Funktionsstörungen auf Kläranlagen Handout für die Teilnehmer Arbeitshilfe des DWA-Landesverbandes Baden Württemberg für die Treffen der Kläranlagen-Nachbarschaften zum Thema Funktionsstörungen auf Kläranlagen Kap. 4: Reinigungsziel Nitrifikation 4.2 Erhöhte Ammonium-Werte im Ablauf beim Belebungsverfahren Thema des heutigen Treffens ist : „Wie geht man vor, wenn die Ammonium-Werte im Ablauf des Belebungsbeckens den Überwachungswert überschreiten?“

Fischgiftigkeit Ammonium/Ammoniak 4.1 Allgemeines: Fischgiftigkeit Ammonium/Ammoniak 4 Ammonium (NH4+) und Ammoniak (NH3) liegen in Wasser in einem Lösungs-gleichgewicht vor: NH4+ ⇌ NH3 + H+ nicht fisch- giftig giftig ! Der Anteil des gelösten Ammoniaks ist direkt vom pH-Wert abhängig: (NH4+) : (NH3) pH-Wert = 7 300 : 1  fast nur Ammonium, kaum Ammoniak pH-Wert = 9,5 1 : 1  gleich viel Ammonium und Ammoniak Ammonium-Ablaufwerte Toxizität von Ammoniak Gefahrenpotential Ammonium selbst ist nicht fischgiftig. Erst der daraus entstehende Ammoniak ist stark fischgiftig. Wie hoch der Anteil von Ammonium und Ammoniak ist, hängt vom Lösungs-gleichgewicht ab. Das Lösungsgleichgewicht wiederum ist abhängig vom pH-Wert im Vorfluter. http://www.leguan.com/?Content=Methoden/Gewaesser/Ammonium

Fischgiftigkeit Ammonium/Ammoniak 4.1 Allgemeines: Fischgiftigkeit Ammonium/Ammoniak 4 Ammonium-Ablaufwerte Toxizität von Ammoniak Gefahrenpotential NH4-N Schmutzwasser Trübwasser (Faulschlamm, Eindicker) NH4-N/NH3 toxisch im Gewässer NH4-N in wasserrechtlicher Erlaubnis begrenzt Erläuterung der Grafik: Dargestellt ist das Verhältnis von Ammonium zu Ammoniak bei verschiedenen pH-Werten (verschiedene „Bänder“) und bei verschiedenen Temperaturen (obere/mittlere/untere Linie eines „Bandes“) Wichtig ist, dass eine Schädigung der Fischbrut schon bei sehr viel niedrigeren Konzentrationen eintritt, als die tödliche Vergiftung, d.h. ohne sichtbare Anzeichen im Vorfluter! Deshalb gibt es einen Grenzwert in der wasserrechtlichen Erlaubnis. Welche internen Prozesswässer auf der Kläranlage enthalten eine hohe Ammoniumfracht: Neben dem eigentlichen Schmutzwasser vor allem das Wasser aus der Schlammbehandlung !! .

Nitrifikation 4.1 Allgemeines: Einflussfaktoren der Nitrifikation 4 2. Schlammalter (Temperatur) 1. Sauerstoff 3. pH-Wert (Säurekapazität) Nitrifikation 6. Zulauf TKN- Frachtspitzen Einflussfaktoren der Nitrifikation in der Reihenfolge ihrer Bedeutung Farbliche Unterschiede zeigen an, ob die Einflüsse durch den Betrieb der Anlage bedingt sind (Orange) oder ob sie Abwasserbedingt sind (blau) 5. Gift- und Hemmstoffe Betrieb Abwasser

Ammonium-Ablaufwerte 4.1 Allgemeines: Nitrifikation 4 Gesamtgleichung der Nitrifikation:   NH4+  2 O2  NO3-  H2O  2H+  Die Nitrifikation benötigt viel Sauerstoff. Durch die Freisetzung von Wasserstoff-Ionen sinkt der pH-Wert. Ammonium-Ablaufwerte Belebung Sauerstoff und pH Die Bedeutung von Sauerstoff und pH-Wert bzw. Säurekapazität ergibt sich aus der Gesamtgleichung der Nitrifikation: Die Nitrifikation erfolgt in 2 Schritten (hier nicht dargestellt) In beiden Teilschritten wird Sauerstoff benötigt. Bei der Nitrifikation werden Wasserstoff-Ionen freigesetzt, d.h. der pH-Wert sinkt (das Milieu wird saurer) bzw. die Säurekapazität wird gesenkt.

aerobes Schlammalter zu gering 4.2-103 aerobes Schlammalter zu gering 4 VN  Nitrifikationsvolumen m3 ▪ anteilige Belüftungszeit über Tag oder ▪ belüftete Zone (bei vorgeschalteter DN) TSBB = Trockensubstanz im belebten Schlamm kg/m 3 (Qd  XTS, AN)  Schlammverlust bei Schlamm- abtrieb ▪ abfiltrierbare Stoffe im Ablauf NKB ▪ Soll  20 mg/l (Trübung  8 NTU) ▪ normalerweise vernachlässigbar klein QÜS = Menge Überschussschlamm m3/d Ammonium-Ablaufwerte Belebung Schlammalter Bei der Berechnung des aeroben Schlammalters wird betrachtet, wieviel Trockensubstanz im Belebungsbecken belüftet wird und wieviel Trockensubstanz mit dem Überschussschlamm abgezogen wird. Durch den Überschussschlammabzug werden die langsam wachsenden Bakterien zur Nitrifikation (Nitrifikanten) aus dem System entfernt. Ein unerwünschter Austrag von Nitrifikanten erfolgt bei Schlammabtrieb. Dieser Anteil sollte jedoch bei ungestörtem Kläranlagenbetrieb vernachlässigbar gering sein.

aerobes Schlammalter zu gering 4.2-103 aerobes Schlammalter zu gering 4 VBB  Volumen Belebungsbecken m3 tN = Belüftungsdauer für Nitrifikation min tZyk. = Dauer Gesamtzyklus (N+DN) min TSBB = Trockensubstanz im belebten Schlamm kg/m 3 (Qd  XTS, AN)  Schlammverlust bei Schlamm- abtrieb QÜS = Menge Überschussschlamm m3/d Ammonium-Ablaufwerte Belebung Schlammalter Bei Betrieb mit intermittierender DN muss der Anteil des belüfteten Beckenvolumens aus den Belüftungsintervallen erst berechnet werden.

aerobes Schlammalter zu gering 4.2-103 aerobes Schlammalter zu gering 4 Ammonium-Ablaufwerte Belebung Schlammalter Anmerkung: Falls die Belüftungspausen bzw. das unbelüftete Volumen deutlich mehr als 50% der Tageszeit bzw. des gesamten Volumens betragen, kann es zu Blähschlamm Unzureichender Stabilisierung Einbußen der Nitrifikationsleistung ! kommen. Besonderer Hinweis nach Erfahrungen aus der Praxis

aerobes Schlammalter zu gering 4.2-103 aerobes Schlammalter zu gering 4 aerobes Ist-Schlammalter aerobes Mindest-Schlammalter (Soll-Schlammalter) Ammonium-Ablaufwerte Belebung Schlammalter TBB C 8 10 12 7 20 3 Folie selbsterklärend Hinweis: Beispielhaft die Bemessungswerte für 4 verschiedene Temperaturen.

Ammonium-Ablaufwerte 4.1 Allgemeines: Säurekapazität 4 In der Belebungsanlage wird der pH-Wert im wesentlichen durch das Kalk-Kohlensäure-Gleichgewicht gepuffert. Das Maß für die Pufferkapazität des Abwassers bezeichnet man als Säurekapazität KS 4,3 (mmol HCO3-/L) KS 4,3 im Zulauf gewöhnlich 4 – 10 mmol HCO3-/L KS 4,3 im Ablauf gewöhnlich mind. 1,5 mmol HCO3-/L Ammonium-Ablaufwerte Belebung Die Säurekapazität ist wichtig für die Konstanthaltung des pH-Wertes. Sie wird durch folgende Prozesse verbraucht: Nitrifikation Saure Fällmittel zur P-Elimination Ist die Säurekapazität zu gering, sinkt der pH-Wert im Belebungsbecken  ist der pH-Wert für längere Zeit zu niedrig, zerfällt die Schlammflocke  der Schlamm setzt sich nicht mehr ab, es kommt zu Schlammabtrieb  Nitrifikanten werden ausgeschwemmt

Ammonium-Ablaufwerte 4.1 Allgemeines: Säurekapazität 4  Lösungsgleichgewicht: 2 H+ + 2 HCO3- ⇌ 2 CO2 + 2 H2O Sammelt sich CO2 im belebten Schlamm an, wird das Gleichgewicht auf die linke Seite verschoben, d.h. Wasserstoff-Ionen sammeln sich an  der pH-Wert sinkt. Wird das entstandene CO2 durch vermehrte Belüftung ausgeblasen (= Strippen), verschiebt sich das Gleichgewicht auf die rechte Seite:  die Wasserstoff-Ionen werden gebunden (sofern die Säurekapazität ausreicht)  der pH-Wert steigt. Ammonium-Ablaufwerte Belebung Durch Strippen von CO2 kann der pH-Wert wieder ansteigen, wenn die Säurekapazität ausreicht.

4.1 Allgemeines: TKN-Fracht-Spitzen 4 TKN = Gesamtstickstoff nach Kjeldahl Berechnung: In Abhängigkeit von den zur Verfügung stehenden Messwerten (Eigenkontrolle), kann die TKN-Fracht auf verschiedene Weisen berechnet oder überschlagen werden:    Nges, ZB  Gesamtstickstoff im Zulauf Belebung (ZB)  Ammonium-Stickstoff Ammonium-Ablaufwerte Belebung TKN-Belastung TKN  Nges,ZB – (NO3-N)  (NO2-N) Nitrat-Stickstoff Nitrit-Stickstoff TKN  NH4-N ∗ 1,4 Ammonium-Stickstoff Was bedeutet TKN? Wie kann er auf der Kläranlage bestimmt werden?

Mögliche Ursachen für erhöhte Ammoniumwerte im Ablauf Zusammenfassung Betrieb Anlage Abwasser Probenahme /Analytik aerobes Beckenvolumen Mischwasser Regelbereich O2-Steuerung installierte Gebläseleistung Schmelzwasser (Temperatur) Einstellung Gebläseleistung Belüftertechnik hohe TKN-Fracht/ extern: ▪ Fäkalien ▪ Deponiesickerwasser ▪ Spülstoss aus dem Kanal ▪ Tourist. Großveranstaltungen (Turniere, Feste, Saisonstart) ▪ Vorfall Landwirtschaft Belüftungszeiten Steuer- /Regeltechnik  belüftetes Beckenvolumen hohe TKN-Fracht /intern: ▪ Schlammentwässerung (Filtrat) ▪ RÜB Säurekapazität (pH, P-Fällung) Industrielle Einleiter (Giftstoffe) Schlammalter (ÜS-Abzug) TKN-Fracht im Tagesgang/Wochengang Zusammenfassung

Betriebliche Sofortmaßnahmen zur Verbesserung der Nitrifikation Zusammen- fassung Betriebliche Sofortmaßnahmen zur Verbesserung der Nitrifikation 4 bei zu niedriger Säurekapazität: Kalkmilch dosieren evtl. Fällmittel zur P-Elimination wechseln Ammonium-Ablaufwerte Betrieb Säurekapazität Folie selbsterklärend

Betriebliche Sofortmaßnahmen zur Verbesserung der Nitrifikation Zusammen-fassung Betriebliche Sofortmaßnahmen zur Verbesserung der Nitrifikation 4   bei zu niedrigem Schlammalter:  Überschussschlamm-Abzug drosseln  TS-Gehalt in der Belebung erhöhen  N-haltiges Prozessabwasser (extern/intern) zwischenspeichern  zusätzliche Belastung der Nitrifikation vermeiden Ammonium-Ablaufwerte Betrieb Schlammalter Folie selbsterklärend

Betriebliche Sofortmaßnahmen zur Verbesserung der Nitrifikation Zusammen-fassung Betriebliche Sofortmaßnahmen zur Verbesserung der Nitrifikation 4 bei Sauerstoffmangel:  Belüftung/Gebläseleistung kurzfristig erhöhen:  verbessertes Wachstum Nitrifikanten (O2-Versorgung)  Strippen CO2 (Stabilisierung pH-Wert)  aerobe Zone vergrößern (z.B. Belüftung DN-Zone) bzw. Belüftungs- intervall verlängern Ammonium-Ablaufwerte Betrieb Sauerstoff Folie selbsterklärend