5.3    Messungen am Belebtschlamm

5.3.1    Konzentrationen

Nach dem Beimpfen des SBR-Reaktors mit 1,5 m3 Belebtschlamm aus der Kläranlage Zehdenick am 8.10.98 wurde die Entwicklung der Schlammkonzentration anhand des TS-Gehaltes und des Vergleichsschlammvolumens verfolgt. Sie ist in Abb. 5-8 wiedergegeben.

Abb. 5-8: Entwicklung der Schlammkonzentration

Eine Woche nach der Beimpfung lag der TS-Gehalt noch bei 1 g/l. Für die folgenden 6 Wochen ist eine Steigerung bis auf 4,9 g/l zu verzeichnen. Dieser Wert wurde über 10 Tage gehalten, bevor er bis zum 10.12. wieder auf 3,7 g/l absank. Die allmähliche Steigerung der Konzentration wurde in der Woche zwischen dem 29.10. und dem 5.11. unterbrochen: Am 2.11. wurde das Becken wegen nötiger Umbauarbeiten bis auf 1 m Füllhöhe entleert, so daß ein Teil des Belebtschlammes mit ausgetragen wurde.

Das Schlammalter wuchs im Laufe des Meßzeitraumes bis auf einen Höchstwert von 18 d an. Die Berechnung erfolgte nach ATV-M 210 (1997) und ist in Abb. 5-9 detailliert wiedergegeben.

CSBZu = 1227 mg/l Wirkungsgrad hVK = 0,25
CSB0 = CSBZu · (1 - hVK) = 920 mg/l  
BSB5 = 0,5 · CSB0 = 460 mg/l   (A 131, Tabelle 1)
Qd = 13 m3/d             BdBSB5 = Qd · BSB5 /1000 = 5,98 kg/d  
TS0/BSB5 (gewählt) = 0,8     
ÜSBSB5(tTS = 19 d) = 0,8 kg TS/kg BSB5   (A 131, Tabelle 8)
ÜSd = ÜSBSB5 · BdBSB5 = 4,78 kg TS/d    
TSR (30.11.98) = 4,9 g/l     
hW (30.11.98) = 2,18 m VR = hW · AR = 21,4 m3  
tR/tZ = 6 h/7,25 h = 0,83    
 (M 210, Gleichung 2 und 3)

Abb. 5-9: Berechnung des Schlammalters für den 30.11.98

Der Schlamm sank bei Spitzenkonzentrationen um 4,9 g TS/l innerhalb der einstündigen Sedimentationsphase um ca. 0,80 m, wenn der Absetzvorgang nicht durch einen Pumpstoß gestört wurde. Bei einer Absenkung des Wasserspiegels von 0,40 m während des Klarwasserabzugs ist auf einen Abstand zwischen Schlamm- und Wasserspiegel von > 0,40 m nach Beendigung der Dekantierphase zu schließen. Der in M 210 geforderte Mindestabstand von 0,25 m wurde damit eingehalten.

Im Zusammenhang mit dem Absinken der Schlammkonzentration gegen Ende der Meßkampagne ist darauf hinzuweisen, daß die Kläranlage während des gesamten Zeitraumes mit Sauerstoff unterversorgt war. Dies war nicht beabsichtigt und wurde erst relativ spät festgestellt, so daß innerhalb des Meßzeitraumes nicht mehr darauf reagiert werden konnte.

Die Leistung des Oberflächenbelüfters von 1,1 kW hätte nach Berechnungen von AKUT (1997) zumindest für einen vollständigen Kohlenstoffabbau ausreichen müssen. Sie rechnen mit einer Belüfterleistung von 0,75 kW sowie einem Ertrag des Belüfters von ca. 1 kg O2/kWh und gehen von einer BSB5-Fracht von 9,6 kg/d aus. Der Ertrag ist nach Auskunft der Herstellerfirma Linn Gerätebau niedriger anzusetzen. Er beträgt 0,6 kg O2/kWh bezogen auf die Aufnahmeleistung. Die Motornennleistung des verwendeten Gerätes von 1,1 kW entspricht einer Aufnahmeleistung von 1,5 kW. Der Sauerstoffeintrag liegt damit bei 0,9 kg O2/h; das sind 0,15 kg O2/h mehr als ursprünglich angenommen.

Auch hinsichtlich der BSB5-Fracht macht sich eine Abweichung vom Bemessungswert bemerkbar. Wird in Übereinstimmung mit A 131 BSB5 = 1/2 CSB gesetzt, so ergibt sich für die tatsächliche BSB5-Fracht nach der Vorklärung ein Wert von 0,5 x 0,75 x 16,4 = 6,15 kg/d. D.h., die Bedingungen für den Kohlenstoffabbau waren hinsichtlich der Belüfterleistung und an Werktagen auch hinsichtlich der BSB5-Fracht besser als nach den Bemessungsannahmen, so daß eine weitgehende Umwandlung des organischen Kohlenstoffes zu erwarten war. Ein Korrekturbedarf der Bemessungsgrundlagen bei der BSB5-Fracht wird dadurch jedoch nicht impliziert, da hierfür die zu erwartenden Spitzenfrachten heranzuziehen sind. Diese fallen hauptsächlich an Wochenendtagen an, wenn sich die meisten Personen im Ort aufhalten. Die Meßergebnisse beziehen sich aber ausschließlich auf Werktage.

Nach den Berechnungen in Abb. 5-10 war unter Bedingungen, wie sie zwischen dem 16.11. und dem 3.12.98 herrschten, eine weitgehende Stickstoffelimination jedoch nicht zu erwarten. Die errechnete erforderliche Sauerstoffzufuhr liegt bei 1,36 kg O2/h und wird durch den Nenneintrag von 0,9 kg O2/h nur zu 2/3 gedeckt. Der für den Kohlenstoffabbau errechnete Sauerstoffüberschuß hätte aber einen eingeschränkten Stickstoffabbau herbeiführen müssen.

Schlammalter tTS » 18 d T » 10 °C

OVC = 1,4 kg O2/kg BSB5 (A 131, Tabelle 9);

Stoßfaktor fC = 1,135 (A 131, Tabelle 10);

mittlere NH4-N-Konzentration = 96 mg/l; mittlere BSB5-Konzentration = 460 mg/l

Für vollständige Nitrifikation und 80 % Denitrifikation gilt:

OVN= (4,6 · NO3-Ne + 1,7 · NO3-ND)/BSB5 = (4,6 · 0,2 · 96 + 1,7 · 0,8 · 96)/460 = 0,48 kg O2/kg BSB5
(A 131, Gleichung (13)) (mit NO3-ND und BSB5 in mg/l)

Stoßfaktor fN = 1,8 (A 131, Tabelle 10);

Sauerstoffverbrauch OV = 1/(mz · tB) · (fC · OVC + fN · OVN) · BSB5,d in kg O2/h (M 210, Gl. (31))

(mit mz = Anzahl der Zyklen pro Tag; tB = Belüftungsdauer; BSB5,d = tägliche BSB5-Fracht)

OV = 1/(4 · 3,5) · (1,135 · 1,4 + 1,8 · 0,48) · 6,15 = 1,078 kg O2/h

Sauerstoffzufuhr aOV = CS/(CS-CX) · OV = 9,6/(9,6 - 2,0) · 1,078 = 1,36 kg O2/h

(mit CS = O2-Sättigungskonzentration, CX = gewählte O2-Konzentration im Becken)

Abb. 5-10: Berechnungsbeispiel der erforderlichen Sauerstoffzufuhr (nach M 210, ATV 1997)

Die tatsächliche Entwicklung folgte diesen Berechnungen jedoch nicht. Eine Messung des Sauerstoffgehaltes ergab, daß dieser auch während der Belüftungsphase die Grenze von 1 mg/l kaum erreichte. Dabei wurde zusätzlich festgestellt, daß nur eine Hälfte des Beckens durch die Belüftung erfaßt wurde. In der anderen Hälfte herrschten dauerhaft anaerobe Verhältnisse.

Konnte sich die Biozönose im Belebtschlamm zunächst auch bei dem herrschenden Sauerstoffmangel behaupten, so führten ab dem 3.12. die unter 0 °C sinkenden Lufttemperaturen schließlich zum Zusammenbruch. Es bildeten sich immer größere Mengen Schwimmschlamm, die den Belüfter überdeckten und vereisten, so daß die Sauerstoffzufuhr weiter verschlechtert wurde. Die verringerte Wachstumsrate konnte den Schlammabzug schließlich nicht mehr ausgleichen, und die Schlammkonzentration begann schnell zu sinken.

Schwimmschlamm tritt nach ATV (1998 a) hauptsächlich in Niedriglastanlagen auf, dort vermehrt bei Sauerstoffmangel, niedrigen Temperaturen und bei Einsatz von Oberflächenbelüftern. Die Kläranlage in Kappe lag mit BTS = 0,06 kg BSB5/kg TS,d bei einem TS-Gehalt von 4,7 g/l im niedrig belasteten Bereich. Demnach herrschten für Schwimmschlammbakterien vor allem mit dem Absinken der Temperatur ab dem 3.12. ideale Wachstumsbedingungen.

Abb. 5-8 ist weiterhin zu entnehmen, daß der konstante Sauerstoffmangel nicht mit einer verstärkten Blähschlammbildung einherging. Im Gegenteil verringerte sich der Schlammindex im Meßzeitraum von 100 bis auf 70 ml/g. Eine massenhafte Vermehrung von fadenbildenden Bakterien ist demnach trotz der schlechten Sauerstoffverhältnisse nicht eingetreten.

Der Schlammabzug war bis zum Ende des Meßzeitraumes nicht kontrollierbar. Durch einen baulichen oder konstruktiven Mangel war die Klarwasserabzugsvorrichtung auch während der Reaktions- und Sedimentationsphase nicht geschlossen, so daß unbeabsichtigt Belebtschlamm abgezogen wurde. Auf diesen ungesteuerten Überschußschlammabzug ist die nahezu konstante Schlammkonzentration zwischen dem 19.11. und dem 3.12. zurückzuführen und das nachfolgende Absinken der Konzentration (Abb. 5-8: Entwicklung der Schlammkonzentration).

Dem Sauerstoffmangel entsprechend verhielten sich die Ablaufwerte, deren Verlauf in Abb. 5-11 verfolgt werden kann. Für Ammonium liegen nur drei Meßwerte vor, da - wie in Abschnitt 4.2.3 erläutert - die Konzentrationsmessungen in den meisten Fällen zu Falschergebnissen führten. Es ist dennoch zu ersehen, daß sich die NH4-N-Konzentrationen im Bereich der Zulaufwerte bewegen. Eine nennenswerte Stickstoffumwandlung hat demnach zu keiner Zeit stattgefunden.

Abb. 5-11: Konzentrationen im Ablauf des SBR-Beckens

Beim Kohlenstoff zeichnete sich infolge des Schlammwachstums zunächst eine steigende Abbauleistung ab, wenngleich befriedigende Ergebnisse bis auf zwei Ausnahmen (5.11. und 19.11.) nicht erzielt wurden. Die dadurch verschlechterten Sauerstoffverhältnisse jedoch führten schließlich zu einem Anstieg des CSB bis über das ursprüngliche Niveau hinaus.

Das angestrebte Ziel einer weitgehenden Kohlenstoff- und Stickstoffelimination wurde also innerhalb des Meßzeitraumes nicht annähernd erreicht. Die Entwicklung des Belebtschlammes zu einer leistungsfähigen Biozönose wurde durch die mangelhafte Sauerstoffzufuhr entscheidend behindert.



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