Biologiebecken 1 - 4    Vorgeschaltete Denitrifikation

Was möchten wir in diesen Biologiebecken erreichen?

Bei geeigneten Bedingungen wird in diesen 4 Biologiebecken ein Umbau des Stickstoffes angestrebt. Diese geeigneten Bedingungen bewirken, dass es in unserer Anlage ein Programmablauf Sommerbetrieb und ein Programmablauf Winterbetrieb angewählt werden kann.

Winterbetrieb

Diese Betriebsart wird gewählt wenn die Wassertemperatur weniger als 12°C beträgt. In dieser Betriebsweise ist nur die Nitrifikation und keine Denitrifikation möglich.

Dabei wird in den Biologiebecken 1 - 4 gleich wie in den Biologiebecken 5 + 6 Luftsauerstoff eingeblasen. Der Sauerstoffgehalt in diesem vorgeschalteten Biologieblock wird auf 0.5 - 1.5 mg O ₂ / l gehalten.

Sommerbetrieb   normaler Betrieb

In dieser Betriebsweise ist eine Teil-Denitrifikation möglich. Diese Betriebsart wird gewählt wenn die Belebtschlamm Temperatur mehr als 12°C beträgt. Im Sommerbetrieb betreiben wir diesen Biologieblock als vorgeschaltete Denitrifikation.

Unter Denitrifikation versteht man die Fähigkeit von Mikroorganismen, selektiv Nitrat durch enzymatische Aktivitäten zu molekularem Stickstoff zu reduzieren. Dieser Prozess findet nur statt, wenn kein frei gelöster Sauerstoff im Wasser vorhanden ist (anoxisch). Die Denitrifikation ist der einzige biologisch bekannte Prozess, durch den organische oder anorganische Stickstoffverbindungen zu Stickstoffgas zersetzt und letztlich wieder in den Stickstoffkreislauf der Atmosphäre, zurückgeführt werden können. Wie bei der Nitrifikation sind auch bei der Denitrifikation verschiedene bakterielle Enzyme beteiligt. Im Unterschied dazu kann die Denitrifikation von einem einzigen Organismus durchgeführt werden. Die Reaktion ist also nicht vom Vorhandensein zweier verschiedener Bakterienstämme abhängig. An der Umwandlung des Nitrat-Stickstoffs sind Organismen beteiligt, die man allgemein als Denitrifikanten bezeichnet.

Durch Bakterien unter Sauerstoffmangel vorgenommener Umbau des Nitrates zu Stickstoff und Sauerstoff durch bestimmte Mikroorganismen den sogenanten Denitrifikanten. Die Denitrifikation wird in der biologischen Abwasserreinigung als Folgeschritt nach der Nitrifikation für den Abbau von Stickstoffverbindungen genutzt.

Um in diesen Biologiebecken 1 - 4 die vorgeschaltete Denitrifikation besser betreiben zu können wird die Stossbelüftung nach und nach aufgehoben. Eine effiziente Denitrifikation kann nur unter Ausschluss von gelöstem Sauerstoff betrieben werden. Die Belebtschlammmenge muss gut durchmischt in Schwebe gehalten werden. Dies wird mit dem Einbau von einem Rührsystemen erreicht.

Denitrifikation vereinfachter Ablauf

Vorgeschaltete Denitrifikation

Bei diesem Verfahren gelangen Ammonium Verbindungen vom Zulauf der Kläranlage unverändert durch die Denitrifikationsstufe in die nachfolgende Nitrifikation. Erst dort werden diese Verbindungen unter aeroben Bedingungen in Nitrat umgewandelt und wieder in den Zulauf der Denitrifikation zurückgeführt. Dies geschieht mittels des Rücklaufschlamms, in dem der grösste Teil der Nitratverbindungen enthalten ist. Die vorgeschaltete Denitrifikation findet in unbelüfteten Becken statt. Es muss gewährleistet werden dass die Biomasse in Schwebe gehalten wird. In unseren Denitrifikationsbecken ist eine Belüftungseinrichtung eingebaut. Im Sommerbetrieb wird alle 30 Minuten für 2 Minuten die Belüftung in Betrieb gesetzt, damit die Belebtschlammmenge in Schwebe gehalten werden kann.

Sanierung Biologiebecken Denitrifikation   2014 - 2016

Nach einer Testreihe ab 12. Februar 2014 mit zwei Oloid-Rührsystemen, mit Strömungsmessungen durch die Hochschule Rapperswil gelangte man zu Erkenntnissen, dass sich wegen der Beckengeometrie diese Variante nicht eignete und darum nicht einsetzbar ist.

In der Folge bauten wir im Betriebsjahr 2014 am 11. Juni im Biologiebecken 3 das erste Rührwerk provisorisch ebenfalls zu Testzwecken ein. Diese Testreihe zeigte ein gutes Ergebnis. Also wurde am 05. November 2014 im Biologiebecken 2 das zweite Rührwerk ebenfalls provisorisch in Betreib gesetzt. Im Betriebsjahr 2016 wird die Sanierung der Belüftungsanlage fortgesetzt. In die Biologiebecken 1 und 4 werden ebenfalls Rührwerke eingebaut und alle vier Rührwerke mit Frequenzumrichter geregelt betrieben.

Ein Vorteil dieses Konzeptes liegt darin dass im Block 1 der Denitrifikationsstufe, umgesetzte Nitrat-Sauerstoff schon zum biologischen Abbau der organischen Inhaltsstoffe des Abwassers (BSB5-Wert) genutzt wird. Das heisst es ist keine externe Zugabe von Kohlenstoffquellen zum Nitratabbau notwendig. Im anschliessenden Block 2 Biologiebecken 5 + 6 Nitrifikationsstufe ist aufgrund dieses Sachverhalts ein verminderter Sauerstoffbedarf vorhanden, da der BSB-Wert in der Denitrifikationsstufe schon reduziert wurde. Als Folge muss das Nitrifikationsbecken weniger belüftet werden, wodurch Energiekosten eingespart werden können. Bei der vorgeschalteten Denitrifikation ist es in der Regel nicht möglich, das gesamte Nitrat aus dem Abwasser zu entfernen, da der anfallende Schlamm nicht vollständig in die Denitrifikation zurückgeführt werden kann. Dies würde die Abwasserdurchflusskapazität der Kläranlage überfordern. Die hydraulische Belastung wäre zu hoch. Hierin liegt einer der Nachteile der Vorschaltung der Denitrifikation. Je nach Situation führen die für den Rücklaufschlamm benötigten Pumpen zu hohen Energie- und Investitionskosten. Eine Problemlösung stellt der Einsatz spezieller Rührsysteme dar. Da das Abwasser mit dem Rücklaufschlamm vermischt werden muss, um Konzentrationsunterschiede im Klärbecken zu vermeiden müssen Rührsysteme eingesetzt werden.

Die technische Ausrüstung Belebtschlammbecken 1 - 4:

Vorgeschalteter Denitrifikation Block

•  1 Rührwerk Typ ABS XSB 1621 / Becken

•  1 Sauerstoffsonde / Becken

•  1 Regulierschieber Luftsauerstoffeintrag / Becken

• 14 Streifenbelüfter Aussenmasse:   (LxB) 4'000 x 150 mm / Becken

• Belüftbare Fläche pro Streifenbelüfter:   0,58 m²

• Max. Sauerstoffeintrag pro Streifenbelüfter:   77 Nm³/h

• Belüftbare Fläche:   8,2 m² / Becken

• Beckenbodenfläche:   96 m² / Becken

• Flächenausnutzung:   8,54 %

Rücklaufschlamm

•  1 Regulierschieber Rücklaufschlamm / Becken

•  1 Durchflussmessung Rücklaufschlamm / Becken

Überschussschlamm

•  1 Pneumatikschieber Überschussschlamm / Nachklärbecken

•  1 Bypass Handschieber / 2 Becken

Interner Kreislauf (Bio-P)

•  1 Regulierschieber Interner Kreislauf / Becken

•  1 Durchflussmessung Interner Kreislauf / Becken

Kennzahlen Biologiebecken 1 - 4

Optimale Wachstumsbedingungen für Mikroorganismen

Um die oben aufgeführten Verfahrensabläufe optimal ablaufenzulassen, muss für ein optimales Wachstum der Mikroorganismen, auch ein möglichst ausgewogenes Nährstoff-Angebot vorhanden sein. Auf Grund der chemischen Zusammensetzung der Mikroorganismen sollten die folgenden Stoffverhältnisse im Vorgeklärten Abwasser vorhanden sein:

BSB₅  :  Ammonium (NH₄)  :  Phosphor (POP₄)  =   50   :   4   :   1

Leider kann dieses optimale Verhältnis durch den Betreiber der Abwasserreinigungsanlage nur wenig beeinflusst werden

Biologische Abwasserreinigung

Eigentlich biochemische Abwasserreinigung, da neben biologischen Abbauprozessen parallel dazu auch chemische Reaktionen stattfinden. In der Abwasserreinigung besteht zudem das Problem, dass viele Abbauschritte und somit Metabolite nicht immer ausreichend bekannt sind. Metabolite sind Abbauprodukte eines biochemischen Abbaus sowie die Abbauzwischenprodukte.

Die im Abwasser enthaltenen organischen Verbindungen werden in der biologischen Abwasserreinigung einem Abbauprozess (Sekundärstoffwechsel) zugeführt. Der Abbau erfolgt im Wesentlichen durch Mikroorganismen in Verbindung mit gelöstem Sauerstoff bei aeroben Abbauvorgängen oder unter Sauerstoff Ausschluss bei anaeroben Prozessen. Dabei entstehen durch Umwandlungsprozesse anorganische Verbindungen und Biomasse.

Das am häufigsten angewandte Verfahren der biologischen Abwasserreinigung ist das Belebtschlammverfahren. Kontinuierlich durchflossene Biologiebecken, mit einem vorgeschalteten Vorklärbecken und einem nachgeschalteten Nachklärbecken eignen sich am besten für die aeroben Abbauvorgänge.

Die biologische Abwasserreinigung erfolgt in der Regel ohne Störungen oder Probleme, solange die Kleinstlebewesen vor Säuren, Laugen und Giftstoffen geschützt sind und ihnen mit dem Abwasser stets neue Nahrung und genügend Sauerstoff zugeführt wird. In ausreichend bemessenen und sorgfältig betriebenen mechanisch-biologischen Kläranlagen können Abwässer so weit gereinigt werden, dass Fische im Vorfluter leben können.

Allerdings vermehren sich die Bakterien dabei und es wird aus einem Teil ihrer organischen Substanz neue Biomasse. Die Biomasse in einer gut funktionierenden Abwasserreinigung muss konstant gehalten werden. Dieses Ziel erreicht das Betriebspersonal indem es zu jedem Zeitpunkt weiss, wie viel Belebtschlamm in welchen Biologiebecken vorhanden ist. Um die Belebtschlammmenge in den verschiedenen Biologiebecken konstant zu halten, muss aus dem jeweiligen Becken soviel Belebtschlamm als Überschussschlamm aus der Anlage abgezogen werden, wie zuwächst.

Bakterien

Bakterien spielen bei der biologischen Reinigung von Abwasser eine herausragende Rolle. Sie bewerkstelligen vielfältige Stoffumwandlungsreaktionen. Als deren Ergebnis können Wertstoffe wie Methangas (CH4) entstehen. Aus der übrigen Biomasse (Klärschlamm), organische Endprodukte wie Essigsäure (CH3) oder mineralische Endprodukte wie Kohlendioxid oder Kohlensäure (CO2), Stickstoff (N2) oder Wasser (H2O). Jede Bakterienart hat spezielle Stoffwechselfähigkeiten, die genutzt werden können. Aber auch Milieuansprüche, die befriedigt werden müssen, um die speziellen Fähigkeiten der Art auszunutzen.

Bakterien bestehen gemessen am Trockengewicht zu 70 bis 85% aus Wasser und der Rest zu 50% aus Proteinen. Die Zellwand macht 10 bis 20% aus, die DNS 3 bis 4%, die RNS 10 bis 20%. Dazu kommen Lipide und andere Substanzen mit ca. 10%.

Belebtschlamm (Biomasse)

Die bei der aeroben biologischen Abwasserreinigung durch den Abbau der Abwasserinhaltstoffe im Belebungsbecken gebildete Biomasse samt anorganischen und organischen Anteile, wird als Belebtschlamm bezeichnet. Der Belebtschlamm liegt in der Regel in Form von Flocken vor, die neben lebender und toter Biomasse organische und mineralische Anteile enthalten. Belebtschlammflocken bestehen im Idealfall aus einem bräunlich gefärbten mineralischen Kern, in dem anaerobe Bedingungen herrschen und aus einer biologisch aktiven, aeroben grauen Randzone aus Mikroorganismen. Das Sedimentationsverhalten der Belebtschlammflocken ist von grosser Bedeutung für die Funktion der biologischen Reinigungsstufe. Damit die Biomasse ohne Probleme vom gereinigten Abwasser getrennt und nach Bedarf als Rücklaufschlamm in die Biologiebecken zurückgeführt werden kann, müssen die Flocken gut absetzbar sein.

Gut absetzbarer Belebtschlamm Schlammvolumenindex ISV von kommunalem Abwasser 80-120 ml/g.

Schlecht absetzbarer Belebtschlamm oder Blähschlamm Schlammvolumenindex ISV grösser 150-200 ml/g.

Rücklaufschlamm

Beim Belebtschlammverfahren erfolgt nach dem Abbau der Schadstoffe im Abwasser eine Trennung des Belebtschlammes vom gereinigten Wasser in der Nachklärung. Ein Grossteil des abgetrennten Belebtschlammes wird in das Belebungsbecken als Rücklaufschlamm zurückgeführt. Ein kleinerer Teil wird dem System als Überschussschlamm entnommen.

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