und die Fällungsprodukt-verursachenden Metallverbindungen eine maßgebende Rolle bei der Überschussschlammproduktion spielen. Der Anteil der aktiven Biomasse am Belebtschlamm kann durch die Verknüpfung des CSB-Abbaues bzw. nitrifizierten Stickstoffes mit den entsprechenden stöchiometrischen Größen YCSB´bzw. YN iterativ berechnet werden. Dazu muss der Zerfallskoeffizient bekannt sein, wobei sich diesbezüglich zeigte, dass die Größenordnung des Zerfalles sowohl der heterotrophen als auch der autotrophen Bakterien bei 0,057 1/d lag.
Mit diesem Ansatz konnten die Ertragskoeffizienten anhand von Untersuchungen an drei verschiedenen Sickerwässern bestimmt werden. Eine hinreichend genaue Bestimmung des YN konnte nur bei Sickerwässern mit einem geringen CSB/N erfolgen, da bei diesen Wässern der Nitrifikantenanteil groß genug war, um einen direkten Zusammenhang der Überschussschlammproduktion und der Stickstoffschlammbelastung herstellen zu können. Es ergab sich ein YN von 0,075 g oTS/g N.
Hinsichtlich des Ertragskoeffizienten der CSB-Abbauer muss eine differenzierte Betrachtung durchgeführt werden. Wird der im Rohsickerwasser enthaltene biologisch zugängliche CSB aerob abgebaut, kann mit einem YCSB´von 0,23 g oTS/g CSB´ gerechnet werden. Je nach Reinigungsziel muss jedoch, wie oben beschrieben, Kohlenstoff zugegeben werden, um eine Denitrifikation sicherstellen zu können. Dieser externe Kohlenstoff wird im Wesentlichen anoxisch abgebaut, wobei allerdings keine Unterscheidung bei der Ermittlung des Ertragskoeffizienten zwischen dem Abbau des Rohsickerwasser-CSB und des externen CSB vorgenommen werden konnte. Daraus ergeben sich bei überwiegendem anoxischen Abbau des externen CSB in der Denitrifikationsstufe und aeroben Abbau des Rohsickerwasser-CSB Ertragskoeffizienten von 0,12 g oTS/g CSB´ bei Verwendung von Methanol als Kohlenstoffquelle bzw. etwa 0,19 g oTS/g CSB´ bei Essigsäure als C-Quelle.
Mit Hilfe der Sickerwassermenge und -zusammensetzung, eines aeroben Mindestschlammalters sowie der Überschussschlammproduktion kann eine einstufige Belebungsanlage ausgelegt werden.
Dazu wird im ersten Schritt eine Stickstoffbilanz durchgeführt, um anhand der zu denitrifizierenden Nitratstickstofffracht und der eingesetzten Kohlenstoffquelle das Denitrifikationsvolumen zu bestimmen.
Im zweiten Schritt wird das aerobe Mindestschlammalter ermittelt, wobei durch die Berücksichtigung der Substratkonzentration im Reaktor, der Sauerstoffkonzentration und des pH-Wertes ein Sicherheitsfaktor von 6 notwendig ist, sodass sich entsprechend der oben angegebenen maximalen Wachstumsrate ein notwendiges aerobes Schlammalter von 40 Tagen bei 15 °C ergibt. Die mögliche Hemmung durch sickerwasserspezifische Inhaltsstoffe konnte nur bei der Ermittlung der maximalen Wachstumsrate durch Aufwuchsversuche im Sickerwasser implizit berücksichtigt werden.
Die Ermittlung des notwendigen Nitrifikationsvolumens erfolgt unter Berücksichtigung der Auslegungswassermenge, der Rohsickerwasserzusammensetzung, des Denitrifikationsvolumens und der eingesetzten externen Kohlenstoffquelle sowie den stöchiometrischen und kinetischen Parametern auf iterativem Weg mit Hilfe der in Kapitel 6 und 7 beschriebenen Rechenalgorithmen.
Damit kann die Auslegung einer einstufigen biologischen Belebungsanlage erfolgen, in der im Wesentlichen die Stickstoffelimination innerhalb einer mehrstufigen Verfahrenskette zur Behandlung von Sickerwasser aus Siedlungsabfall stattfindet. Auf Grund des verbleibenden Rest-CSB und des AOX kann eine biologische Stufe in der Regel nicht die Aufgabe der Vollreinigung übernehmen.
Zukünftige Untersuchungen sollten zur Erweiterung der vorhandenen Datenbasis dienen, um möglicherweise geringere Sicherheiten bei gleichzeitig ausreichender Betriebsstabilität tolerieren zu können. Dabei ist das Hauptaugenmerk auf die maximale Wachstumsrate und den Temperatureinfluss insbesondere bei höheren Temperaturen sowie auf die stöchiometrischen und kinetischen Parameter zu richten. Des Weiteren sind die bisher verwendeten biologischen Verfahrenstechniken hinsichtlich möglicher Optimierungen zu überdenken. Das in der Regel angewendete Verfahren der vorgeschalteten Denitrifikation hatte sicher seine Berechtigung bei Sickerwässern mit einem hohen Anteil an leicht abbaubaren Kohlenstoffverbindungen aus Gründen der Ausnutzung dieser C-Quellen bei einer Denitrifikation. Bei Sickerwässern, die überwiegend aus in der Methanphase befindlichen Deponien stammen, muss der Kohlenstoffbedarf bei einer weitestgehenden Stickstoffelimination durch Zugabe von leicht abbaubaren Substraten gedeckt werden. Hier würde das benötigte Beckenvolumen deutlich verringert werden, wenn in einem zweistufigen System mit getrennten Schlammkreisläufen in der ersten Stufe nitrifiziert und in der zweiten Stufe denitrifiziert werden würde.
Als weitere Alternative bietet sich die SBR-Technologie an, bei der im Gegensatz zu kontinuierlich beschickten, volldurchmischten Anlagen und den damit verbundenen erforderlichen niedrigen Substratkonzentrationen im Reaktor durch die Annäherung an eine ideale Pfropfenströmung überwiegend mit hohen Umsatzgeschwindigkeiten gearbeitet werden könnte. Als Folge würden deutliche kleinere Belebungsbecken erforderlich. Allerdings muss der mögliche Hemmeinfluss durch die höheren Substratkonzentrationen insbesondere von Ammonium und Nitrit bei der Nitrifikation bzw. von Nitrit bei der Denitrifikation untersucht werden. Erste vielversprechende Ergebnisse dazu wurden von DOCKHORN et al. (1997) veröffentlicht.