Faulraum Schlammbehandlung

Was hat der Faulraum für eine Aufgabe

Faulräume sind Bauwerke aus Beton, Spannbeton oder Stahl, die in Abwasserreinigungsanlagen eingesetzt werden. Diese Anlagenteile dienen dem Abbau des organischen Trockenrückstandes und der anaeroben Stabilisierung des in der Abwasserreinigung anfallenden Frischschlammes aus der Abwasserreinigung.

Zusammensetzung des Frischschlammes

Frischschlamm besteht aus Primärschlamm aus der Vorklärung und Sekundärschlamm (Überschussschlamm) aus der biologischen Reinigungsstufe. Der Frischschlamm muss vor der Verwertung aufgrund des hohen Gehalts an organischer Substanz und der damit verbundenen hohen biologischen Aktivität zunächst ausgefault und stabilisiert werden.

Primärschlamm

Partikuläre Bestandteile des Abwassers werden in der Vorklärung zu 50 bis 60 % abgeschieden und als Primärschlamm bezeichnet. Primärschlamm weist gute statische Eindickeigenschaften auf. Die Eindickung auf einen Trockenrückstand von 2 - 4%TR in den Absetztrichtern der Vorklärbecken ist ein üblicher Wert. Aufgrund des hohen Gehalts an organischer, leicht faulfähiger Substanz gehen jedoch intensive Geruchsemissionen vom Primärschlamm aus, wenn er turbulent bewegt wird.

Sekundärschlamm

Beim Abbau der gelösten Abwasserinhaltsstoffe in der biologischen Reinigung entsteht der Sekundärschlamm. Durch aktive Belüftung der Biomasse werden die enthaltenen organischen Anteile etwa zu 50% veratmet, beziehungsweise in neu gebildete Biomasse überführt. Damit die Belebtschlammfracht auf einem konstanten Wert gehalten werden kann, wird die darüber hinaus neubebildete Biologische Sekundärschlamm Fracht aus dem System abgetrennt. Diese abgetrennte Schlammfracht bekommt den zutreffenden Namensbegriff Überschussschlamm.

Überschussschlamm

Diese aus der biologischen Reinigungstufe abgetrennte Schlammfracht, der sogenannte Überschussschlamm enthält neben der reinen Bakterienmasse auch die inerte partikuläre Substanz aus dem Zulauf der Vorklärung.

Anaerobe Abbaubarkeit von Frischschlamm

Die Mischung aus den oben erwähnten Klärschlamm Arten werden Frischschlamm (FS) genannt.

Dieser Begriff bezieht sich auf nicht stabilisierten Schlamm.

Zusammensetzung Frischschlamm Betriebsjahr 2017

Abbaubarkeit von Klärschlamm

Schlammarten

Alle 3 Schlammarten unterscheiden sich jedoch, wie im vorhergehenden Kapitel beschrieben, erheblich in ihrer Zusammensetzung und damit in ihrer anaeroben Abbaubarkeit.

Aus Schlammbilanzen der anaeroben Faulungen mit Primär- und unstabilisiertem Überschussschlamm ergeben sich folgende mögliche Abbaugrade in einer mesophilen Schlammfaulung:

Der Abbaugrad des Überschussschlammes in der anaeroben Faulung wird mit steigendem Schlammalter in der biologischen Stufe beziehungsweise mit zunehmender simultaner aerober Stabilisierung immer geringer.

Frischschlammstabilisierung

In hochbelasteten Abwasserreinigungsanlagen fallen täglich frische Abwasserschlämme mit hohem Gehalt an organischen Substrat an. Die Verwertung dieser Schlämme setzt eine Schlammstabilisierung voraus. Übliches Verfahren hierzu ist die anaerobe Schlammstabilisierung (Schlammfaulung).

Anaerobe Schlammstabilisierung

Die anaerobe Schlammstabilisierung (Schlammfaulung) findet unter Luftausschluss statt. Dabei werden die organischen Bestandteile des Frischschlammes abgebaut und in Methan, Kohlendioxid und Schwefelwasserstoff übergeführt.

Die anaerobe Stabilisierung von Frischschlamm wird zur Energieproduktion angewendet und erfolgt in geschlossenen Faulräumen. Unter anaerober Stabilisierung versteht man den Abbau von organischen Verbindungen, die in den Bakterienzellen des Klärschlammes eingeschlossen sind.

Das entstehende Klärgas kann als Energieträger für Heizungszwecke oder als Antriebsenergie für Gasmotoren oder Blockheizkraftwerke (BHKW) verwendet werden. Die dabei anfallende Wärmeenergie wird für die Beheizung der Faulräume verwendet.

Der gut stabilisierte Schlamm gibt sein Wasser (Faulwasser) verhältnismässig leicht ab und lässt sich somit gut entwässern.

Kennzahlen Schlammbehandlung ARA Untermarch im 5 Jahre Vergleich  1997 / 2002 / 2007 / 2012 / 2017

Klärgas, Faulgas, Biogas

Biogas ist das gasförmige Produkt des anaeroben Abbaues (Faulung oder Gärung) und kann aus nahezu allen organischen Abfällen hergestellt werden. Entstehungsorte sind Abwasserreinigungsanlagen, Deponien und die Landwirtschaft. Die Möglichkeit, mit Biogas den Anteil regenerativer (erneuerbarer) Energieträger an der Stromerzeugung zu erhöhen und gleichzeitig Verwertungprobleme zu lösen, haben Biogas in den letzten Jahren zu immer grösserer Bedeutung verholfen. Abwasserreinigungsanlagen können durch eine effektive Biogasnutzung einen grossen Teil des Energiebedarfs selbst decken.

Entstehung von Faulgas

Faulgas entsteht aus dem Abbauprozess von organischem partikulärem Material im Klärschlamm. Dem Faulraum werden vor allem partikuläre Stoffe (Schlamm, bestehend aus Biopolymeren, zum Beispiel Proteine, Kohlenhydrate und Fette) zugeführt.

Folgende sechs Prozesse sind für die Faulgasproduktion erforderlich

1. Die Hydrolyse von Biopolymeren

1. Hydrolyse von Proteinen

2. Hydrolyse von Kohlenhydraten

3. Hydrolyse von Fetten (Lipiden)

2. Fermentation Aminosäuren und Zucker

3. Anaerobe Oxidation von Fettsäuren und Alkoholen

4. Anaerobe Oxidation von Zwischenprodukten

5. Acetatabbau

6. Oxidation von Wasserstoff (H) zu Methan (CH₄)

1. Hydrolyse von Biopolymeren

Im ersten Schritt werden die partikulären Stoffe hydrolisiert, das heisst sie werden in lösliche Stoffe überführt, die dann von Mikroorganismen als Substrate aufgenommen werden können. Chemisch betrachtet ist die Hydrolyse die Spaltung einer chemischen Verbindung unter Anlagerung eines Wassermoleküls. Im Bereich der Abwasserreinigung wird darunter die Zerkleinerung partikulärer organischer Substanzen durch Einwirkung von Mikroorganismen verstanden. Viele organische Stoffe im Abwasser liegen in Form von Kolloiden oder hochmolekularen Verbindungen vor, die von den Bakterien nicht direkt aufgenommen und abgebaut werden können. Sie scheiden deshalb Enzyme aus, die diese Stoffe in ihre einzelnen, wasserlöslichen Bausteine zerlegen und sie damit für den Abbau verfügbar machen. Dieser Prozess der Auflösung ist sehr komplex. Er ist abhängig von Temperatur, pH-Wert und einer intensiven Durchmischung.

2. Fermentation

Zucker und Aminosäuren werden durch Fermentation (Gärung) in einfache Abbauprodukte überführt. Dieser Prozess läuft recht schnell und vollständig ab. Beim Abbau von Aminosäuren wird Ammoniak (NH₃) freigesetzt, das mit Kohlensäure (CO₂) reagiert. Dadurch wird im Faulraum ein beträchtliches Säurebildungsvermögen gebildet, das den grossen Vorteil hat das im Normalfall der pH-Wert im Vorfaulraum stabil bleibt.

3. Anaerobe Oxidation

Fettsäuren werden durch anaerobe Oxidation abgebaut. Anaerob oxidierende Bakterien wachsen nur langsam, was zu Problemen im Faulraum führen kann. Da bei diesem Prozess Wasserstoff (H) produziert wird, sind diese Bakterien darauf angewiesen, dass andere Bakterien laufend den produzierten Wasserstoff entfernen. Wasserstoff oxidierende Bakterien sind also unbedingt notwendig.

4. Abbau von Zwischenprodukten

Sowohl der Abbau von Butyrat als auch derjenige von Propionat sind langsame Prozesse, die für den Faulraum kritisch werden können.

5. Acetatabbau

Der grösste Teil des Methangases im Faulraum wird im Zuge Acetatspaltung gebildet (zirka 70%). Es sind vor allem 2 Gruppen von Bakterien, die diese Reaktion durchführen. In schwach belasteten Systemen mit langer Aufenthaltszeit von mehr als 15 Tagen reichert sich vor allem Methanotrix im Faulraum an. In hoch belasteten Systemen mit kurzer Aufenthaltszeit von weniger als 10 Tagen reichert sich vor allem Methanosaricina im Faulraum an.

6. Oxidation von Wasserstoff zu Methan

Aus dem Abbau von Wasserstoff (H) resultieren zirka 30% Methan (CH₄) im Faulraum.

Die typische Zusammensetzung von Klärgas

• 60% CH₄ Methan

• 35% CO₂ Kohlendioxid

• 5% Restgase

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