Kompex

"Weiterentwicklung und Erprobung eines Biofilters mit Kompostfüllung zur dezentralen Abwasserreinigung sowie zur Minimierung der Klärschlämme besonders in klimatisch exponierten Einzellagen und Untersuchung von Verfahren zur Entsorgung von Kleinstmengen getrockneter Schlämme vor Ort"

Projektförderung:
Deutsche Bundesstiftung Umwelt (DBU)

Projektlaufzeit: 12/2003 bis 05/2005

Projektleitung:
Univ.-Prof. Dr.-Ing. Jörg Londong

BUW-Projektbearbeiter:
Dipl.-Ing. Matthias Hartmann

Projektpartner:
ISWW- Institut für Siedlungswasserwirtschaft der Technischen Universität Braunschweig
MFPA
- Materialforschungs- und Prüfanstalt an der Bauhaus-Universität Weimar

 

Problemstellung

Der Alpenraum und die Mittelgebirge sind bevorzugte Ziele für die Freizeitgestaltung, die Naherholung und den Tourismus. Insbesondere bei schönem Wetter bewegen sich täglich mehrere tausend Menschen im Umkreis einzelner Ausflugsziele, die somit eine zeitgemäße Ver- und Entsorgung benötigen.

Wegen der weitaus härteren klimatischen und geographischen Bedingungen und den saisonal extrem schwankenden Abwassermengen und -zusammensetzungen ist die Lösung des Abwasserentsorgungsproblems in diesen Regionen schwieriger als in zumeist zentralisierten Tallagen. Die in verschiedenen Demonstrations- und Pilotprojekten bereits getesteten modifizierten Belebungs- und Biofilmverfahren zur Abwasserbehandlung haben sich in Bezug auf Reinigungsleistung, den technischen und energetischen Aufwand sowie Wartung und Betrieb als kritisch erwiesen.

Zielsetzung

Ziel der Forschungsarbeiten ist es, ein Verfahren bzw. eine Verfahrenskombination zu entwickeln, die den gestellten Anforderungen weitestgehend entspricht. Als wichtigste Zielkriterien sind dabei die einfache und sichere Anwendung des Abwasserreinigungssystems sowie der möglichst geringe Reststoffanfall herauszustellen.

Vorgehensweise

Für die Abwasserreinigung wird ein Biofilter mit Kompostfüllung erprobt und weiterentwickelt, dessen Abbauverhalten bereits bei der Behandlung von organisch schwach belastetem Deponiesickerwasser getestet wurde. Hinsichtlich der Reststoffminimierung sollen konventionelle wie innovative Verfahren der Klärschlammbehandlung und -entsorgung untersucht werden.

Im Rahmen des Forschungsprojektes ergeben sich daher folgende Bearbeitungsschwerpunk

  • Ermittlung der Kompostbelastbarkeit hinsichtlich Beschickung
  • Feststellung des Reinigungsverhaltens inklusive Hygienisierung im Langzeitversuch
  • Notwendigkeit einer nachgeschalteten zweiten Verfahrensstufe
  • Reaktionen auf Stoßbelastungen
  • Stabilität und Lebensdauer der Füllungen – Betriebssicherheit
  • Bemessungskriterien für die großtechnische Anwendung
  • Untersuchung von Verfahren zur Schlammstabilisierung, Entwässerung, Trocknung und Verbrennung
  • Auswahl geeigneter Verfahrenskombination zur Schlammminimierung für die großtechnische Anwendung

Aufgrund der Ähnlichkeit der Abwasserzusammensetzung von Hütten im Mittelgebirge und den Alpen mit der von WC-Anlagen auf Parkplätzen an Autobahnen sollen die Versuche zunächst mit diesen Abwässern durchgeführt werden, bevor die großtechnische Umsetzung auf einer geeigneten Berghütte angestrebt wird. 

 

Ergebnisse

Abwasserreinigung via Kompostreaktoren
Der Abbau organischer sauerstoffzehrender Substanzen (CSB und BSB5) findet bis zu einer auf das Reaktorvolumen bezogenen Raumbelastung von B R = 230 g CSB/m3*d auf gleichbleibendem Niveau ohne Limitierung statt. Der BSB5 wird nahezu vollständig eliminiert(η>95%), die CSB- Eliminationsrate fällt geringer aus (η<67%). Die maximale Nitrifikationsrate wurde zu 90 g N/m 3*d ermittelt. Bei Belastungen von weniger als 60 g CSB/(m³*d) bzw. 30 g NH4-N /(m³*d) wurden NH 4-N Eliminationsraten von 95% erreicht. Eine stabile biologische Stickstoffelimination war jedoch nicht nachweisbar. Entweder findet keine Denitrifikation statt oder die hierdurch erzielte Stickstoffelimination wird durch Auswaschung von Stickstoff aus dem Filtermaterial kompensiert.

Eine Phosphorelimination findet nicht statt. Aufgrund der hohen CSB Konzentrationen im Ablauf (CSB~300 mg/l), die zum einen auf einen hohen refraktären Anteil im Zulauf und zum anderen auf die Generierung von Huminstoffen beim Abbau und der Auswaschung aus dem Filtermaterial zurückgehen, ist nach deutschem Recht eine Nachbehandlung erforderlich. Eine Rezirkulation des gereinigten Abwassers in den Zulauf zeigt keine positive Wirkung weder auf die Stickstoffelimination noch auf eine Reduzierung der CSB-Konzentration im Ablauf. Vielmehr begünstigt die zusätzliche hydraulischen Belastung die Zersetzung des Filtermaterials und damit den Austrag von Stoffen. Unterschiedliche Beschickungsregime bewirken keine signifikanten Veränderungen in der Reinigungsleistung der Reaktoren.

Das System ist unempfindlich gegenüber Stoßbelastungen und zeichnet sich durch sofortige Einsatzbereitschaft nach längerer Betriebspause (saisonaler Betrieb) aus. Die Hygienisierungsleistung der Kompostreaktoren ist vergleichbar mit denen von bewachsenen Bodenfiltern und verbessert sich mit steigender Anzahl der hintereinander durchströmten Module, d.h. mit sinkenden Raumbelastungen. Die Betriebssicherheit des Verfahrens ist eingeschränkt, da die Reaktoren nach einer gewissen CSB-Frachtbelastung durch biologische Kolmation versagen. Das gebrauchte Filtermaterial kann als Bodensubstrat verwertet werden.

Schlammbehandlung
Der PWC-Schlamm unterscheidet sich hinsichtlich Feststoffgehalt (höher) und Schwermetallkonzentrationen (niedriger) von kommunalem Klärschlamm, ist jedoch mit Klärschlämmen von alpinen Standorten vergleichbar. Bei der Stabilisierung zeigt sich eine deutliche Temperaturabhängigkeit. Generell ist der Abbaugrad gering, was auf die Teilstabilisierung während der Lagerung in der Absetzgrube zurückzuführen ist. Die Faulgasproduktion steigt mit Zugabe von Bioabfällen deutlich. Durch eine vorgeschaltete Hydrolyse der Küchenabfälle verkürzt sich die Faulzeit wesentlich. Das Faulgas ist für den Einsatz in Brennstoffzellen geeignet. Dennoch ist die anaerobe Stabilisierung bei den zu erwartenden geringen Mengen an Schlamm und aufgrund der erforderlichen Temperierung des Faulbehälters als unwirtschaftlich anzusehen.

Durch natürliche Trocknung in dünnen Schichten in einem überdachtem Trockenbeet können Feststoffgehalte von über 80% TR erreicht werden. Eine Lagerung unterhalb des Gefrierpunktes (Gefrierkonditionierung) verbessert das Entwässerungsergebnis, eine Vorkonditionierung hat jedoch keinen Einfluss. Die maschinelle Entwässerung mit einer Wringpresse führt zu Feststoffgehalten bis zu TR=50 % , wobei eine Konditionierung notwendig ist. Für die Mikrowellentrocknung werden 2 kWh pro kg verdampftes Wasser benötigt. Eine Reduzierung des Energiebedarfs durch Optimierung der Mikrowellentrocknungsanlage erscheint möglich.

Der getrocknete Schlamm lässt sich gut verbrennen, die Grenzwerte der 17. BimSchV werden allerdings zum Teil deutlich überschritten. Eine Optimierung des Verbrennungsofens kann eine Reduzierung der Kohlenmonoxidkonzentration bewirken. Die hohe Konzentration an Schwefeldioxid erfordert hingegen eine separate Rauchgasreinigung.

Fazit

Die Reinigung stark belasteter, stickstoffhaltiger Abwässer in exponierten Einzellagen mittels Kompostfilter ist prinzipiell möglich. Die deutschen Mindestanforderungen für kommunales Abwasser gemäß Abwasserverordnung können hinsichtlich CSB Konzentration jedoch nicht eingehalten werden. Die Ursache hierfür ist der hohe Anteil an refraktärer CSB im Rohabwasser, der durch die biologische Behandlung und durch Auswaschung aus dem organischen Filtermaterial weiter aufgestockt wird. Die Betriebssicherheit des Verfahrens ist eingeschränkt, da die Reaktoren nach relativ kurzer Zeit aufgrund biologischer Kolmation versagen. Der modularer Aufbau und die Variation der Substrate sowie die Anordnung einer zwischengeschalteten Abtrennung des Überschussschlammes sind jedoch mögliche Wege, um dieses Problem zu lösen. Die Nutzung von kompostierten Küchenabfällen für die Aufstockung der Reaktoren als Substrat ist nicht sinnvoll. Für die entsorgungsorientierte Behandlung von Kleinstmengen an Klärschamm vor Ort stehen geeignete Verfahren zur Verfügung. Die Verbrennung vor Ort scheitert jedoch an der Einhaltung der 17. BImSchV.

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