Projekt 15831/01

Optimierung eines Schaumentnahmesystems mit anschließender Homogenisierung zur Verminderung von Betriebsproblemen auf kommunalen Kläranlagen durch Schwimmschlamm und Schaum

Projektträger

Stadt HildesheimFB: Grün, Straße und Vermessung
Markt 3
31134 Hildesheim
Telefon: 05121/301-511

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Auf vielen kommunalen Kläranlagen mit vollständiger biologischer Stickstoffelimination kommt es prozessbedingt zur Bildung von Schaum und fädigen Schlämmen. Hieraus ergeben sich negative Folgen, vor allem Schlammabtrieb in der Nachklärung und Betriebsstörungen in der Belebungsstufe sowie in der Schlammfaulung. Die Bekämpfung dieser Probleme mit Hilfe von Selektoren ist nicht immer wirksam und der Einsatz von Chemikalien ist umweltbelastend und führt zu höheren Betriebskosten.
Im Rahmen des Forschungsvorhabens sollte einerseits der großtechnische Einsatz eines Schaumentnahmesystems nach dem Förderbandprinzip erprobt und optimiert werden. Außerdem sollten unterschiedliche Verfahrensketten der mechanischen Schaumbehandlung (Störstoffentfernung und eigentliche Schaumbehandlung) auf ihre Zerstörungseffektivität hinsichtlich der schaumbildenden Mikroorganismen untersucht werden. Ziel war es, die Verfahrenskette zu ermitteln, die bei geringstem Energieverbrauch und größter Betriebssicherheit eine zuverlässige Schaumzerstörung ermöglicht.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenIm Rahmen des Forschungsvorhabens sollte zunächst der Ist-Zustand der Schlammbehandlung auf der Kläranlage (KA) Hildesheim untersucht und die Schaumentnahme optimiert werden. Begleitend hierzu sollten die Störstoffentfernung (Drucksiebung) und die Störstoffzerkleinerung (Gorator) als Vorbehandlungsverfahren getestet werden. Anschließend wurden die Homogenisatoren installiert, wobei der Schwerpunkt auf der Abstimmung mit den Peripherieaggregaten, der Praktikabilität der Gesamtanlage sowie auf deren Einbindung in den Betrieb der KA Hildesheim lag. In der ersten Phase des Gesamtprojektes sollten optimale Betriebsbedingungen für eine wirtschaftliche und nachhaltige Schaumzerstörung gefunden werden. Diesbezüglich wurde der Homogenisator bei Drücken von 80 bis 500 bar gefahren. In der zweiten Projektphase stand die Überschussschlammdesintegration mittels Hochdruckhomogenisator im Vordergrund (400 bis 500 bar). Es sollte untersucht werden, inwieweit ein Überschussschlammauf-schluss zu einer Erhöhung von Biogasproduktion und Organikabbau führt. In beiden Projektphasen sollten die wesentlichen Auswirkungen auf die Gesamtkläranlage dokumentiert werden, wobei die Schwerpunkte auf der Schlammfaulung, dem Schaumwachstum in der Belebung, der Kläranlagenrückbelastung und Veränderung der Schlammentwässerungseigenschaften infolge Schlamm- und Schaumhomogenisierung lagen. Die Ergebnisse dieser großtechnischen Gesamtbetrachtung sollten abschließend dazu genutzt werden, die Einsatzmöglichkeiten und Grenzen der gewählten Verfahrenskette abzuschätzen. Die großtechnischen Untersuchungen wurden durch labortechnische Versuche (3 Faulreaktoren, V = 2 L) ergänzt.


Ergebnisse und Diskussion

Das Verfahren der Hochdruckhomogenisierung war zur Zerstörung von fädigen Schlämmen und Schaum grundsätzlich geeignet und lässt sich in bestehende Anlagen zur Abwasserreinigung und Schlammbehandlung integrieren. Im Zuge des großtechnischen Forschungsvorhabens auf der Kläranlage Hildesheim zeigten sich jedoch noch deutliche Schwächen des Systems, u. a. Verschleißanfälligkeit des Homogenisators und Schwierigkeiten im Zusammenspiel Homogenisator und Beschickungspumpe. Schaumabzugsbänder, Siebung und Beschickungspumpen arbeiteten vorwiegend zuverlässig, bis auf das Einfrieren der Bänder bei längeren Frostperioden. Die Störstoffentfernung mittels Drucksiebung wur-de im Laufe des Projekts optimiert und kann insgesamt als zuverlässig und weitgehend ausgereift beurteilt werden. Der Gorator, als technische Alternative zur Drucksiebung, wurde während der Ausführungsplanung aufgrund deutlich höherer Investitionen und Energiekosten von weiteren Untersuchungen aus-geschlossen. Nach den ersten Versuchswochen mit einem Homogenisator zeigte sich, dass die Anschaffung eines weiteren Gerätes nicht erforderlich war/ist. Im gesamten Projektverlauf kam es trotz Verwendung von Wolfram-Carbid-Stahl regelmäßig zu verschleißbedingten Betriebsstörungen, die sich auf den Kläranlagenbetrieb und die wissenschaftlichen Untersuchungen negativ auswirkten. Bei Drücken von 200 bis 500 bar konnten die fadenförmigen Mikroorganismen nachhaltig zerstört werden, unter 200 bar muss mit einem erneuten Wachstum der Fadenbildner gerechnet werden. Die erzielten Aufschlussgrade im Bereich von 400 bar (AS = 60 %) und 470 bar (AS = 74 %) sind als sehr gut zu werten. Bei kontinuierlichem Betrieb der Abzugsbänder konnte eine Abnahme des ISV beobachtet werden, nicht jedoch bei unregelmäßiger Betriebsweise. Ob hier ursächliche Zusammenhänge bestehen, sollte zukünftig untersucht werden. Bei einem kontinuierlichen Homogenisatorbetrieb ergab sich eine maximale Teilstrombehandlung von ca. 20 %, bezogen auf den Faulbehälterzulauf. Infolge der Homogenisatorstillstände, der stoßweisen Beschickung der Faulung mit Primärschlamm, sowie Problemen bei der Gasmengenerfassung konnten großtechnisch jedoch keine Auswirkungen auf Biogasproduktion und Abbaugrade festgestellt werden. Für die Überschussschlamm-Desintegration wurde eine negative Ener-giebilanz ermittelt, die u. a. aus dem hohen Energieverbrauch des Homogenisators resultierte. Generelles Optimierungspotenzial wird hier bzgl. der Feststoffkonzentration im Homogenisatorzulauf gesehen. Maßnahmen zur Erhöhung des Feststoffgehaltes im Überschussschlamm bzw. Schaum erfordern jedoch zusätzliche Investitionen und Energiekosten und sollten in Absprache mit Homogenisator- Herstellern erfolgen. Im Ablauf des Homogenisators wurden PO4-P-Konzentrationen von durchschnittlich 230 (130 bis 330 mg/l) gemessen, verglichen mit Werten um 100 mg/l für unbehandelten Überschussschlamm. Aufgrund schwankender Speicherzeiten vor und nach der Drucksiebung lässt sich jedoch nicht nachvollziehen, welcher Anteil dieser Steigerung auf die Desintegration und welcher auf Rücklösungsprozesse zurückzuführen ist. Einflüsse auf die PO4-P-Konzentrationen im Faulschlamm konnten nicht beobachtet werden. Dies bestätigt vorangegangene Beobachtungen, nach denen freigesetztes PO4-P in der Faulung durch Adsorbtion und chemische Fällung (u. a. MAP) gebunden wird und somit über den Parameter PO4-P analytisch nicht mehr erfassbar ist. Gesteigerte NH4-N-Konzentrationen im Ablauf des Homogenisators sind auf die Umwandlung des organischen Stickstoffs zu Ammonium infolge Speicherung zurückzuführen und nicht auf die Desintegration. Es ergaben sich keine messbaren Aus-wirkungen auf die NH4-N-Werte im Faulschlamm. Im Zentrat der Faulschlammentwässerung konnte mit Beginn der 2. Untersuchungsphase zwar ein Anstieg der Konzentration an Gesamt-Stickstoff festgestellt werden. Ob dies jedoch ursächlich mit der ÜS-Desintegration zusammenhängt, lässt sich aufgrund einer Vielzahl anderer Einflüsse nicht feststellen. In den Faulschlämmen der Laborreaktoren konnten bei Voll-stromdesintegration und unterschiedlichen Betriebsbedingungen erhöhte Rückbelastungen bzgl. NH4-N (13 bis 23%) und CSB (30 und 82%) festgestellt werden. Bzgl. PO4-P ergaben sich Rückbelastungen zwischen -9 und 34% (s. o.). Das Schäumen der Laborreaktoren wurde nachhaltig unterbunden, jedoch erhöhte sich der Filtrationswiderstand der Faulschlämme um 19 bis 91%.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

1), 2) Groß- und labortechnische Untersuchungen zur Schaumbehandlung. K.-H. Rosenwinkel, D. Wendler, T. Gaul. sowie: Betriebserfahrungen mit Blähschlamm auf der KA Hildesheim. M. Hoffrichter. In: Tagungsband zu Betriebserfahrungen und neue Ansätze aus der Forschung zur Bekämpfung von Blähschlamm, verursacht durch Microthrix parvicella, 25. - 26.02.2002, Hannover, Institut für Sied-lungswasserwirtschaft und Abfalltechnik, Universität Hannover.
3) Handzettel auf der IFAT 2002 am Stand des ISAH zu den Ergebnissen der ersten Projektphase.
4) Mündliche Kurzpräsentation zu den Ergebnissen der ersten Projektphase auf der Sitzung der ATV-Arbeitsgruppe Desintegration (AK 1.6) am 15.05.02 im Rahmen der IFAT 2002.
5) Zahlreiche Besichtigungen der großtechnischen Pilotanlage auf der KA Hildesheim durch Fachleute aus Wissenschaft und Praxis.


Fazit

Mit Hilfe der großtechnischen Anwendung der Verfahrenskette: Schaumentnahme mittels Siebband, Störstoffentfernung mittels Drucksiebung und Schaumzerstörung durch Homogenisator können entstehende Schwimmschlämme und Schäume effektiv beseitigt werden. Ein künftiger wirtschaftlicher Einsatz des untersuchten Verfahrens ist nur bei einer Optimierung des Verfahrens (insbesondere Reduzierung des Materialverschleißes) und bei höheren TR-Gehalten im Homogenisatorzulauf (Ansatz für eine positi-ve Energiebilanz) möglich. Das durchgeführte Projekt führte zu einer deutlich höheren Betriebssicherheit der biologischen Stufe, da durch den Schaum- und Schwimmschlammabzug der negative Einfluss des fädigen Schlammes auf den Schlammindex und auch die Gefahr von Schlammabtrieb reduziert werden konnte. Das Schäumen der Faulbehälter wurde beseitigt, so dass wieder die gesamte Faulbehälterkapazität zur Verfügung steht. Die parallele Durchführung von groß- und labortechnischen Untersuchungen ist aufgrund der sich ergänzenden Ergebnisse als sehr positiv zu bewerten.