beitreten

Einleitung 

Ziel der Engpassanalyse ist die Ermittlung der inneren Reserven der ARA. Die Engpassanalyse muss sowohl für das biologische Verfahren als auch die hydraulische Kapazität durchgeführt werden. Die Reinigungsprozesse einer ARA unterliegen physikalischen, hydraulischen und biochemischen Effekten, welche in den vier Reinigungsstufen einer kommunalen ARA ablaufen:  

Kategorisierung Verfahrensstufe Effekt 
Erste Stufe (mechanische Reinigung) mechanische Reinigung für den 
Grobstoffrückhalt  
Hydraulisch und 
physikalisch 
Zweite Stufe (biologische Reinigung) biologische Reinigung zur Elimination der gelösten Schmutzstoffe (Organische Stoffe, Stickstoff und teilweise Spurenstoffe) Hydraulisch und 
biochemisch 
Dritte Stufe (chemische Reinigung) – integriert in die zweite Stufe chemische Reinigung für die 
Phosphorelimination 
Hydraulisch und 
chemisch 
Vierte Stufe (Filtration & EMV) weitergehende Feststoffelimination (z.B. Sandfiltration) und / oder Behandlungsstufe zur Spurenstoffelimination Hydraulisch und physikalisch oder chemisch 
Tabelle 1: Kategorisierung der ARA Verfahrensstufen und den ablaufenden Effekten. 

Die zweite Stufe ist das Herzstück der Abwasserreinigung. Ohne funktionierende Biologie können die gelösten Schmutzstoffe nicht ausreichend eliminiert werden und der Ablauf der ARA kann die gesetzlichen Anforderungen nicht erfüllen. Entsprechend steht die Engpassanalyse beim biologischen Verfahren immer an erster Stelle. Sofern dabei Reserven eruiert werden, welche eine dynamische Erhöhung der Wassermenge erlauben, ist anschliessend die Analyse der hydraulischen Kapazität der übrigen Anlagestufen durchzuführen. 

Engpassanalyse Verfahren 

Unterschiede bei den Verfahren 

In der Praxis kommen verschiedene biologische Verfahren zur Anwendung. Die Verfahren unterscheiden sich in der Art und Weise der Bakterienansiedlung (suspendiert oder festsitzend), Anzahl Stufen des biologischen Reinigungsprozesses sowie in der Art der Feststoffabtrennung. Entsprechend sind nicht alle Verfahren gleich flexibel bezogen auf die dynamische Erhöhung des ARA-Zuflusses. Die Tabelle 2 gibt einen Überblick über das Potenzial der verschiedenen Verfahren: 

Verfahren Bakterienansiedlung/ Anzahl Reaktoren biologischer Reinigungsprozess Potenzial/ Limite für eine Erhöhung der maximalen hydraulischen Belastung 
Konventionelle Belebtschlamm-anlage Belebtschlamm – suspendiert; Zwei Reaktoren (Biologie und Schlammabsetzung im entkoppelten NachklärbeckenEntkopplung der Biologie und der Nachklärung, daher grosses Potenzial (bei Senkung von TS in Biologie kann die Hydraulik auch auf die Nachklärung erhöht werden; siehe auch Tabelle 4) 
SBR Belebtschlamm – suspendiert; Biologiestufe und Absetzprozess im gleichen Reaktor, zZeitlich differenziert und zeitlich gesteuert Anpassung der Schlammkonzentration und der Zykluszeiten möglich. Ein schneller Wechsel auf kürzere Zykluszeiten führt zu schlechterer Reinigungsleistung (Nitrifikation/Denitrifikation). Vorlage und nachgeschalteter Ausgleichsbehälter als hydraulische Limiten, falls die Kapazität des SBR nicht ausreicht. – Potenzial evtl. in den Sommermonaten oder bei geringerer Anlagenbelastung 
Hybrid  Wirbelbett Belebtschlamm – suspendiert und Biofilm – festsitzend auf Träger; Zwei Stufen (Biologiestufe und Schlammabsetzung im entkoppelten Nachklärbecken) Entkopplung der Biologiestufe und der Nachklärung, daher Potenzial eher limitiert durch das Ausschwemmen der Trägerelemente im Nitrifikationsteil resp. hydraulische Kapazität des Rückhaltesiebs (Verstopfungsrisiko). Risiko: Lastspitzen sind schwierig zu handeln. Reines Wirbelbett: Schlechtere Flockung der Nachfällung 
Biofilter Biofilm- festsitzend; Biologiestufe und Schlammrückhalt im gleichen Reaktor gekoppelt.  Hydraulisch limitiert. Die maximale Dimensionierung ist fix – definierte Kontaktzeit. Keine Pufferkapazität für Stossbelastung. Unterbelastung nur limitiert nutzbar aufgrund hydraulischer Limitierung. 
MBR (Membranbioreaktor) Belebtschlamm – suspendiert; Biologiestufe und Schlammabtrennung (Membranen) entkoppelt.  Hydraulisch limitiert durch die Membranfläche und die Dichte des Wassers.  Nur bei ausreichenden Volumen über der Membran und evtl. in den Sommermonaten (bessere Permeabilität) ist eine Erhöhung denkbar  Kleineres Biologievolumen, da höhere Schlammkonzentration -> Schlechtere Pufferkapazität für Impulsbelastungen 
Tabelle 2: Einschätzung des Potenzials verschiedener Verfahren zur dynamischen Erhöhung des ARA-Zuflusses 

Da in der Schweiz mehrheitlich (> 80%) konventionelle Belebtschlammanlagen im Einsatz sind, beschränken sich die folgenden Ausführungen auf dieses Verfahren mit Fokus auf die Abwasserstrasse. Die Auswirkungen der dynamischen Erhöhung des ARA-Zuflusses auf die Schlamm- und Gasbehandlung sind i.d.R. von untergeordneter Bedeutung.  

Relevante Parameter 

Der biologische Reinigungsprozess ist abhängig von den vorherrschenden Umweltbedingungen sowie unterschiedlichen Parametern: 

  • Temperatur: Effizienz biologischer Abbau, Dichte des Wassers, Reaktionsgeschwindigkeit, Sauerstofflöslichkeit 
  • Zielkonflikt: Die zunehmende Reaktionsgeschwindigkeit von biologischen Aktionen bei steigender Temperatur kann zusammen mit der abnehmenden Löslichkeit von Sauerstoff zu Sauerstoffmangel in den Sommermonaten führen (insb. in Situationen an der Belastungsgrenze). 
  • Salzgehalt im Wasser – Winter: Ionenaustausch von NaCl mit Mg verändert die Schlammstruktur 
  • Durchmischung und Aufenthaltszeit – Kontakt zwischen Belebtschlamm und Schmutzstoffen 
  • Dem aktuellen Prozesszustand; TSBB und SVI bestimmt die Belastbarkeit der NK; Masse der Nitrifikanten wird bestimmt durch NH4-Fracht der letzten Tage.   

Neben diesen Umweltbedingungen, zentralen Parametern und dem aktuellen Prozesszustand ist der aktuelle Auslastungsgrad der ARA massgebend, ob die geforderten Einleitbedingungen der ARA auch mit einer zusätzlichen hydraulischen Belastung eingehalten werden können.  

Kritische Verfahrensschritte und Risikofaktoren 

Die nachstehende Tabelle listet die für die einzelnen Schmutzstoffe kritischen Verfahrensschritte, Risikofaktoren bei der dynamischen Erhöhung des ARA-Zuflusses sowie die Auswirkungen auf die Ablaufwerte auf. 

Schmutzstoff Kritischer Verfahrensschritt Risikofaktor bei Erhöhung der maximalen hydraulischen Belastung Auswirkung auf Ablaufwerte 
Organische Stoffe  (DOC, CSB) Biologie: ausreichend Schlamm erforderlich für den Abbau  Je mehr Schlamm im Biologiebecken vorliegt, desto grösser ist die biologische Reinigungskapazität (Diversität der Bakterien, Kontakt, Reaktionszeit).  erhöhter DOC, erhöhter gelöster CSB / Überschreitungen möglich  
Stickstoff (Ntot, NH4+, NO2, NO3, N2O) Biologie: ausreichend Schlamm und genügend Schlammalter sowie die Nitrifikantenbiomasse sind erforderlich für den Abbau/ Gleichgewicht zwischen  
De- und Nitrifikation nötig (ausreichend Volumen) Nachklärung: ausreichende Absetzung für den Schlamm   
Dito oben; Nitrifikation ist stärker temperaturabhängig als der Abbau von organischen Stoffen; grosse belüftete Reaktoren erforderlich für Nitrifikation – massgebend ist der Aufbau der Nitrifikantenbiomasse, welche sich durch die Ammoniumfracht der Vortage aufgebaut hat. Zusätzliches unbelüftetes Volumen für Denitrifikation sicherstellen. Beruhigende Massnahmen gegen überhöhten O2-Eintrag bei Regen treffen. Durch die tiefere Konzentration an leichtabbaubarem CSB ist eine reduzierte Denitrifikation zu erwarten – Zielkonflikt! Neuste Erkenntnisse zeigen, dass ein weitgehender Stickstoffabbau die Lachgasproduktion reduziert. Risiken zeigen sich speziell im Frühling und bei einer schlechten Schlammstruktur (hoher SVI) Erhöhtes NO2 und NH4+  Zu tiefe Gesamtstickstoffelimination; Überschreitung möglich; N2O Bildung in Übergangszeit möglich 
Phosphor (Ptot) Nachklärung: ausreichende Absetzung für den Schlamm  Filtration: Rückstau Wird ev. zu wenig gebunden im Schlamm und am Fällmittel; die Dosierung von Fällmittel kann Q abhängig gesteuert werden Ev. Umfahrung Filtration bei zu hoher hydraulischer Belastung Erhöhter gelöster und  
partikulärer P/ Überschreitungen möglich  
Schwebstoffe (GUS) und partikulärer CSB  Nachklärung: nicht ausreichende Absetzung für den Schlamm  Filtration: Rückstau Aufgrund der höheren Schlammvolumenbeschickung der Nachklärung können die ungelösten Stoffe bei einem hydraulischen Stoss ev. ausgeschwemmt werden.  Ev Umfahrung Filtration bei zu hoher hydraulischer Belastung Erhöhter GUS/ ev. partikulärer CSB / Überschreitungen möglich/ zu hoher Schlammverlust kann zu Problemen führen  
Spurenstoffe Massgebend für die Elimination von Spurenstoffen ist die ideale Durchmischung, die Kontakt- und die Reaktionszeit. Dies gilt für Verfahren mit Pulveraktivkohle  
oder granulierte Aktivkohle und auch für die Ozonung. In der Biologie ist das Schlammalter relevant 
Biochemische und hydraulische Limitierung:  Unzureichende Betriebsmittel und/oder Kontaktzeit für die eingetragene Fracht (Aktivkohle oder Ozon). Erreichen der Eliminationsleistung erschwert durch zeitliche Verzögerung und negativem Konzentrationsgradient von Zu- und Ablauf bei Regenfall und erschwerte Detektion bei tiefen Konzentrationen. Aktivkohle-Rückhalt von >95% technisch machbar, jedoch schwer kontrollierbar. Messung: online GUS- und Trübungsmessungen Unzureichende  
Eliminationsleistung, PAK-Abtrieb zu hoch, Ozonaustrag 
Tabelle 3: Kritische Verfahrensschritte, massgebende Engpässe und kritische Stoffparameter für diese Engpässe. 

Auswirkung auf Verfahrensstufe zur Elimination von organischen Spurenstoffen 

Die VSA-Publikation «Zu behandelnde Abwassermenge und Redundanz von Reinigungsstufen zur Entfernung von Mikroverunreinigungen» empfiehlt, dass der gesamte Ablauf der biologischen Reinigungsstufe über die EMV-Stufe geführt wird (Vollstrombehandlung). Abweichungen sind nur in begründeten Fällen mit eindeutiger Dokumentation möglich. Wenn die Hydraulik über dem QDim liegt, gilt die Forderung zur Vollstrombehandlung nicht zwingend (siehe Kapitel 1.2der Richtlinie – wichtige Randbedingung BAFU). 

Engpassanalyse Hydraulik 

Massgebend für die Erhöhung der hydraulischen Belastung über den Dimensionierungszufluss (QDim.) ist die hydraulische Kapazität entlang der gesamten Abwasserstrasse. Der erhöhte ARA-Zufluss darf nicht zu einem Überfluten eines Anlageteils, zu unerlaubtem Rückstau oder zu Entlastungen führen.  

Jegliche Gerinne, Kanäle, Zwischenentlastungen und Hebewerke sowie die mechanischen und physikalischen Stufen sind hydraulisch nach standardisierten Normen zu überprüfen. Zum einen erfolgt diese Prüfung über die Bestandspläne, jedoch auch mit der Analyse der Betriebsdaten (über einen Zeitraum von ca. 2-4 Jahren) und dem hydraulischen Längsprofil. Zudem ist das Gespräch mit dem Betreiber ein wichtiges Element, um eine Erhöhung der Wassermenge über die Gesamtanlage zu erwägen. Jedoch kann erst eine detailliert geplante Pilotierung bestätigen, dass die Wassermenge erhöht werden kann.  

Die nachfolgende Tabelle zeigt die Effekte und die Risiken der einzelnen Stufen auf.  

Anlagestufe Stufe Effekt Risiko 
Gerinne / Kanäle Ganze Anlage, alle Stufen hydraulisch Überflutung und/oder zusätzliche Entlastung durch Rückstau 
Zwischenentlastungen Ganze Anlage, alle Stufen hydraulisch Rückstau und/oder Überflutung 
Messbereich vor Durchflussmessung Ganze Anlage, alle Stufen hydraulisch Rückstau und/oder Überflutung -> Messfehler möglich 
Hebewerke / Pumpen Ganze Anlage, alle Stufen hydraulisch Aufstau, Rückstau und/oder Überflutung 
Kies-/Steinfang 1, mechanisch hydraulisch Mehr Steine und Kies vor dem Rechen 
Rechen 1, mechanisch hydraulisch Rückstau und/oder Überflutung, erhöhte Geschwindigkeit durch das Aggregat & reduzierter Materialrückhalt. Ablagerungen bei Niedrigwasser (bei Q Reduktion) 
Sand- und Fettfang 1, mechanisch hydraulisch Rückstau, verminderte Abscheidung, mehr Sand in den nachfolgenden Becken/Schlamm (höhere Abrasion, Sand in Faulung), Kurzschlussströmungen, Anstieg Wasserspiegel, Überströmen Schwimmstoffschild 
Vorklärbecken 1, mechanisch hydraulisch Geringere Aufenthaltszeit, reduzierte Sedimentationszeit, höhere Oberflächenbelastung, Kurzschlussströmungen, tiefere Eliminationsrate und damit erhöhte Belastung auf Biologie (GUS, CSB, BSB5, Ptot und Ntot), geringere Biogasproduktion 
Schwimmschlammrinnen VKB und NKB 1, mechanisch & 2 biologisch hydraulisch Rückstau, Überflutung, Schwimmschlamm kann nicht mehr entfernt werden 
Biologiebecken 2, biologisch biochemisch Reduktion der hydraulischen Aufenthaltszeit, höhere zu behandelnde Frachten, mehr Impulsbelastungen, höherer Sauerstoffanteil in Zulauf, Risiko unvollständiger Prozessablauf, Reduktion der Zulauftemperatur, nicht ausreichende Gebläseleistung resp Lufteintrag 
Nachklärbecken 2, biologisch hydraulisch Erhöhter Schlammabtrieb, Schlammspiegel steigt, geringere Aufenthaltszeit, tiefere Abscheideleistung von ungelösten Stoffen (GUS, CSB, BSB5, Ptot und Ntot), höhere Oberflächenbelastung, Kurzschlussströmungen 
Fällung 3, chemisch hydraulisch Verkürzung der Einmisch- und Reaktionszeit, Veränderung Turbulenz 
EMV 4, weiter- gehende Stufe Hydraulisch & Biochemisch Reduzierte hydraulische Aufenthaltszeit, Kontaktzeit und Eliminationsleistung, erhöhte Nitrit- oder DOC-Konzentrationen führen zu erhöhtem Ozonbedarf, Restozongehalt resp. PAK/Micro-GAK-Schlupf steigt, GAK Filtration: Verblockung, Micro-GAK-Schwebebett expandiert 
Sandfiltration 4, weiter- gehende Stufe hydraulisch Rückstau, Verblockung, Überlauf und damit reduzierter GUS-Rückhalt 
Tabelle 4: Kritische Verfahrensschritte, massgebende Engpässe und kritische Stoffparameter für diese Engpässe. 

Das Engpasspotenzial nimmt durch die Durchflussmenge Q aufgrund der steigenden Energieverlusten H zu: 

  • Druckleitungen, Düker, Schieberöffnungen und geschlossene Gerinne weisen ein hohes Engpasspotenzial auf.  
  • Beckenüberfälle und Schlammabzugsrinnen verfügen über ein geringes Engpasspotenzial.  
  • Umlenkungen, Aufteilungen, Vereinigungen, offene Gerinne, Venturi, Hebewerke, Pumpen und Rechen liegen dazwischen mit einem mittleren Engpasspotenzial. 
Skip to content