Projekt 14996/01

Entwicklung eines zweistufigen biologischen Verfahrens zur Reinigung von Deponiesickerwasser und industriellen Abwässern mit komplexen Stoffgemischen

Projektträger

ÖKOTEC Energiemanagement GmbH EUREF-Campus, Haus 13
Torgauer Str. 12 - 15
10829 Berlin
Telefon: 030/536397-30

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Da Deponiesickerwasser nach dem Stand der Technik unter Berücksichtigung der im Abwasser enthaltenen Schadstoffe gereinigt werden muss, ist es von Interesse, effiziente Reinigungsverfahren zu entwickeln, die neben einem guten Preis-Leistungsverhältnis eine spürbare Entlastung der Umwelt bewirken. Erst nach Ausschöpfung des Reinigungsvermögens aller biologischer Prozesse sollte auf teurere physikalisch-chemische Verfahren zurückgegriffen werden.
In Laborkläranlagen wird untersucht, ob Deponiesickerwasser durch zwei über Membransysteme gekoppelte biologische Stufen gereinigt werden kann. Das minimale Reinigungsziel ist die Einhaltung der Grenzwerte nach Anhang 51 Oberirdische Ablagerungen von Abfällen der Abwasserverordnung.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenDie Untersuchungen werden mit Sickerwässern der Brandenburger Deponien Schöneiche und Vorketzin (Betreiber MEAB) durchgeführt. In der ersten biologischen Reinigungsstufe sollen die leicht abbaubaren organischen Verbindungen degradiert und Stickstoff weitestgehend eliminiert werden. Nach Mikro- und Nanofiltration wird das aufkonzentrierte Sickerwasser (Teilstrom 10 - 30 %) zu einer zweiten biologischen Stufe geleitet. Hier werden die Mikroorganismen gezwungen, die in der ersten Stufe nicht eliminierten organischen Stoffe als ausschließliche Nährstoffquellen zu reduzieren. Der überwiegende Teil des Sickerwassers (70 - 90 %) kann als Permeat der Nanofiltration direkt in den Vorfluter geleitet werden. Das verminderte Abwasservolumen führt zu einer erheblichen Kostenreduzierung bei der Ausle-gung der zweiten Stufe. Zur Optimierung des Wirkungsgrades der zweiten Stufe werden die Reaktortypen Suspensionsreaktor, Wirbelschichtreaktor und Festbettreaktor getestet: Untersucht werden die Zu- und Abläufe gemäß der in Anhang 51 festgelegten Einleitwerte.


Ergebnisse und Diskussion

Die Konzentration der Sickerwasserinhaltsstoffe ist stark abhängig von den Niederschlagsmengen zum jeweiligen Probennahmezeitpunkt sowie dem Grad der Ausfällung von Partikeln, bedingt durch die Lage-rung des Sickerwassers. Das Verhältnis der Komponenten zueinander kann sich aufgrund des Lösungsverhaltens ebenfalls stark verändern, (siehe Ergebnisteil des Zwischenberichts: Zulaufkonzentrationen von CSB und Gesamt-Stickstoff).
In der jeweiligen Ausgangskonfiguration ist die organische Fracht des Sickerwassers aus der Deponie Schöneiche durchschnittlich um 60 bis 70 % und des geringer belasteten aus Vorketzin um 50 % bakteriell abbaubar.
Während des ersten Versuchslaufs kam es nach 150 Tagen zu einem starken Anstieg der Ammoniumkonzentration im Rohsickerwasser aus Schöneiche. Das Verfahrensprinzip der vorgeschalteten Denitrifikation erwies sich spätestens ab diesem Zeitpunkt als ungeeignet für eine zufriedenstellende Stickstoffelimination. Das im zweiten Reaktor der Biostufe 1 gebildete Nitrat (Nitrifikation) muss im Kreislauf in den vorderen Reaktor zurückgepumpt werden. Gleichzeitig verlässt ein Großteil des Nitrats die Stufe 1 über die Mikrofiltrationsanlage. Außerdem konnten die Denitrifizierer die im Sickerwasser enthaltenen Kohlenstoffquellen nur unzureichend verwerten. Dies führte zu einem neuen Konzept der Anlagenkonfigurierung.
Nach dem Umbau der Laborkläranlage wurde das Deponiesickerwasser in ein Nitrifikationsfestbett geleitet. Neben einer Reduzierung der organischen Belastung wurde das Ammonium zu Nitrat oxidiert und in ein Denitrifikationsfestbett geleitet. Als organische Kohlenstoffquelle diente Natriumacetat, das gleichzeitig die saure Nitratbildung abpufferte. Danach folgte ein Festbettreaktor mit heterotrophen Bakterien, die für den weiteren organischen Abbau des Sickerwassers vorgesehen waren.
Während das Permeat der sich anschließenden Nanofiltrationsanlage eingeleitet wurde, musste das Konzentrat in einer zweiten Stufe nachbehandelt werden. Keiner der drei als zweite Stufe eingesetzten Fermentertypen (Rühr-, Wirbelschicht- und Festbettreaktor) zeigte einen nennenswerten weitergehenden bakteriellen Abbau des Sickerwassers.
Dies führte zu einer eingehenderen Untersuchung der organischen Restfracht des in Stufe 1 behandelten Sickerwassers. Der refraktäre Rest besteht hauptsächlich aus Fulvosäuren, die durch die Nanofiltrationsanlage aufkonzentriert werden (Trenngrenze um 350 Dalton). Vergleiche der Färbung und des Wellenlängenspektrums des NF-Konzentrats mit Referenzlösungen von Humin- und Fulvosäuren belegen dies. Eine Aufnahme der Fulvosäuren durch Bakterien ist aufgrund der Molekülmasse von 800 bis 9000 nicht möglich. Die maximale Permeabilität einer Bakterienzelle für die unspezifische Aufnahme von Makromolekülen liegt bei einer Molekülmasse von 600. Da Fulvosäuren Ab- bzw. Umbauprodukte des Lignins sind, bieten sich Holz abbauende Braun- und Weißfäulepilze als biologische Alternative zur konventionellen weitergehenden Sickerwasserreinigung an. In ersten Schüttelkulturen werden zur Zeit 14 verschiedene Pilzarten bezüglich ihres Abbaus des NF-Konzentrats getestet.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

Beiratssitzung am 04.09.00 nach Vorlage eines Zwischenberichts


Fazit

Die Ausgangskonfiguration der Zweistufen-Biologie hat sich nur bei geringeren Belastungen des Deponiesickerwassers bewährt. Durch Umbau der Stufe 1 konnte Stickstoff bei wesentlich höheren Zulaufkonzentrationen besser aus dem Sickerwasser entfernt werden. Hier bestehen aber noch weitere Möglichkeiten der Optimierung: Werden im ersten Festbett zunächst die bakteriell abbaubaren organischen Stoffe reduziert, können sich die Ammoniumoxidierer in zweiten Festbett unbeeinflusst von schneller wachsenden Bakterien ansiedeln und ihre Aufgabe besser erfüllen.
Ein bakterieller Abbau des refraktären Rest-CSB in Biostufe 2 ist aufgrund der Molekülgröße der Huminstoffe in vertretbaren Zeiträumen nicht möglich. Huminstoffe lassen sich allerdings durch Braun- und Weißfäulepilze abbauen. Erste Versuche mit Reinkulturen laufen.
Sowohl für Biostufe 1 als auch für Stufe 2 besteht weiter Forschungsbedarf.