Massnahmenkatalog zur Aktivierung der «inneren» Reserven einer ARA

Stand: xx.xx.xxxx

Vorbemerkung

Es gibt in der Schweiz noch wenig Erfahrungen mit Engpassanalysen. Der nachfolgende Massnahmenkatalog ist deshalb nicht abschliessend und wird periodisch auf Grund gemachter Erfahrungen online aktualisiert. Die Nutzer:innen werden gebeten, dem VSA allfällige Unstimmigkeiten respektive neue Erkenntnisse aus durchgeführten Referenzprojekten zu melden.

Übersicht

Sofern die Engpassanalysen für das Verfahren und die Hydraulik innere Reserven aufzeigen, ist eine Erhöhung des ARA-Zuflusses möglich (siehe nachfolgende Tabelle).

Massnahmen bei einzelnen Anlagestufen

Bei der Erhöhung der Wassermenge sind für jede Anlagestufe wo nötig Massnahmen umzusetzen, um die erforderliche hydraulische Kapazität sicherzustellen. Die nachfolgende Tabelle listet Lösungsansätze für Kapazitätserweiterungen pro Anlagestufe auf:

Achtung: Wenn eine ARA empfindlich auf hydraulische Stösse oder Schmutzstoffstösse reagiert, kann es sinnvoll sein, bei Regenereignissen den Zufluss zur ARA nur langsam und schrittweise zu erhöhen. Dies ist bei der Umsetzung der Massnahmen zu berücksichtigen.

Exkurs: Verfahrenstechnische Limitierung Biologie und Nachklärung

Mit der Erhöhung der hydraulischen Belastung auf die Biologie und die Nachklärung wird sich der GUS im Ablauf erhöhen. Um diese Schwebstoffproblematik zu adressieren, wird die Schlammkonzentration in der Biologie reduziert. Damit wird auch die Schlammvolumenbeschickung auf die Nachklärung verringert. Mit der tieferen Schlammkonzentration und dem tieferen Schlammalter reduziert sich die mikrobielle Aktivität und Diversität. Dadurch werden je nach Schlammalter weniger CSB, Ammonium und organische Spurenstoffe abgebaut. Die nachfolgende Abbildung illustriert die Effekte:

Der Schlammvolumen Index (SVI) ist gemäss Dimensionierungsnormen massgebend für die Abscheideleistung in der Nachklärung. Die Erfahrung zeigt, dass oftmals die Nachklärbecken-Konstruktion überprüft und das System auf die aktuellen Rahmenbedingungen adaptiert werden sollte. Die Becken werden manchmal sehr grosszügig dimensioniert und können dementsprechend heute oftmals mehr belastet werden, als die standardmässige Dimensionierung voraussagt, falls die Beckentiefe dies zulässt. Die untenstehende Abbildung zeigt eine mögliche Betriebsdatenanalyse wobei das 2 Q_TW,max dem effektiven Q_Dim. entspricht. Eine Saisonalität beim SVI ist klar zu erkennen.

Erkenntnisse liegen vor, dass die GUS-Ablaufwerte stark mit der Temperatur korrelieren. Folgende Hypothesen müssen noch weiter belegt werden (Quelle: «Optimierung der Abwasserbehandlung unter Einbezug von ARA und Netz». Hunziker Betatech AG, Juli 2018):

• Feinere Belebtschlammflocken im Winter führen zu einer schlechteren Sedimentation. Die Flockenstruktur ist möglicherweise durch die hohen Salzkonzentrationen negativ beeinflusst.
• Allfällige Dichteströmungen können zu einer Erhöhung des Schlammbetts und zu höheren GUS-Konzentrationen im Ablauf führen.

Exkurs: Verfahrenstechnische Limitierung EMV

Die Spurenstoffelimination ist aufgrund der Kontaktzeit der Spurenstoffe mit Ozon oder adsorbierender Aktivkohle hydraulisch limitiert.

Folgende Probleme können sich bei der Erhöhung der hydraulischen Belastung der EMV-Stufe ergeben:

• Erhöhte Dosierung von Betriebsmitteln (Pulveraktivkohle oder Ozon/ Ersatz der granulierten Aktivkohle)
• Schwierige Ermittlung der Eliminationsleistung (Zulauf-/ Ablauf ARA) möglich, da die Spurenstoffkonzentration im Zulauf bei Regen sehr schnell abnimmt, ev. kann eine Steuerung über eine SAK-Sonde weiterhelfen. Im Einzelfall kann ein Kombiverfahren der Verdünnungsproblematik entgegenwirken (die treibende Kraft der Konzentration wird bei Aktivkohleanlagen deutlich geringer).
• Rückhalt der Aktivkohle (technisch > 95% machbar, unter Berücksichtigung der Messungenauigkeiten). Hier empfiehlt das Dokument der Plattform Micropoll vom Juni 2019 mit GUS- und Trübungsmessungen als auch mit direkten AK-Schlupfmessungen den Aktivkohleschlupf zu überwachen.

Teilstrombehandlung

In Deutschland wird vermehrt der Betrieb von einer Teilstrombehandlung diskutiert. Im Rahmen dieser Richtlinie setzte sich der VSA mit dieser Fragestellung auseinander und diskutierte Möglichkeiten der Umfahrung der Vorklärung oder der biologischen Stufe. Beide Massnahmen werden als drastischer Eingriff in die ARA erachtet, welche mit Risiken verbunden sind.

Mit einer Teilumfahrung des Vorklärbeckens soll der erhöhte Frachtstoss aus konzentriertem Abwasser aus dem VKB in die Biologie bei einem Regenereignis gedämpft werden. Dies bedingt entsprechende hydraulische Reserven beim Nachklärbecken sowie idealerweise erweiterte Messtechnik wie zum Beispiel eine Ammoniumssonde im Zulauf, so dass im richtigen Moment die Teilumfahrung eingeleitet und wieder gestoppt werden kann. Bei Anlagen mit Überschussschlammeindickung über die Vorklärung kann es kurzzeitig zu einer schlechteren Phosphorelimination führen.

Dagegen soll der Sandfang nicht umfahren, sondern «temporär überlastet» werden.

Der VSA rät von einer Teilumfahrung der Biologie ab. Mit dieser Massnahme wird nur ein bescheidener und schwer zu quantifizierender Effekt erzielt (geringe Elimination von Phosphor und CSB, BSB sowie GUS), dem ein erhöhtes Risiko von Schlammverlust durch die Nachklärung und damit der Reduktion des Schlammalters wegen der stärkeren hydraulischen Belastung gegenübersteht.

Nutzung saisonaler Reserven Beim Belebtschlammverfahren (und generell bei allen Verfahren mit suspendierter Biomasse) sind in den Sommermonaten aufgrund der temperaturbedingt höheren biologischen Aktivität i.d.R. Reserven vorhanden, wodurch die Kontaktzeit resp. das Schlammalter verkürzt werden kann. Daher ist eine erhöhte hydraulische Belastung hauptsächlich in den Sommermonaten zu prüfen. Auf allen Kläranlagen ist eine individuelle Abklärung nötig. Die nachfolgende Abbildung zeigt die saisonale Abhängigkeit aller beschriebenen Effekte. Nitrat kann in gewissen Fällen das ganze Jahr problematisch sein, wenn man eine Jahreseliminationsrate erreichen muss.

Soll das Q_{max., ARA} in den Sommermonaten über das Q_Dim erhöht werden, muss die Anlage prozesstechnisch darauf eingestellt werden. Dies bedingt in einem ersten Schritt einen geplanten und begleiteten Pilotbetrieb. Der Betreiber muss das Verhalten der Anlage detailliert kennen, da mit der Ausnutzung von Reserven die Sicherheitsmarge bezüglich Einhaltung der gesetzlich geforderten Ablaufwerten abnimmt. Idealerweise wird der Pilotbetrieb fachlich begleitet.

Dabei sind zwei Zielkonflikte zu beachten:

• Mit der Annahme der Motion zur N-Elimination ergibt sich ein neuer Zielkonflikt, weil die in den Sommermonaten vorhandenen Reserven möglicherweise für eine erhöhte Stickstoffelimination genutzt werden müssen.
• Ein weiterer Zielkonflikt besteht im Zusammenhang mit der Bildung von Lachgas. Aktuelle Forschungsergebnisse zeigen, dass eine stabile Nitrifikation und eine ganzjährige Denitrifikation die Lachgasemissionen reduzieren können. Eine erhöhte Nitritkonzentration im Belebungsbecken respektive im Ablauf kann auf eine erhöhte Lachgasproduktion hinweisen. Zudem treten die Lachgasemissionen vor allem in der Übergangszeit (März/ April) auf.

Die Optimierung ist unter Beachtung dieser Zielkonflikte situativ abhängig von der ARA und dem Gewässer zu konkretisieren.

Nutzung kurzfristiger Reserven

Wird die Anlage dynamisch gefahren und kurzzeitig mehr Abwasser gereinigt, kann dies zu erhöhten GUS- oder Ammoniumwerten führen. Um die Reaktionszeit zu verkürzen und den Prozess zu kontrollieren, ist es sinnvoll die zu- und ablaufende Ammoniumkonzentration sowie die ablaufende Trübung online zu messen. Eine intensivere (online) Nitrit-Analytik sowie häufigere Bestimmungen der Schlammflockenstruktur helfen ebenfalls beim optimierten dynamischen Betrieb. Die Erweiterung der ARA mit Messtechnik ist für die dynamische Bewirtschaftung sinnvoll. Die Reaktionszeiten des Betriebes müssen für diese Betriebsweise verkürzt werden.

Die Reaktionen der einzelnen Anlagestufen auf eine kurzzeitige erhöhte Hydraulik (dynamische Spitzen von einigen Stunden zu Beginn eines Regenereignisses) können teilweise in einem Modell und mit Pilotversuchen abgeschätzt werden. Zur Hilfestellung beschreibt das DWA Dokument T3/2016 ¹ auf der Seite 27 ein Regelungskonzept.

Modellierung und Simulation

Eine verlässliche Aussage, ob die hydraulische Belastung der ARA über den Dimensionierungszufluss (Q_Dim.) gesteigert werden kann, kann nur mit einer Simulation gemacht werden. Mit ersten statischen Überlegungen kann die Machbarkeit grob geprüft werden. Für die dynamischen Zustände wie die Übergänge von Trocken- auf Regenwetter ist eine dynamische Simulation aufgrund der unterschiedlichen Abhängigkeiten von verschiedenen Prozessfaktoren nötig. Die konventionelle Biologie kann am repräsentativsten modelliert werden (Ammonium). Alle anderen Verfahrensstufen und -arten können noch nicht repräsentativ modelliert werden. Die Simulation weist zuverlässige Resultate für den Testbetrieb aus.

Einbezug Betrieb

Massnahmen sind immer in Absprache mit dem Betrieb zu planen und umzusetzen.

Risikofaktor Lachgas

Das Forschungsprojekt der Eawag von Wenzel Gruber unter der Leitung von Adriano Joss (bis Ende 2021) zeigt, dass ein gutes Gleichgewicht zwischen Nitrifikation und Denitrifikation die Lachgasemissionen reduzieren kann. Eine erhöhte Nitritkonzentration im Belebungsbecken respektive im Ablauf kann auf eine erhöhte Lachgasproduktion hinweisen. Gemäss «N₂O-emissions in full-scale WWTP» ² treten die Lachgasemissionen vor allem in der Übergangszeit (März/ April) auf. Es wird angenommen, dass in dieser Zeit die NOB (Nitrobakter) ausgeschwemmt werden. Bis diese wieder ausreichend eingewachsen sind, kann es gut 2-3 Monate gehen.

Die Lachgasemissionen erfolgen hauptsächlich bei Trockenwettersituationen, jedoch wurden auch nach Regenwettertagen höhere Emissionen detektiert. Dies kann eventuell ebenfalls auf das Auswaschen der Nitrobakter zurückzuführen sein.

Aufgrund dieser Erkenntnisse können die Schlammkonzentration und das Schlammalter in den Sommermonaten tiefer gefahren werden, um die ARA hydraulisch stärker zu belasten. Zu Beginn der hydraulisch stärker belasteten Phase ist jedoch sicherzustellen, dass tiefe Nitritkonzentrationen vorherrschen und ausreichend Denitrifikationsvolumen sowie ausreichendes organisches Substrat zur Verfügung stehen.

Es sind zusätzliche Nitrit-Messungen nötig und eine gute Überwachung der ARA inkl. Biomasse (Schlammstruktur), wenn die hydraulische Belastung gesteigert wird. Wichtig ist, dass die ARA saisonal nicht zu lange höher belastet und mit zu wenig Reserven in den Winter gefahren wird.

Bezogen auf die zulaufende Jahresfracht werden rund 0.1 – 2.5% des eingetragenen Stickstoffs in Lachgas umgewandelt, wobei die Emission an den meisten Standorten innerhalb weniger Wochen stattfindet und stark prozessabhängig ist. Durch die hohe Klimarelevanz von N₂O sind die Auswirkungen der Lachgasemissionen bei der integralen Betrachtung Netz-ARA Gewässer entsprechend zu würdigen.

1. Publikation DWA-Themen T3/2016 «Technische Massnahmen zur Behandlung von erhöhten Mischwasserabflüssen in der Kläranlage», Herausgeber: DWA, August 2016 ↩︎
2. Gruber W., Niderdorfer R., Bürgmann H., Joss A., von Känel L., Braun D., Mohn J., Morgenroth E., (2022), Lachgasemissionen aus ARA, Aqua&Gas 1/2022 ↩︎