Biologische Abwasserreinigung Ziel: Abwasserinhaltstoffe, die im Gewässer unerwünschte Folgen haben, in Stoffe überführen, die nur geringen Schaden anrichten oder aus dem Abwasser einfach abgetrennt werden können: Gase: N2, CO2, CH4 Gelöste Stoffe: H2O, NO3-, HCO3- Feststoffe: Biomasse, Flocken

Selbstreinigung in Fliessgewässern O2 Bio- masse org.C Biofilm oder festsitzende Biomasse

'Selbstreinigung' im Tropfkörper Biofilm Stein mit Aufwuchs Luft Abwasser

Der Algenteich Das Belebtschlammverfahren

Das Belebtschlammverfahren Belebungsbecken Nachklärbecken Zufluss Belüftung Abfluss Rücklaufschlamm Überschuss- schlamm

Abbau organischer Stoffe: BSB5 Katabolismus / Abbau CH O + O ® CO + H O + Energie 2 2 2 2 Anabolismus / Wachstum / Assimilation + + 5 CH O + NH + Energie ® C H NO + 3 H O + H 2 4 5 7 2 2 Total (von aussen beobachtet) + + 10 CH O + 5 O + NH ® C H NO + 5 CO + 8 H O + H 2 2 4 5 7 2 2 2 CSB BSB Biomasse 320 g 160 g 14 g N 113 g TSS

Die Schlammbelastung B Q BSB V TS Food Mikroorgan isms F M º × = BB º × = 5 BTS = Schlammbelastung in kg BSB5 kg-1 TSS d-1 Q = Zufluss in m3 d-1 BSB5 = BSB5 Konzentration im Zufluss in kg m-3 VBB = Volumen des Belebungsbeckens in m3 TSBB = Belebtschlammkonzentration in kg TSS m-3

Die Fressleistung der Mäuse ist abhängig vom Verhältnis Käse / Mäusen

Wirkungsgrad für die Elimination von BSB % 100 80 60 40 20 > 13°C 5 % 100 80 60 40 20 > 13°C < 11°C < 11°C > 13°C 0.1 0.2 0.4 0.6 0.8 1 2 4 6 8 10 Schlammbelastung B in kg BSB kg -1 TSS d -1 TS 5

Typische Werte Schlammbelastung: BTS = 0.3 kg BSB5 kg-1 TSS d-1 für BSB5 Elimination = 0.15 kg BSB5 kg-1 TSS d-1 für Nitrifikation = 0.05 kg BSB5 kg-1 TSS d-1 für Schlammstabilisierung Belebtschlammkonzentration: TSBB = 3.0 kg TS m-3 nach Vorklärung = 3.5 kg TS m-3 mit Simultanfällung (P Elimination) = 4.5 kg TS m-3 ohne Vorklärung Hydraulische Aufenthaltszeit (qBB = VBB / Q): qBB = 3 - 18 Stunden

Nitrifizierende Belebungsanlage BTS = 0.15 kg BSB5 kg-1 TSS d-1 BSB5 = 150 g m-3 TSBB = 3 kg TSS m-3 Wie gross ist die hydraulische Aufenthaltszeit qBB im Belebungsbecken? qBB = VBB / Q qh = V/Q = BSB / (BTS*TS) = 150/0.15*3000) = 0.33 d = 8 h

CSB Erhaltung CSBZulauf O2 Verbrauch Biomassen Produktion abbaubar total Inert, nicht abbaubar

Die Schlammproduktion B SP = × Q BSB 5 SPB = Schlammproduktion als Folge des Abbaues von BSB5 in kg TSS d-1 ÜSB = Spezifische Schlammproduktion in kg TSS kg-1 BSB5 Q = Zufluss von Abwasser in m3 d-1 BSB5 = BSB5 Konzentration im Zufluss in kg m-3 Erfahrungswert: ÜSB = 0.9 - 1 kg TSS kg-1 BSB5

Der Sauerstoffverbrauch Q BSB OV B f OE max = × 5 OEB = Erforderlicher Sauerstoffeintrag im Betrieb als Folge des Abbaues von BSB5 in kg O2 d-1 OVB = Spezifischer Sauerstoffverbrauch in kg O2 kg-1 BSB5 Q = Zufluss von Abwasser in m3 d-1 BSB5 = BSB5 Konzentration im Zufluss in kg m-3 fB = Stossfaktor, der den Tagesgang des Sauerstoff- Verbrauches berücksichtigt, dimensionslos Erfahrungswerte: OVB = 0.8 - 1.3 kg O2 kg-1 BSB5 je nach Temperatur und Belastung fB = 1.2 - 1.3

Restverschmutzung (BSB5) Tagesgang Länge des Reaktors

Sauerstoffbedarf im Belebungsbecken (Beispiel) in g m-3 d-1 vorne hinten Mittel Tageszeit in Std.

Die Stickstoffbilanz Die Phosphorbilanz D TKN BSB = × 045 . D TP BSB = 045 5 . Die Phosphorbilanz D TP BSB = × 01 5 . D TKN = Stickstoffelimination durch Inkorporation in die Biomasse, Zulauf - Ablauf D TP = Phosphorelimination durch Inkorporation in die Biomasse, Zulauf - Ablauf

Nitrifikation Nitrifikation heisst die mikrobiologische Oxidation von Ammonium über Nitrit zu Nitrat NH 4 + NO 2 - 3 H O Energie ( 2 NH 4 + NO - ® 1 5 . Nitrosomon as) 3 Nitritoxidierer) Nitrifikan ten) CO Energie Biomasse ( HCO

Mikrobiologisches, exponentielles Wachstum / t N = N × 2 d r X = × m Verdoppelungszeit td N = 1 2 4 8 16

Wachstumsgeschwindigkeit der Nitrifikanten mmax der Nitrifikanten d-1 0.6 0.4 0.2 4 6 8 10 12 14 16 Temperatur °C

Die allgemeine Bilanzgleichung Ein einfaches System Zufluss Qzu, Czu System Volumen V Konzentration C Produktionsrate r Abfluss Qab, Cab Die allgemeine Bilanzgleichung V dC dt C dV Q r zu ab × + = -

Der Rührkessel Q Xin V X Q X dX V × = Q × X - Q × X + m × X × V dt Im stationären Zustand (dX / dt = 0), mit Xin = 0 ergibt sich: dX V × = Q × X - Q × X + m × X × V in dt Q × X Q 1 ® m = = = ® m × q = 1 h V × X V q h

Das Belebtschlamm- verfahren Q Xin QÜS XÜS Qe Xe dX V × = Q × X - Q × VBB XBB Q Xin QÜS XÜS Qe Xe Das Belebtschlamm- verfahren dX V × BB = Q × X - Q × X - Q × X + m × X × V BB in e e ÜS ÜS BB BB dt Im stationären Zustand (dX / dt = 0), mit Xin = 0 ergibt sich: V dX dt Q X BB in e ÜS × = - + m Q × X + Q × X 1 e e ® m = ÜS ÜS º ® m × q = 1 X V × X q BB BB X

Das Schlammalter V X × q º = Schlammal ter Q X × + BB V X × q X º = Schlammal ter e ÜS Q X × + Wenn sich im Belebungsbecken 1000 kg TSS befinden (VBB × XBB) und pro Tag 100 kg TSS abgezogen werden (Q × Xe + QÜS × XÜS) verbleibt der Schlamm im Mittel während 10 Tagen im Belebungsbecken, das Schlammalter qX beträgt 10 Tage.

Das Schlammalter Im stationären Zustand (oder im Durchschnitt) gilt: Schlammproduktion = Schlammabzug oder SPtot = und damit: e ÜS Q X × + BB V X × V X SP BB tot × q X º = e ÜS Q X × +

Pilotversuche ARA Werdhölzli, 1975 Ablauf Vorklärbecken g NH4+-N m-3 Ablauf Belebungsbecken g NH4+-N m-3 22.4.75 23.4.75 24.4.75 10 20 5 10 Ablauf VKB Ablauf BB 12 24 Uhrzeit

Verhältnis der momentanen zur mittleren NH4+ Fracht 1 2 3 6 12 18 24 Uhrzeit Verhältnis der momentanen zur mittleren NH4+ Fracht 2000 Einw. 13.6 kg N d-1 350’000 Einwohner 2900 kg N d-1

O2 BSB5 NH4+ Nitrifikation NO3-

Dimensionierung für Nitrifikation SF = $ m × X q SF = Sicherheitsfaktor in Abhängigkeit der Belastungsvariation, dimensionslos 2 für grosse Anlagen 2.5 - 3 für kleine Anlagen = Maximale Wachstumsgeschwindigkeit der Nitrifikanten in d-1 0.2 - 0.3 d-1 bei 10°C 0.5 - 0.8 d-1 bei 20°C = Schlammalter in d $ m X q

Sauerstoffbedarf OE OE NO D = + 4 . 6 × Q × f × tot max OE B max NO - 3 D = + 4 . 6 × Q × f N × = Maximal erforderlicher Sauerstoffeintrag in kg O2 d-1 = maximal erforderlicher Sauerstoffeintrag für den Abbau des BSB5 in kg O2 d-1 4.6 = Spezifischer Sauerstoffbedarf für die Nitrifikation in kg O2 kg-1 NO3--N = Zunahme der Nitratkonzentration in g N m-3, (Ablauf - Zufluss) fN = Stossfaktor für den Tagesgang der Nitrifikation 1.5 - 2.5 je nach Grösse der Anlage OE tot max B NO - 3 D