Blähschlamm und Schwimmschlamm-Bekämpfung

VonJürgen Sörensen

Blähschlamm und Schwimmschlamm-Bekämpfung

15. Fachtagung

Norddeutsche Tagung für Abwasserwirtschaft und Gewässerschutz

Lübeck 18./19.November 2002

Bläh- und Schwimmschlammbekämpfung mittels Ultraschall

B. Wünsch, U. Neis

Technische Universität Hamburg-Harburg

Arbeitsbereich Abwasserwirtschaft

1        Zusammenfassung

Bläh- und Schwimmschlamm verursachen in Kläranlagen mit biologischer Nährstoffelimination große Probleme. Die vernetzte Struktur der fadenförmigen Mikroorganismen verschlechtert das Absetzverhalten des Belebtschlammes. Durch die Anlagerung von Gasblasen kann der Schlamm flotieren und eine dichte Schlammdecke auf der Belebung oder Nachklärung ausbilden. Flotiert Überschussschlamm im Faulbehälter, kann es zu erheblichen Betriebsproblemen kommen.

Ein neuer Ansatz zur Bekämpfung von Bläh- und Schwimmschlamm ist die Anwendung von niederfrequentem Ultraschall. Die Wirkung der Ultraschallbehandlung basiert auf der Entstehung hoher lokaler Scherkräfte im Medium. Dadurch werden die filamentösen Strukturen des Schlamms zerstört und das Absetzverhalten des Schlamms deutlich verbessert. Auf der Kläranlage Reinfeld wurde Überschussschlamm mit Ultraschall behandelt und in Fermentern anaerob stabilisiert. Die durchgeführten Untersuchungen zeigten, dass das Aufschäumen des Schlamms im Faulraum durch die Ultraschallvorbehandlung unterbunden werden konnte und somit eine ungestörte anaerobe Stabilisierung möglich wurde.

2        Einleitung

Das massenhafte Wachstum fadenförmiger Mikroorganismen bewirkt die Flotation des Schlammes im Belebungsbecken bzw. in der Nachklärung und verursacht zahlreiche Betriebsprobleme. Das Gleiche gilt für die Faulung. In Extremfällen führt die Schaumbildung zu einem Überlaufen des Faulbehälters.

Die Ursachen für die Bläh- und Schwimmschlammprobleme in der aeroben Abwasserbehandlung sind von denen der anaeroben Schlammbehandlung insoweit zu unterscheiden, dass die Schaumproblematik der Faulung neben der Fädigkeit des Schlamms andere Ursachen als die Massenentwicklung von Fadenorganismen haben kann. Mechanisch instabile Schäume werden sowohl von Fadenorganismen als auch von flotierenden Fetten verursacht. Mechanisch stabile Schlämme dagegen entstehen durch instabile Faulprozesse oder hydrophobe Substanzen (Westlund et al. 1998). Generell besteht jedoch ein enger ursächlicher Zusammenhang zwischen der Fädigkeit in der aeroben Abwasserreinigungsstufe und der Schaumbildung im Faulbehälter, der durch Untersuchungen von Knoop (1997) verifiziert wurde. Gerade Microthrix parvicella,der Hauptverursacher von Bläh- und Schwimmschlammproblemen, ist in der Lage, den Faulprozess über eine längere Zeit zu überleben (Kunst 1996). Neuere Untersuchungen weisen darauf hin, dass nicht allein die strukturelle Fädigkeit das Aufschwimmen des Schlamms verursacht, sondern dass extrazelluläre polymere Substanzen bei der Bildung von Bläh- und Schwimmschlamm ebenfalls eine Rolle spielen (Kopplow 2001).

Hauptfaktoren für die massive Entwicklung von Microthrix sind geringe Schlammbelastungen (< 0,1 kgBSB5/(kgTS*d)), geringe Abwassertemperaturen (12-15°C) und hohe Schlammalter (Knoop et al. 1998).

3        Bekämpfungsmethoden

In der Abwasserreinigungsstufe wird zwischen unspezifischen und spezifischen Maßnahmen zur Bläh- und Schwimmschlammbekämpfung unterschieden. Zu den unspezifischen Maßnahmen zählt der Einsatz von Aluminium-/Eisensalzen oder starken Oxidationsmitteln. Bei dem Einsatz von Chemikalien wird die ganze Biozönose negativ beeinflusst, was zu temporär schlechten Ablaufwerten führen kann (Lemmer 1996). Darüber hinaus bewirken Fällungsmittel ein Anwachsen der zu entsorgenden Schlammmenge. Spezifische Maßnahmen wirken gezielt auf die Fadenorganismen und eliminieren diese aus dem System. Zu den spezifischen Maßnahmen gehören z.B. die Vorschaltung eines anaeroben Selektors oder Veränderungen in der Betriebsweise, um die Selektionsvorteile von fadenförmigen Mikroorganismen zu verringern. Eine theoretisch einfache Methode, um fadenförmige Organismen aus dem System zu verdrängen, ist die Erhöhung der Schlammbelastung. Allerdings ist dies nur bis zu einer Belastung von etwa 0,15 kgBSB5/(kgTS*d) möglich, da dann Nitrifikanten ausgewaschen werden und dies zu erhöhten Stickstoffkonzentrationen im Ablauf führt. Die Anwendung von spezifischen Maßnahmen ist sehr viel aufwendiger und nicht immer gelingt eine erfolgreiche Bekämpfung der fadenförmigen Mikroorganismen.

In der Literatur gibt es unterschiedliche Ansätze, um die Schaumprobleme in der Faulung zu lösen (Westlund et al 1998):

  • Absenken des Schlammspiegels im Faulbehälter,
  • Installation von Schaumrührern,
  • Zugabe von Entschäumern,
  • Vorbehandlung des Schlamms durch Erhitzen,
  • Separate Entsorgung des Überschussschlamms.

Diese Ansätze sind jedoch sowohl unter technischen als auch unter wirtschaftlichen Gesichtspunkten fragwürdig.

Ein neuer Ansatz zur Bekämpfung von Bläh- und Schwimmschlamm ist die Anwendung niederfrequenten Ultraschalls. Unter Ultraschall versteht man den Bereich von Schallwellen jenseits des menschlichen Hörvermögens (> 20 kHz). In wässrigen Medien bewirkt der Ultraschall eine periodische Kompression und Dekompression. Durch diese Beanspruchung des Mediums entstehen bevorzugt an Instabilitätsstellen (z. B. suspendierte Partikel) kleine mit Gas gefüllte Hohlräume, so genannte Kavitationsbläschen. Die Bläschen pulsieren mit der periodischen Bewegung des Mediums, wobei ihre Größe zunimmt. Bei Erreichen der kritischen Größe implodieren die Bläschen unter Freisetzung lokaler Druck- und Temperaturspitzen (Neis 2001). Diese hohen lokalen Scherkräfte führen zu einer Zerkleinerung der fadenförmigen Mikroorganismen.

Ziel der nachstehenden Untersuchungen war der Nachweis, dass die nachhaltige Zerstörung fadenförmiger Mikroorganismen mit Ultraschall eine ungestörte anaerobe Stabilisierung ermöglicht.

4        Material und Methoden

In den vorliegenden Untersuchungen wurde statisch eingedickter Überschussschlamm der Kläranlage Reinfeld vor der anaeroben Stabilisierung mit niederfrequentem Ultraschall behandelt. Die Kläranlage weist neben Schwimmschlammproblemen in der Abwasserreinigungsstufe ausgeprägte Schaumprobleme in der Faulung auf, die dazu führen, dass der Faulbehälter überschäumt.

Für die Untersuchungen wurde auf der Kläranlage eine Pilotanlage eingesetzt. Sie besteht aus einem Ultraschallmodul, 5 kW installierte Leistung, (Firma Sonotronic, Ittersbach) und 4 nachgeschalteten Fermentern mit je 200 L Volumen.

Die Fermenter wurden über den Versuchszeitraum vom 02.04.2002 – 31.07.2002 wie folgt betrieben:

  • Fermenter Nr. 2 (FB 2) – zugeführter Überschussschlamm wurde mit einer Schalldosis von 8,3 Wh/L ultraschallbehandelt, ab 21.06.02 Schalldosis 5,5 Wh/L,
  • Fermenter Nr. 3 (FB 3) – zugeführter Überschussschlamm wurde mit einer Schalldosis von 8,3 Wh/L ultraschallbehandelt,
  • Fermenter Nr. 4 (FB 4) – zugeführter Überschussschlamm wurde mit einer Schalldosis von 16,7 Wh/L ultraschallbehandelt,
  • Fermenter Nr. 5 (FB 5) – zugeführter Überschussschlamm war unbehandelt.
Schema der Pilotanlage
Abbildung 1: Schema der Pilotanlage

Die Zielerreichung des Projekts wurde anhand folgender Parameter bewertet:

  • Mikroskopische Untersuchung der Schlämme und Einteilung in Fädigkeitsstufen (Kunst 2000),
  • Absetzverhalten anhand des Schlammindexes (ISV),
  • Faulprozess durch die Bestimmung des oTR und der Biogasausbeute,
  • Schaumbildungspotenzial und Schaumstabilität (Pagilla et al. 1998).

Das Schaumbildungspotenzial und die Schaumstabilität wurden in Anlehnung an die Methode von Pagilla et al. (1998) bestimmt. 1 L Schlamm wird in einem 2 L Standard-Messzylinder für 15 min feinblasig belüftet. Das Schaumpotenzial wird in Prozent des Original-Probevolumens ausgedrückt. Nach weiteren 15 Minuten Ruhezeit wird das Volumen des verbleibenden Schaums aufgenommen und als Schaumstabilität ebenfalls in Prozent des Original-Probevolumens ausgedrückt.

5        Ergebnisse

5.1       Mikroskopische Untersuchung

Die in Abb 2a) zu erkennenden fadenförmigen Mikroorganismen wurden anhand der Gram- und Neisserfärbung als Microthrix parvicella identifiziert. Durch die Ultraschallbehandlung werden die fadenförmigen Mikroorganismen des Überschussschlamms wirkungsvoll zerstört (Abb. 2). Die hellen Punkte, die sich in Abb. 2b) zwischen den Schlammflocken befinden, sind zahlreiche freischwebende Bakterien in der Wasserphase.

Abbildung 2: Überschussschlamm, vor und nach der Ultraschallbehandlung, Kristallviolettfärbung, 100fach

Abbildung 3: Mikroskopische Aufnahmen der ausgefaulten Schlämme, Kristallviolettfärbung, 200fach

In Abb. 3a) ist sehr gut zu erkennen, dass Microthrix parvicella das anaerobe Milieu des Faulbehälters überleben kann. Im ausgefaulten Schlamm des Kontrollfermenters (FB5) kommt Microthrix parvicella sehr zahlreich vor. Demgegenüber sind im ausgefaulten Schlamm der Faulbehälter 2 und 3 nur vereinzelt Fäden und Fadenbruchstücke vorhanden (Abb 3b+c). Der ausgefaulte Schlamm des Faulbehälters 4 (Abb. 3d) wies über die gesamte Versuchszeit praktisch keine fadenförmigen Mikroorganismen auf. Anhand der mikroskopischen Beobachtungen ist nachgewiesen, dass Microthrix parvicella durch die Ultraschallbehandlung nachhaltig zerstört wird. Erwartungsgemäß ist der Organismus nicht in der Lage, im Faulbehälter erneut Fäden auszubilden.

5.2       Absetzverhalten

Die Schlammindizes der ultraschallbehandelten Schlämme (Abb. 3) wiesen über die gesamte Versuchszeit relativ konstante Werte auf. Der mit einer Schalldosis von 16,7 Wh/L behandelte Schlamm bewegte sich durchgängig im Bereich von etwa 60-80 mL/g, der mit 8,3 Wh/L behandelte Schlamm lag etwas darüber. Der unbehandelte Schlamm wies im April einen maximalen Schlammindex von 130 mL/g auf, näherte sich Anfang Juni den Werten für die ultraschallbehandelten Schlämme an. Ebenfalls im Juni war auf der Kläranlage Reinfeld ein Rückgang des Schaumproblems im Faulbehälter zu beobachten.

Diagramm vom Schlammindex der zugeführten Überschusschlämme über die Versuchszeit
Abbildung 4: Schlammindex der zugeführten Überschussschlämme über die Versuchszeit

Der Schlammindex im ausgefaulten Schlamm des Kontrollfermenters stieg zwischen Anfang April und Ende Mai von 60 mL/g auf 85 mL/g (Abb. 5). Ab Ende Mai sank er auf etwa 70 mL/g ab und verblieb dort bis zum Ende der Versuchslaufzeit. Die ultraschallbehandelten Schlämme wiesen generell niedrigere Schlammindices auf. Die Schlammindizes des ausgefaulten Schlammes von FB 4 (16,7 Wh/L) lagen deutlich unter den Werten des Kontrollfermenters mit einer Schwankungsbreite zwischen 40 mL/g und 60 mL/g.

Diagramm über den Schlammindex der ausgefaulten Schlämme über die Versuchszeit
Abbildung 5: Schlammindex der ausgefaulten Schlämme über die Versuchszeit

Über das Absetzverhalten lässt sich zwar keine direkte Aussage zur Beseitigung des Schaumproblems ableiten, aber das stark verbesserte Absetzverhalten des FB 4 liefert einen ersten Anhaltspunkt.

5.3       Schaumbildung

Die Parameter Schaumbildungspotenzial und Schaumstabilität ähneln in weiten Abschnitten des Versuchszeitraumes dem Absetzverhalten und der mikroskopischen Untersuchung. Das Schaumbildungspotenzial des FB 5 (unbehandelt) ist für den Monat April deutlich höher als für die ultraschallbehandelten Schlämme. Im Mai gehen die Werte zurück und liegen ab Ende Mai auf niedrigem Niveau. Dagegen weist der ausgefaulte Schlamm des FB 4 (ultraschallbehandelt 16,7 Wh/L) über die gesamte Versuchslaufzeit praktisch kein Schaumbildungspotenzial auf. Die Werte der ausgefaulten Schlämme von FB 2+3 lagen meist zwischen den Werten des Kontrollfermenters und des FB 4. Die Werte der Schaumstabilität verhalten sich analog zum Schaumpotenzial.

Das Schaumbildungsvermögen wird demnach von der Ultraschall-Dosis beeinflusst. Bei entsprechender Schalldosis können die Schaumprobleme im Faulbehälter beseitigt werden.

Diagramm über die Entwicklung des Schaumbildungspotenzials der ausgefaulten Schlämme über die Versuchszeit
Abbildung 6: Entwicklung des Schaumbildungspotenzials der ausgefaulten Schlämme über die Versuchszeit

5.4       Faulung

Der Faulprozess verläuft über den gesamten Versuchszeitraum stabil, aber mit Unterschieden zwischen den unbehandelten und den ultraschallbehandelten Schlämmen. Die oTR-Werte bewegen sich zwischen 57 % und 60 %. Ihr Absinken im Juli ist mit einer langanhaltenden Regenperiode zu erklären.

Diagramm über den Organischen Restgehalt der ausgefaulten Schlämme über die Versuchszeit
Abbildung 7: Organischer Restgehalt der ausgefaulten Schlämme über die Versuchszeit
Diagramm über die Entwicklung der Biogasproduktion über die Versuchszeit
Abbildung 8: Entwicklung der Biogasproduktion über die Versuchszeit

Wenn es auch nicht Ziel der Untersuchungen war, die Biogasproduktion bzw. –ausbeute zu steigern, so wird hier aber noch mal der Nachweis geliefert, dass die Ultraschall-Desintegration den Faulprozess intensiviert. Erwartungsgemäß steigt die Biogasproduktion mit der Intensität der Ultraschallbehandlung. Über den Versuchszeitraum summiert ergibt sich ein Unterschied zwischen FB 4 und FB 5 von knapp 2 m³ Biogas. Dies entspricht einer Mehrproduktion von etwa 42 %.

6        Schlussfolgerung und Ausblick

Durch die Ultraschallbehandlung wurde Microthrix parvicella zerstört und konnte sich in der Faulung nicht regenerieren. Schaumprobleme können mit Ultraschall beseitigt werden. Das Ausmaß der Schaumreduktion ist eine Funktion der Ultraschall-Dosis. Der Faulprozess wurde durch die Ultraschallbehandlung intensiviert. Über die Versuchslaufzeit wurden 42% mehr Biogas erzeugt. Im nächsten Schritt werden wir im großtechnischen Maßstab arbeiten, um unsere hier gezeigten Ergebnisse der Pilotphase zu verifizieren.

7        Danksagung

Dieses Projekt wird gefördert vom Bundesministerium für Bildung und Forschung, bmbf Nr. 02WA0053. Unser Dank gilt auch der Firma SONOTRONIC GmbH.

8 Literatur

Knoop S. (1997): Untersuchungen zum Vorkommen von Microthrix parvicella in Kläranlagen mit Nährstoffelimination. Veröffentlichungen des Institutes für Siedlungswasserwirtschaft und Abfalltechnik der Universität Hannover, Heft 101.

Kopplow O.,Barjenbruch M. (2001): Enzymatische, mechanische und thermische Vorbehandlung von Überschussschlamm zur Minderung des Schäumens im Faulbehälter. 14. Fachtagung: Norddeutsche Tagung für Abwasserwirtschaft und Gewässerschutz. Hamburger Berichte zur Siedlungswasserwirtschaft Heft 33.

Kunst S., Knoop S. (1996): Schaum im Faulbehälter. In: Lemmer, Griebe, Flemming (Hrsg.) Ökologie der Abwasserorganismen. Springer Verlag Berlin Heidelberg 1996.

Kunst S., Helmer C., Knoop S. (2000): Betriebsprobleme auf Kläranlagen durch Blähschlamm, Schwimmschlamm, Schaum. Handbuch zur Identifizierung und Bekämpfung fädiger Bakterien. Springer Verlag Berlin Heidelberg 2000.

Lemmer H. (1996): Biologische Ursachen von Schaum und Schwimmschlamm in Belebungsanlagen sowie möglice Gegenmaßnahmen. In: Lemmer, Griebe, Flemming (Hrsg.) Ökologie der Abwasserorganismen. Springer Verlag Berlin Heidelberg 1996.

Neis U. (2001): Desintegrationsverfahren zur Intensivierung der Schlammbehandlung. In: Schlammbehandlung, -verwertung und –beseitigung. ATV-DVWK-Fortbildungskurs für Wassergütewirtschaft und Abwassertechnik 22.-24.10.2001 in Kassel

Pagilla K. R., Jenkins D., Kido W. (1998): Nocardia effects in waste activated sludge. In: Water Quality International 98, IAWQ 19th Biennal International Conference, Conference Preprint Book 3: 240-247

Westlund A.D., Hagland E., Rothmann M. (1998): Operational aspects on foaming in digesters caused by microthrix parvicella. Wat. Sci. Tech. Vol. 38, No 8-9, pp 29-34.

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