Biologiebecken 1 - 4 ⇒ Denitrifikation ab 2007

Die Geschichte der 4 Biologiebecken 1973 - 2007

In den Betriebsjahren 1973 - 2007 betreiben wir die 4 Biologiebecken nach dem Belebtschlammverfahren.
Das heisst wir halten die 1'500 Kubikmeter grosse Belebtschlammfracht, durch Belüften in Schwebe.
Dadurch findet in den 4 Biologiebecken die künstlich verstärkte Selbstreinigung des Abwassers statt.
Wir versorgen die Biomasse mit Luftsauerstoff > 2.5 mg/Liter O₂.
Damit erreichen damit eine Abwasserreinigung durch biochemischen Abbau.

Die Biologiebecken 1 - 4 nach dem Ausbau

Die Zielsetzung für die 4 Becken ist die ganzjährige Denitrifikation zu erreichen.
Dementsprechend ist ab diesem Zeitpunkt ein Richtwert Nitrit NO₂-N im Ablauf der Nachklärung von: 0.2 mg/l NO₂ einzuhalten.
Die Anforderungen für die Ableitung von verschmutztem Abwasser ist auf Bundesebene in der Gewässerschutz Verordnung (GSchV) vom 28. Oktober 1998.
Zusätzlich sind die Beschlüssen der Nordsee Anliegerstaaten und den Internationalen Kommissionen zum Schutze des Rheins (IKSR) massgebend.
Die gesetzlichen Rahmenbedingungen auf Bundesebene werden durch kantonale Festlegungen ergänzt.
Zum Beispiel dem Massnahmenplan Wasser (MPW) und den Regierungsratsbeschlüssen (RRB) zum Schutze des Zürichsees.

Sonderfall Nitrit:

In Anhang 3.1 Ziffer 2 Nr. 6 GSchV ist die Anforderung an den Parameter Nitrit als Richtwert festgelegt. In der GSchV ist die Bedeutung des Richtwertes nicht definiert.
Im Kanton Schwyz wird die Anforderung als Grenzwert betrachtet, sie ist nur erfüllt, sofern die Anzahl der Grenzwertüberschreitungen gleich oder kleiner ist als die Anzahl der zulässigen Abweichungen gemäss Anhang 3.1 Ziffer 42 GSchV

Richtwert:

Richtwerte müssen in der Regel im Jahresmittel erreicht werden damit die Anforderung erfüllt ist.
Sie bezeichnen ebenfalls eine Mindest Anforderung auf welche die Abwasser Reinigungsanlagen dimensioniert werden muss.

Nitrit Anhang 3.1

Gemäss GSchV gilt für alle Abwasser Reinigungsanlagen mit mehr als 200 Einwohner der Richtwert von 0.3 mg/l N.
Erhöhte Nitrit Konzentrationen fallen unregelmässig an.
Insbesondere bei Störfällen und bei stark belasteten oder nicht optimal eingestellten, Abwasser Reinigungsanlagen in der Übergangszeit, zwischen kalter und warmer Jahreszeit und umgekehrt.

Die für den Ausbau verantwortlichen Fachplaner bieten:

folgenden 2 Lösungen an:

«Sommerbetrieb»
- Programm Ablauf:
- Wenn die Abwassertemperatur: höher 10°C ist:
- «Denitrifikation» in den Becken 1 - 4 und «Nitrifikation» in den Becken 5 + 6
«Winterbetrieb»
- Programm Ablauf:
- Wenn die Abwassertemperatur: tiefer 10°C ist:
- «Nitrifikation» in den Becken 1 - 6

Rückbau in den 4 Becken

Anlagenteile:
- 4 x 156 Membran Belüfterteller
- 4 Auma Matic Regulierschieber
- 4 Schleifstein Sauerstoffsonden

Rückbau an den 4 Becken

Beckenaufbau:
- Der keilförmige Teil der Beckensohle

Einbau in den 4 Becken

Aktoren:
- 4 x 14 Belüfterstreifen 4'000 x 180mm
- 4 x 3 Regulierschieber Aumamatic KMS TP104/001:
    - Luft
    - IK Belebtschlamm
    - Rücklaufschlamm
- 4 Magnetventil
  - Entlastung Belüfter
- 4 x 2 Pneumatikschieber
  - Abzug Überschussschlamm
Messtechnik:
- 4 Sauerstoffsonden
- 4 x 2 Induktive Durchflussmessungen
  - IK Belebtschlamm
  - Rücklaufschlamm

Massnahmen Umbau Biologiebecken 1 - 4

Biologieblock kurz nach der Inbetriebsetzung 1973
Damals waren die Keramikkerzen in den Biologiebacken
am 10.04.1973

Belüfterstreifen Nahaufnahme Funktion im Labor
Bessere Energieeffizienz als Schlauchbelüfter

Umbau Biologiebecken 1> -> 4

Die 156 Membran Belüfterteller
werden vor dem Umbau entfernt
am 29.04.2006

Becken Umbau Keilentfernung
Denitrifikation Becken
am 29.04.2006

Winterbetrieb:

Nitrifikation: ⇒ «Sollwert Luftsauerstoff Konzentration > 2.0 mg/l»

Dabei wird in den Biologiebecken 1 - 4 wie in den Biologiebecken 5 + 6 Luftsauerstoff eingeblasen. Die Luftsauerstoff Konzentration in diesem vorgeschalteten Biologieblock wird auf 0.5 - 2.0 mg O₂/l gehalten.

Dieser Programmablauf kann gewählt werden wenn die Wassertemperatur weniger als 10 °C beträgt.
Mit diesem Programmablauf ist nur die Nitrifikation und keine Denitrifikation möglich.

Nach einer Versuchsphase stellt das Betriebspersonal fest: Dieser Programmablauf ist in der Praxis untauglich!!

Sommerbetrieb:

Nitrifikation + Denitrifikation: ⇒ «wenig Luftsauerstoff Eintrag»

Mit dieser Betriebart ist eine Teil Denitrifikation möglich. Diese Betriebsart wird gewählt wenn die Belebtschlammtemperatur mehr als 10 °C beträgt. Im Sommerbetrieb betreiben wir die Biologiebecken 1 - 4 als vorgeschaltete Denitrifikation.

Feststellungen

In den Betriebsjahren 2007 - 2015 wird die Belebtschlammfracht in den Biologiebecken mit der Stossbelüftung in Schwebe gehalten. Das heisst alle 25 Minuten wird die Belüftung für 3 Minuten aktiviert. Die 4 Biologiebecken 1 - 4 können nicht ohne Luftsauerstoff Zugabe betrieben werden.

Die Stossbelüftung, um die Belebtschlammfracht in der Schwebe zu halten, ist Kontraproduktiv. Eine effiziente Denitrifikation kann nur unter Ausschluss von gelöstem Sauerstoff betrieben werden. Wir wollen die vorgeschaltete Denitrifikation effizienter betreiben.

Sanierung Biologiebecken Denitrifikation 2014 - 2016

Die Betriebsleitung macht die Betriebskommission auf diese Problematik aufmerksam. Der Vorschlag, die 4 vorgeschalteten Denitrifikations Becken mit Rührwerken nachzurüsten, findet Anklang. Der Verband beschliesst nach dem Ende der Sanierung Denitrifikation dies an die Hand zu nehmen. Es wird beschlossen mit zwei Lieferfirmen Versuche durchzuführen.

Versuch mit Rührsystem «Oloid»

Vom Mittwoch, 12. Februar 2014 bis Dienstag, 10. Juni 2014 ist das «Oloid» 400 und danach das «Oloid» 600 Rührsystem von der Firma Staveb AG im Testbetrieb. Es werden umfangreiche Strömungs Messungen durch ein Team von der Hochschule Rapperswil (HSR) durchgeführt. Das «Oloid Rührwerk» vermag nur auf 3 m Beckentiefe (unsere Beckentiefe ist 4 Meter) die Rührleistung zu erbringen, wobei sich in den Ecken des Beckens Ablagerungen bildeten. Die wissenschftlichen Auswertungen geben uns die Gewissheit, die Beckengeometrie eignet sich nicht für dieses Rührsystem.

Versuch mit Strömungsbeschleuniger ABS XSB 1621

Vom Mittwoch, 11. Juni 2014 bis Freitag, 4. Juli 2014 ist ein Strömungsbeschleuniger Typ ABS XSB 1621 von Franz Suter AG im Einsatz. Der Strömungsbeschleuniger Sulzer Typ ABS XSB 1621 zeigt eine energieeffiziente Durchmischung für unseren Anwendungs Bereich. Das Aggregat ist darauf ausgelegt, in unseren 375 Kubikmeter grossen Becken genügende Strömungen zu erzeugen.

Die Auswertung Rührsystem «Oloid» und Strömungsbeschleuniger «ABS XSB»

Die Auswertung ist schnell gemacht:
- Das «Oloid» 600 Rührsystem ist nicht geeignet für unsere Beckengrösse.
- Der Strömungsbeschleuniger Typ ABS XSB 1621 zeigt ein gleichmässiges Strömungs Bild im gesamten Becken Bereich.

Nach Auswertung der Resultate wird gestaffelt jedes Denitrifikations Becken mit einem Strömungsbeschleuniger nachgerüstet. Der am Mittwoch, 11. Juni 2014 für den Versuch im Biologiebecken 3 eingebaute Strömungsbeschleuniger Typ ABS XSB 1621 von Franz Suter AG bleibt provisorisch im Einsatz. Bereits am Mittwoch 5. November 2014 wird im Biologiebecken 2 der zweite Strömungsbeschleuniger ebenfalls provisorisch in Betreib gesetzt. In den Betriebsjahren 2015 - 2019 wird die Belebtschlammfracht in den Denitrifikations Becken 2 + 3 mit je einem Strömungsbeschleuniger in Schwebe gehalten. Die beiden Becken 2 + 3 werden anox, das heisst ohne Luftsauerstoff Zugabe betrieben. Im Betriebsjahr 2019 werden in die Becken 1 + 4 die zwei letzten Strömungsbeschleuniger eingebaut. Mit dem Einbau der Frequenzumrichter für alle vier Antriebsmotoren können alle Denitrifikations Becken geregelt betrieben werden. Die Belebtschlammfracht wird ab diesem Zeitpunkt gut durchmischt und effizient in Schwebe gehalten. Alle Denitrifikations Becken werden jetzt anox, das heisst ohne Luftsauerstoff Zugabe betrieben. Die sehr lange dauernde Sanierung im Anlagen Teil Denitrifikation ist nun beendet.

Bilder zu den Versuchen vor den Sanierungs Arbeiten

«Oloid» 600 Rührwerk getestet
ausgewertet und verworfen
vom 12.02.2014 bis 10.06.2014

Strömungsbeschleuniger Typ ABS XSB 1621
erfolgreiches Testergebnis
vom 11.06.2014 bis 04.07.2014

Beschreibung «Denitrifikation»

Denitrifikation ist die Fähigkeit von Mikro Organismen, Nitrat durch enzymatische Aktivitäten zu molekularem Stickstoff zu reduzieren. Dieser Prozess findet nur statt, wenn kein frei gelöster Sauerstoff im Wasser vorhanden ist (anoxisch). Die Denitrifikation ist der einzige biologisch bekannte Prozess, durch den organische oder anorganische Stickstoff Verbindungen zu Stickstoff Gas zersetzt und letztlich wieder in den Stickstoff Kreislauf der Atmosphäre, zurückgeführt werden können. Wie bei der Nitrifikation sind auch bei der Denitrifikation verschiedene bakterielle Enzyme beteiligt. Im Unterschied dazu kann die Denitrifikation von einem einzigen Organismus durchgeführt werden. Die Reaktion ist also nicht vom vorhanden sein zweier verschiedener Bakterienstämme abhängig. An der Umwandlung des Nitrat Stickstoffs sind Organismen beteiligt, die man allgemein als Denitrifikanten bezeichnet.

Der von Bakterien unter Sauerstoff Mangel vorgenommener Umbau des Nitrates zu Stickstoff und Sauerstoff durch bestimmte Mikro Organismen den sogenanten Denitrifikanten. Die Denitrifikation wird in der biologischen Abwasserreinigung als Folgeschritt nach der Nitrifikation für den Abbau von Stickstoff Verbindungen genutzt.

Ablauf Funktion Denitrifikation

Denitrifikation Abbau Ablauf
vom Nitrat zum reinen Stickstoff

Vorgeschaltete Denitrifikation

Bei diesem Verfahren gelangen Ammonium Verbindungen vom Zulauf der Kläranlage unverändert durch die Denitrifikations Stufe in die nachfolgende Nitrifikation. Erst dort werden diese Verbindungen unter aeroben Bedingungen in Nitrat umgewandelt und wieder in den Zulauf der Denitrifikation zurückgeführt. Dies geschieht mittels des Rücklaufschlamm, in dem der grösste Teil der Nitrat Verbindungen enthalten ist. Die vorgeschaltete Denitrifikation findet in unbelüfteten Becken statt. Es muss gewährleistet werden dass die Biomasse in Schwebe gehalten wird. In unseren Denitrifikations Becken ist eine Belüftungs Einrichtung eingebaut. Im Sommerbetrieb wird alle 21 Minuten für 7 Minuten die Belüftung in Betrieb gesetzt, damit die Belebtschlamm Menge in Schwebe gehalten werden kann.

Ein Vorteil dieses Konzeptes liegt darin dass im Block 1 der Denitrifikations Stufe, umgesetzte Nitrat Sauerstoff schon zum biologischen Abbau der organischen Inhalts Stoffe des Abwassers (BSB5-Wert) genutzt wird. Das heisst es ist keine externe Zugabe von Kohlenstoff Quellen zum Nitrat Abbau notwendig. Im anschliessenden Block 2 Biologiebecken 5 + 6 Nitrifikations Stufe ist aufgrund dieses Sachverhalts ein verminderter Sauerstoff Bedarf vorhanden, da der BSB-Wert in der Denitrifikations Stufe schon reduziert wurde. Als Folge muss das Nitrifikations Becken weniger belüftet werden, wodurch Energiekosten eingespart werden können. Bei der vorgeschalteten Denitrifikation ist es in der Regel nicht möglich, das gesamte Nitrat aus dem Abwasser zu entfernen, da der anfallende Schlamm nicht vollständig in die Denitrifikation zurückgeführt werden kann. Dies würde die Abwasser Durchfluss Kapazität der Kläranlage überfordern. Die hydraulische Belastung wäre zu hoch. Hier liegt einer der Nachteile der vorgeschalteten Denitrifikation. Je nach Situation führen die für den Rücklaufschlamm benötigten Pumpen zu hohen Energie- und Investitions Kosten. Eine Problemlösung stellt der Einsatz spezieller Rührsysteme dar. Da das Abwasser mit dem Rücklaufschlamm vermischt werden muss, um Konzentrations Unterschiede im Klärbecken zu vermeiden müssen Rührsysteme eingesetzt werden.