Funktionsstörungen auf Kläranlagen Reinigungsziel Nitrifikation Fortbildungsmodul Funktionsstörung bei der Nitrifikation Arbeitshilfe des DWA-Landesverbandes Baden Württemberg für die Treffen der Kläranlagen-Nachbarschaften zum Thema Funktionsstörungen auf Kläranlagen Reinigungsziel Nitrifikation 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?“ 1 1

Fortbildungsmodul Funktionsstörung bei der Nitrifikation Das schrittweise Vorgehen ist im Praxisleitfaden in zwei Übersichtstabellen auf den Seiten 30 – 32 übersichtlich zusammengefasst. Die Teilnehmer werden aufgefordert, die Tabellen aufzuschlagen oder zur Hand zu nehmen. Bei Bedarf werden vom Lehrer DIN A3 Kopien zur Verfügung gestellt. 2 2

Fortbildungsmodul Funktionsstörung bei der Nitrifikation NH4+  2 O2  NO3-  H2O  2H+

Einleitendes Beispiel zur Nitrifikationsstörung, KLW II, 10./11.06.10 Zusammenbruch Nitrifikation mit NH4-Ablaufwerten über 20 mg/l Absinken der NO3-N-Ablaufwerte auf unter 3 mg/l starker Rückgang Luftbedarf ausschließlich in der Nitrifikationsstufe Sauerstoffgehalt nicht unter 2 mg/l in der Nitrifikationsstufe TS-Gehalt in den Belebungsbecken bei 3,9 g/l keine Auffälligkeiten im mikroskopischen Bild der Biologien 1 und 2 keine Beeinträchtigung der übrigen Abwasserreinigung Ablaufparameter CSB unter 30 mg/l ab 12.06.14, d.h. 48h später, NH4-Ablaufwerte wieder < 0,1 mg/

Einleitendes Beispiel zur Nitrifikationsstörung, KLW II, 10./11.06.10

Eingeleitete Maßnahmen Einstellung der Rückpassdenitrifikation zur Erhöhung der Aufenthaltszeit Reduzierung des Abwasserzuflusses auf 1 m3/s Entnahme von Rückstellproben Verdünnungsverhältnis durch Wasserführung Isar (30 m3/s) groß genug Überprüfung aller einschlägigen Abwasserparameter

Ursachen konnten nicht ermittelt werden Ablauf weist auf kurzzeitige Nitrifikationshemmung hin eventuell durch Nitrifikationshemmer aus der Landwirtschaft ? eingesetzt und zugelassen in Deutschland Dimethylpyrazolphosphat(DMPP) Dicyandiamid + Methylpyrazol (DCD, oder Didin) Triazol-MPC

Aufbau der Schulungsunterlagen 73 Folien auch zur ausschnittsweisen Nutzung mit Notizseiten 16 wichtige Folien als Handout für die Teilnehmer Leitfaden zur Dokumentation mit Anwendungshilfen für den Lehrer Fragefolien zur Aktivierung der Teilnehmer auch geeignet für z.B. Skalierungsfragen, Blitzlicht Anleitung zur Ursachensuche über Fließdiagramm und Entscheidungsbaum Folienaufbau: Theoretische Informationen in gelb Handlungshilfen in blau Berechnungen in blau Überleitungen/Fragen in grün

Einschätzung der Unterlagen großer Fundus an Informationen, optisch gut aufbereitet weites Themenspektrum: vom Thema Schlammalter und Kalk/Kohlesäuregleichgewicht bis zur Wirkung des Ammoniak im Gewässer gute und verständliche Herleitung und Aufbereitung der Theorie hilfreiche Notizseitenanssicht mit Hinweisen für den Lehrer mit Fragefolien ist eine aktive Einbindung der Teilnehmer möglich Entscheidungsbaum zur systematischen Ursacheneingrenzung Präsentation kann vom Lehre angepasst werden Berechnung des tatsächliche und notwendigen tTS (Rechenübung) praktische Beispiele und mehr Bilder zur Illustrierung wären sinnvoll Aussage: NH4 unschädlich für Pflanzen und Tiere ist gewagt Aussage: 02-Gehalt 0,8 – 1,2 mg/l für Nitrifikation ist gewagt

Nachfolgend beispielhaft einige Folien des Moduls   

Nitrifikation Theorie 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 Theorie 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.

Fischgiftigkeit Ammonium/Ammoniak Theorie 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

4 Erhöhte Ammonium-Werte im Ablauf (Belebungsanlagen) Schritt Mögliche Ursachen 1. Vertiefungsebene Gegenmaßnahmen 2. Vertiefungsebene 3. Vertiefungsebene Probenahme fehlerhafte Proben 2.1 richtige Probenahmestelle richtige Probenahme nein ja Analyse korrekt durchführen nein Analytik Mess-/Analysen-fehler bei der Best. von NH4-N 2.2 Analysen korrekt ja Belebung Sauerstoff 4.2-101 O2-Gehalt zu niedrig 4.2-201 O2-Regelung gestört Instandsetzung ja nein nein 4.2-301 Sauerstoffzufuhr gestört Instandsetzung 4.2-102 O2-Messung gestört ja Instandsetzung Anhand der Tabelle wird der Aufbau und die Benutzung der Tabelle erläutert: Schritt – in welchem Aufgabenbereich der Kläranlage suche ich nach dem Fehler Mögliche Ursache – was wird untersucht/überprüft? Vertiefungsebenen – wonach schaue ich zuerst (1.Ebene) bzw. danach (2. und 3 Vertiefungsebene) Das Vorankommen erfolgt in Form einer Ja/Nein-Entscheidung. Um die PP-Präsentation für die Teilnehmer übersichtlicher zu gestalten, werden die Punkte der Übersichtstabelle Schritt für Schritt behandelt. nein Schlammalter 4.2-103 aerobes Schlammalter zu gering 4.2-202 ÜS-Abzug zu hoch ÜS-Abzug vermindern ja nein 4.2-302 Schlammabtrieb NKB vgl. 3.2.101 ff nein Schlammbelastung 4.2-104 Schlamm- belastung zu hoch 14 ja ÜS-Abzug vermindern 14

4.1 Allgemeines 4  Ammonium-Ablaufwerte Toxizität von Ammoniak Gefahrenpotential Frage: Können erhöhte Ammonium-Werte im Ablauf der Kläranlage ( 3 mg/L) wirklich zu Fischsterben führen? Zum besseren Verständnis ein wenig Theorie: Es stellt sich die Frage, ob es durch erhöhte Ammoniumwerte wirklich zu Fischsterben kommen kann. Hierzu betrachten wir die Theorie. 15 15

Fischgiftigkeit Ammonium/Ammoniak Theorie 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 !! .

Erhöhte Ammonium-Werte im Ablauf (Belebungsanlage) Fragefolie 4.2 Erhöhte Ammonium-Werte im Ablauf (Belebungsanlage) 4 Die Kontrolle hat ergeben, dass die Säurekapazität unter 1,5 mmol/L liegt. Ammonium-Ablaufwerte Belebung Säurekapazität Frage: Wie kann die Säurekapazität angehoben werden? Folie selbsterklärend – Folie zur Beteiligung der Teilnehmer nutzen. 17 17

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 18 18

Säurekapazität zu gering 4.2-107 Säurekapazität zu gering 4 Ammonium-Ablaufwerte Belebung Säurekapazität Folie selbsterklärend 19 19

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.

aerobes Schlammalter zu gering 4.2-103 aerobes Schlammalter zu gering 4 Ammonium-Ablaufwerte Belebung Schlammalter Ein einfaches Rechenbeispiel Die Berechnung ergibt: Das Schlammalter beträgt zur Zeit 6,3 Tage. 21 21

Erhöhte Ammonium-Werte im Ablauf (Belebungsanlage) 4.2 Erhöhte Ammonium-Werte im Ablauf (Belebungsanlage) 4 Das aktuell eingehaltene Schlammalter muss mit dem Bemessungswert verglichen werden. Hier kommt die Temperatur im Belebungsbecken ins Spiel. Ammonium-Ablaufwerte Belebung Schlammalter Berechnung Mindestschlammalter (Bemessung) Folie selbsterklärend 22 22

aerobes Schlammalter zu gering 4.2-103 aerobes Schlammalter zu gering 4 Ammonium-Ablaufwerte Belebung Schlammalter Formel und Rechenbeispiel erläutern Feststellung: Zur sicheren Einhaltung des wasserrechtlich erlaubten Ablaufwertes muss das aerobe Schlammalter mindestens 8 Tage betragen. Hinweis: Der Info-Button führt zum direkten Formelvergleich Ist-Schlammalter/Mindestschlammalter. 23 23

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

Viel Spaß beim Verwenden des Fortbildungsmoduls!