Kalkhydrat verbessert Stickstoffabbau durch Optimierung der Milieubedingungen.

Wissenschaftlich geklärt

Die Zugabe von Kalkhydrat verbessert den Stickstoffabbau durch Einflussnahme auf das Kalk-Kohlensäure-System in den Kläranlagen. Diese These wird in der Praxis kommunaler Klärwerke ernst genommen. Erstmals ist jetzt in einem messtechnisch aufwendigen Forschungsvorhaben der Nachweis gelungen, welche Faktoren die Abbauleistung in der biologischen Reinigungsstufe im Einzelnen verbessern. Das mit Mitteln des Bundesministers für Wirtschaft (BMWi) im Rahmen eines von der Arbeitsgemeinschaft indus­trieller Forschungs­vereinigungen e.V. (AiF) geförderte Forschungsvorhaben brachte ein erfreuliches Ergebnis: Die stabilisierende Wirkung von Kalkhydrat lässt sich auch auf Großkläranlagen übertragen.

Das bekannte Problem: die Säurekapazität

In Zusammenarbeit mit dem Institut für Wasserwesen der Universität der Bundeswehr in München (Prof. Günthert) hat der Bundesverband der Deutschen Kalkindustrie eine vielfach geübte Praxis wissenschaftlich untermauert. In einem messtechnisch aufwendigen Projekt mit eigens errichtetem Versuchs- und Referenz-Reaktor auf dem Gelände der kommunalen Kläranlage in Viechtach hat sich gezeigt, dass die Stützung der Säurekapazität von entscheidender Bedeutung für die Eliminierung von Stickstoff ist. Die Zugabe von Kalkhydrat, z.B. als Kalkmilch, ist nach den Untersuchungsergebnissen nicht nur für das Kalk-Kohlensäure-System von Bedeutung, sondern nimmt auch Einfluss auf die Biozönose.

Der Versuchsaufbau: Genauigkeit von Anfang an

Abb. 1 Wasserführung der Reaktoren

Zur wissenschaftlichen Beweisführung gehört die Eindeutigkeit der Ergebnisse. Deshalb wurden gleich zwei handelsübliche Sequence-Batch-Reaktoren (SBR) nebeneinander unter identischen Bedingungen am gleichen Abwasserzufluss errichtet und betrieben (Referenz- und Versuchsreaktor). Die Messsonden, die teilweise nur einfach ausgeführt worden waren, ließen sich von einem Reaktor in den anderen, mittels eines speziellen Hebearms, überführen - so konnten Mess- und Justierungsdifferenzen bei den empfindlichen Sonden ausgeschaltet werden. Direkt neben den Reaktoren wurden die Geräte zur Messwertaufnahme und zur Steuerung in einem Großcontainer zusammengefasst. Parallel dazu wurden vom Institut für Wasserwesen Proben genommen und analysiert.

Die Einjustierung der Reaktorphasen

Abb. 2 Verlauf der SBR-Steuerung in einem Zyklus

Zunächst liefen beide Reaktoren zur genauen Einjustierung der Schlammkapazitäten und der Messsonden unter identischen Bedingungen. Die von der SBR-Verfahrensführung bekannten Phasen:

  • Füllen
  • Denitrifikation
  • Kohlenstoffabbau
  • Überschussschlamm-(ÜSS)-Abzug
  • Sedimentation
  • Dekantieren

wurden in einem 8 Stundenzyklus eingestellt. Nach dieser Grundeinstellung für beide Reaktoren wurde dann im Versuchsreaktor zur Erhöhung und Konstanthaltung der Säurekapazität handelsübliches Kalkhydrat als Kalkmilch, jeweils in der Denitrifikationsphase, zugeführt.

Die Spannung steigt: Messen, Warten, Sondieren

Abb. 3 Wechselapparatur mit Messgeräten

Die Berechnung der Kalk-Dosiermenge für den Versuchsreaktor wurde über einen Soll-Ist-Vergleich vorgenommen. Die Säurekapazität wurde online gemessen und anhand von Laboranalysen überprüft. Die Dosiermenge an Kalkmilch wurde über die chemischen Zusammenhänge berechnet und über die Pumpendrehzahl gesteuert. Dabei wurde nicht nur die Säure- und Basekapazität laufend überwacht, auch visuell wurde die Biozönose des Versuchsreaktors mit der des Referenzreaktors verglichen.

Abb. 4 Säure- und Basekapazitätsentwicklung während eines Zyklus

Im Vergleich unvergleichlich gut!

Abb. 5 Belebter Schlamm aus dem Versuchsreaktor

Die Ergebnisse untermauern, was man bisher in der Praxis nur erahnte: Kalkhydrat beschleunigt den Abbau von Ammonium- und Nitratstickstoff durch Stabilisierung der Säurekapazität. Das besondere Ergebnis des wissenschaftlichen Versuchs war nicht die Bestätigung dieser Erfahrung, sondern die Erkenntnis, welchen genauen Einfluss die Säurekapazitätsstützung ausübt. Im Einzelnen wurden folgende positive Feststellungen gemacht:

  • Beschleunigung des Ammoniumstickstoffabbaus: um 30% bis 90%
  • Beschleunigung des Nitratstickstoffabbaus: bis zu 60%
  • Effektiverer Abbau der organischen Substanzen
  • Hohe Artenvielfalt mit vielen Weidegängern und wenig freien Bakterien
  • Breit gefächerte Organismenkultur
  • Kleine Flockengröße, dadurch bei gleichem Schlammvolumen größere Reaktionsoberflächen und -leistung
  • Deutliche Minderung der Säurekorrosion am Reaktorbeton

Positive Aussichten für Großanlagen erwartet

Abb. 6 Betonkorrosion im Referenzreaktor (Ausschnittsvergrößerung)

Durch die parallel und nachträglich durchgeführten Modellierungen der Messreihen konnte gezeigt werden, dass sich die Ergebnisse der Versuchsanlage auch auf Großkläranlagen übertragen lassen. Vom wissenschaftlichen Standpunkt her ist das Ergebnis eindeutig: Der Eintrag von Kalkmilch sichert Kläranlagen besser gegen Grenzwertüberschreitungen und hydraulische Belastungsspitzen ab. Durch die deutlich höhere biologische Aktivität ist ein effektiverer Abbau der anorganischen und organischen Belastung nachgewiesen.

 

Literatur: Schönherr, F.; Günthert, F.W.; Wecker, A.; Weber, N.
Einfluss der Säurekapazität auf die Abbauleistung biologischer Abwasserreinigungsanlagen unter besonderer Berücksichtigung des Kalk-Kohlensäure-Systems
AiF-Abschlussbericht 14226N, Januar 2007

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