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G. Weinberger, F. Schmid: Richtlinien Schwachlastanlagen 1

PTS-Forschungsbericht www.ptspaper.de 04.07.2006

Ermittlung von optimalen Betriebsparametern zur Vermeidung entarteter Schlammbio-zönosen in schwach belasteten Belebungsanlagen G. Weinberger und F. Schmid

Zusammenfassung Zur Reinigung von Papierfabriksabwässern haben sich biologische Kombinationsanlagen fest etab-liert. Die meist hoch belastete 1. Reinigungsstufe führt dann oft zu einer schwach belasteten nachge-schalteten Belebung. Diese Bedingungen führen häufig zu vermehrten Schlammproblemen durch verschlechtertes Absetzverhalten von Belebtschlämmen. Ziel des vorliegenden Forschungsvorhabens war, Richtlinien und Kennwerte für einen optimierten Betrieb der schwach belasteten aeroben Bele-bung als 2. Reinigungsstufe zu erarbeiten. Betriebsstörungen durch Schlammentartung und schlechte Absetzeigenschaften sollen damit reduziert oder ganz vermieden werden. Dazu wurden die Betriebs-daten von 8 Abwasserreinigungsanlagen von Altpapier verarbeitenden Papierfabriken ausgewertet und ergänzend analytische und mikroskopische Untersuchungen unternommen.

Die Ergebnisse dieser Untersuchungen führen zu den im Folgenden angegebenen Erkenntnissen. • Schlechtes Absetzverhalten von Belebtschlamm hängt nicht zwangsweise mit dem massen-

haften Auftreten von Fadenbakterien zusammen. Auch ein hoher Anteil freier Bakterien und Zoogloea-Kolonien oder sehr kleinflockige und/oder feindisperse Belebtschlämme (Schlamm-stabilisierung!) können zu derartigen Problemen beitragen.

• Ein stabiler Betrieb der nachgeschalteten schwach belasteten Belebung kann nur erreicht werden, wenn die vorhergehende Reinigungsstufe sicher betrieben wird, da das Gros der auf-tretenden Schlammprobleme durch die Ablaufqualität der Vorreinigung verursacht wird.

• Belebtschlämme mit einer mittleren Fädigkeit im Bereich von 2-3, mit insbesondere Typ 0041 als dominantem Fadenorganismus sowie geringem Vorkommen/Häufigkeit von freien Bakteri-en und Zoogloea-Kolonien, weisen ein geringeres Potenzial für Schlammprobleme auf. Be-dingungen, die die Bildung derart zusammengesetzter Belebtschlämme unterstützen, sind im Bericht angegeben.

• Kennwerte für den Betrieb von schwach belasteten Belebungsanlagen wurden ermittelt und Empfehlungen formuliert.

Danksagung

Das Forschungsvorhaben AiF 13911 wurde aus Haushaltsmitteln des Bundesministeriums für Wirt-schaft und Technologie (BMWi) über die Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen „Otto von Guericke“ e.V. (AiF) gefördert. Dafür sei an dieser Stelle herzlich gedankt.

Abstract Biological treatment of effluents from the papermaking process has become an established technol-ogy. The 1st clarification step treats high loads in most cases, leading to low or very low loads (BOD sludge load BoTS < 0,1kg/kgd) in the 2nd clarification step. These conditions ever more frequently lead to operating problems resulting in sludge degeneration due to poor sludge settling conditions. The objective of this research project was to work out guidelines and target values for the optimised opera-tion of the 2nd clarification stage in low-load aeration plants, in order to reduce or avoid operational failures due to sludge degeneration. Operational studies of 8 waste water treatment plants in paper recycling mills and additional analytical and microscopic examinations were conducted. Results of these examinations have led to the following findings:

Bad settling conditions of activated sludge depend not only on the excessive growth of fila-mentous bacteria. High amounts of free bacteria and zoogloea bacteria or pin flocs (which could be a consequence of sludge mineralization) may lead to similar problems as well.

Reliable operation of the downstream low-load activated sludge stage may be obtained only with reliable operation of the preliminary clarifying stage. Most of the operational failures due to sludge settling conditions are caused by the effluent quality of the preliminary purification stage.



Activated sludge showing a medium filamentous category of 2-3 dominated by filaments of type 0041and a low occurrence of free bacteria and zooglea seem to have less potential for sludge problems. Conditions and guidelines supporting the development of such sludge com-positions are specified in the report.

Guidelines for operation of low-load activated sludge tanks have been determined and rec-ommendations are made.

Acknowledgement

The AiF 13911 research project was sponsored by the German Federal Ministry of Economics and Technology BMWi and carried under the umbrella of the German Federation of Industrial Co-operative Research Associations (AiF) in Cologne. We would like to express our warmly gratitude for this sup-port.

1 Einleitung

Die meisten Abwässer aus der Papierproduktion werden direkt in werkseigenen Anlagen oder in kommunalen Abwasser-Reinigungsanlagen indirekt biologisch gereinigt.

Moderne Abwasserbehandlungsanlagen sind in der Regel mehrstufig ausgebaut und sehr großzügig ausgelegt, um eine weitestgehende CSB-Reduktion zu erreichen. Die 2. Reinigungsstufe ist dabei in der Regel schwach bis sehr schwach belastet (BSB-Schlammbelastung BTS < 0,1 kg/kg d).

Um den Anforderungen der Überwachungswerte für Gesamt-Phosphor, Phosphat, Ammonium und Nitrat im gereinigten Abwasser gerecht zu werden, sind viele Betreiber gezwungen, zur Elimination der Stickstoffverbindungen eine Nitrifikation und/oder Denitrifikation in der 2. schwach belasteten Rei-nigungsstufe durchzuführen. Obwohl derzeit noch wenige Betreiber denitrifizieren müssen, ist der Trend steigend. Aufgrund der schwachen Belastung kann es in der 2. Reinigungsstufe auch zu uner-wünschten Denitrifikationsvorgängen kommen, die dann durch Gasbildung die Absetzbarkeit von Ae-robschlämmen verschlechtern.

Diese Bedingungen führen bei einem Großteil der biologischen Abwasserreinigungsanlagen, insbe-sondere bei mehrstufigen Hochlast-Schwachlast-Anlagensystemen, immer häufiger zu Betriebsprob-lemen. Dazu gehört die Bildung von Schaum, Schwimm- und Blähschlamm sowie feindispersen Schlamm (pin-flocs). Entarteter Schlamm führt in der Regel zu einer Verschlechterung der Ablaufquali-tät durch mitgeführte Feststoffe, so dass die Überwachungswerte, insbesondere für den CSB, häufig nicht eingehalten werden können. Eine Erhöhung der Abwasserabgabe ist in diesen Fällen zu erwar-ten. Derartige Störungen treten auch in anderen Industrieanlagen und bei kommunalem Abwasser auf.

Für die Erfüllung der gesetzlichen Anforderungen werden zukünftig verstärkt Hochlast-Schwachlast-Systeme eingesetzt werden. Die dabei entstehenden Probleme, insbesondere bezüglich des Absetz-verhaltens von Belebtschlamm und der damit verbundenen Gefahr der Überschreitung von Abwas-sergrenzwerten, erfordern - auch angesichts des finanziellen Aufwands - die Ermittlung von Kennwer-ten und Kriterien für eine optimale Betriebsführung schwach belasteter Belebungsanlagen.

2 Stand der Forschung zu entartetem Schlamm in biologischen Abwasser-

reinigungsanlagen

Zur Reinigung der Abwässer werden verschiedene anaerobe und aerobe biologische Verfahren ein-gesetzt (Abbildung 1). In /1/ sind die derzeit in Betrieb befindlichen Anlagentypen in der deutschen Papierindustrie zusammengestellt. Bei Anlagenerweiterungen und dem Neubau von ARA werden vorzugsweise Hochlastsysteme (z. B. Anaerob- oder aerobe Schwebebettreaktoren) vorgeschaltet, die eine hohe Raum-Zeit-Ausbeute haben und die Schlammeigenschaften günstig beeinflussen sol-len.



Biofiltration 1-stufig/2-stufigBiofiltration 1-stufig/2-stufig

AnaerobAnaerob BelebtschlammBelebtschlamm

TropfkörperTropfkörper BelebtschlammBelebtschlamm

MBBRMBBR BelebtschlammBelebtschlamm

Belebung 1-stufig/2-stufigBelebung 1-stufig/2-stufig

stei

gend

e A

bwas

serb

elas

tung

Nahezu alle Abwässer werden biologisch gereinigt ! Abbildung 1. Biologische Reinigungsverfahren in der Papier- und Zellstoffindustrie /1/

Beim Auftreten von entartetem Schlamm unterscheidet man die Erscheinungsformen Schwimm-schlamm, Blähschlamm, und feindisperser Schlamm (pin-flocs). In vielen Fällen wird als Ursache für diese Entartungsformen ein massenhaftes Wachstum fadenförmiger Mikroorganismen angesehen /2/. Verändert haben sich in jüngerer Zeit die Selektionsmechanismen in den Belebtschlammbiozönosen. In der Literatur /3, 4/ wird in diesem Zusammenhang die Verschiebung von früher dominanten Hoch-last-Fadenbakterien hin zu low F/M-Bakterien beschrieben. Insbesondere die Umstellung der Fahr-weise von Reinigungsanlagen, in denen verstärkt Belebungsanlagen als 2. Reinigungsstufe mit nied-riger bis sehr schwacher Belastung eingesetzt wurden, wird als Ursache für die Verschiebung der Selektionsmechanismen beschrieben. So treten verstärkt solche Fadenbakterien auf, die aufgrund ihrer Fähigkeit Reservestoffe einzulagern, bei niedriger Belastung Wachstumsvorteile besitzen. In stärkerem Maße wie früher gewinnt auch partikuläres Substrat an Bedeutung. Die Hydrolyse von Re-servestoffen und partikulärem Substrat, insbesondere unter aerob/anoxischen oder anaeroben Bedin-gungen, hat hier für die erfolgreiche Konkurrenz und damit als Selektionsvorteil eine entscheidende Bedeutung gewonnen.

Lemmer et al. /3, 4/ unterscheidet im kommunalen Bereich drei verschiedene Gruppen fadenbildender Bakterien, die im Zusammenhang mit Absetzproblemen beobachtet werden (Tabelle 1).

Tabelle 1 Stoffwechselgruppen verschiedener „Morphotypen“ fadenbildender Bakterien in beleb-tem Schlamm und wichtige Selektionsfaktoren (nach /3, 4, 8/ überarbeitet)



Schwefelbakterien Hochlast(„high F/M“)–Bakterien (Gramnegativ)

Niedriglast(„low F/M“)–Bakterien (Grampositiv)

Typ 021 N Sphaerotilus spp. Typ 1851

Typ 0914 Typ 1701 „Microthrix parvicella“

Thiothrix sp. Haliscomenobacter hydrossis Typ 0041/0675

Beggiatoa sp. Typ 0961 „Nostoccoida limicola“

Typ 021 N Nocardioforme Actinomyceten

Typ 1863

Reduzierte Schwefelverbin-dungen

Kurzkettige Fettsäuren

Faulprozesse

BTS > 0,15 kg BSB5/kg TS*d

Lange Aufenthaltszeiten in der Vorklärung

Unzureichende Schlamm-räumung

BTS > 0,15 kg BSB5/kg TS . d N/P-Mangel nicht nitrifizierende Anlagen

Anlagen mit Stoßbelastung

O2-Mangel volle Durchmischung

Hohe Konzentration leicht abbau-barer Stoffe

BTS < 0,15 kg BSB5/kg TS . d hohe Schlammalter

Temperaturen < 15 °C

Anlagen

• ohne Fettabscheidung

• mit Schlammfaulung

• mit Vorklärung

• mit volldurchmischten Bele-bungsbecken

• mit max. 2 mg/l O2

• mit stärkerer Schlammzirku-lation

• mit Eisensalzen als Fällmittel

3 Zielsetzung

Ziel des Forschungsvorhabens war die Erarbeitung von Richtlinien und Kennwerten (BR, BTS, O2, Nährstoffdosierung und –elimination, mikrobiologische Zusammensetzung) für den optimalen Betrieb der 2. schwach belasteten aeroben Reinigungsstufe. Mit Hilfe dieser Kennwerte sollen Störungen durch ungünstiges Absetzverhalten von Bioschlamm verringert, Abwassergrenzwerte zuverlässig ein-gehalten und erhöhte Kosten für die Abwasserabgabe vermieden werden. Empfehlungen für die Aus-legung und die Betriebsparameter von neu zu bauenden Anlagen sollen basierend auf den For-schungsergebnissen ausgesprochen werden.

4 Durchgeführte Untersuchungen

4.1 Vorgehensweise bei den Untersuchungen

Die Abfolge der Arbeiten im Rahmen des Forschungsvorhabens zeigt nachfolgendes Schema.

Arbeitsschritt 1: Betriebsuntersuchungen an 8 biologischen

Abwasserreinigungsanlagen je 4 Anlagen der Konfiguration Anaerob/Aerob

je 4 Anlagen der Konfiguration Aerob/Aerob



Arbeitsschritt 2: Auswertung der Betriebsdaten und ergänzenden Untersuchungen;

Erarbeitung spezifischer Optimierungspotenziale der untersuchten Anlagen

Arbeitsschritt 3: Vorort-Untersuchungen in einer Anlage der Konfiguration Aerob

(MBBR)/Aerob mit der erstellten Prozedur zur digitalen Bildbearbeitung

Arbeitsschritt 4: Erarbeitung allgemein gültiger Richtlinien und Kennwerte

für Anlagen der untersuchten Typen

Parallel zu den Betriebsuntersuchungen wurde eine von der Technischen Universität Hamburg Har-burg veröffentlichte Prozedur zur digitalen Bearbeitung von mikroskopischen Belebtschlammbildern auf die Erfordernisse des an der Forschungsstelle verfügbaren Mikroskops und die Eigenschaften der Bildaufnahmeeinheit angepasst.

4.2 Betriebsuntersuchungen in Abwasserreinigungsanlagen von Papierfabriken

4.2.1 Untersuchte Werke Im Rahmen dieser Arbeit wurden Anlagen der in der Tabelle 2 genannten Werke untersucht, die als Rohstoff Altpapier einsetzten. Es wurden Anlagen mit der Konfiguration Anaerob-Aerob sowie Aerob-Aerob untersucht, die zumindest zeitweise in ihrer Abwasserreinigungsanlage Probleme mit Störun-gen durch ungünstiges Absetzverhalten des Bioschlamms haben. Tabelle 2. Untersuchte Werke



Werk A Werk B Werk C Werk D

Produktion Verpackung, Kar-ton und Pappe

Zeitungsdruck- papier

Zeitungsdruck-papier Karton

Rohstoff 100 % Altpapier 100 % Altpapier 100% DIP

100 % Altpapier

85% AP+15%ZS

Anlagentyp Anaerobstufe-Aerobbelebung

Art der Belebung Kaskade

Denitrifikation ja - - ja

Hochlaststufe UASB- und IC-Reaktoren

Dosierung von

Harnstoff, Phos-phorsäure

Harnstoff, Phosphor-säure, Entschäumer

Harnstoff, Phos-phorsäure

Harnstoff, Phos-phorsäure, Ent-schäumer, Fe-Salze, Härte-stab., FHM (PAA)

Probleme Zeitweise schlech-tes Absetzverhalten -

Zeitweise, kurz-zeitig schlechtes Absetzverhalten

Schlechtes Ab-setzverhalten, feindisperser Schlamm

Werk E Werk F Werk G Werk H

Produktion Verpackung, Kar-ton und Pappe

Verpackung, Karton und Pappe Druckpapier

Verpackung, Karton und Pap-pe

Rohstoff 100 % Altpapier 80-100 % Altpapier 100 % Altpapier 100 % Altpapier

Anlagentyp Hochlastaerobstufe (Schwebebett)/Aerobbelebung

Art der Belebung voll durchmischt voll durchmischt voll durchmischt Kaskade

Denitrifikation - - - -

Hochlaststufe Schwebebettreaktoren (MBBR)

Dosierung von Fe-Salze, Ent-schäumer, Harn-stoff und Phosphor

Harnstoff und Phos-phor

Harnstoff, Phos-phor, Entschäu-mer

Fe-Salzen, Harnstoff,

Phosphorsäure

Flockungsmittel

Probleme

Einhaltung Einlei-tergrenzwerte, Schlammentartung,

EPS-Bildung

Einhaltung Einleiter-grenzwerte, Schlammentartung,

Geruchsprobleme durch H2S

Einhaltung Ein-leitergrenzwerte von CSB, Schlammentar-tung,

hohe FS-Gehalte im Zu-lauf Biologie

Nach Sanierung des MBBR 2004 keine Probleme



4.2.2 Betriebsdaten, chemisch-physikalische und mikrobiologische Wasseranalytik Für die Betriebsuntersuchungen wurden die in Tabelle 3 aufgeführten Daten und Parameter, insbe-sondere der 2. Reinigungsstufe, von den Anlagenbetreibern über einen Zeitraum von ca. 3 Monaten abgefragt bzw. zusätzlich analysiert. Die dazu angewandten Methoden sind in Tabelle 4 aufgeführt. Tabelle 3. Untersuchungsparameter der Betriebsuntersuchungen

Betriebs- und Anlagenda-ten

Abwassermenge Q, Schlammbelastung BTS, Schlammalter tTS2,

Schlammindex ISV, O2-Konzentration, Oberflächenbeschickung qA, Schlammvolumenbeschickung qSV

Abwasserdaten CSB, BSB5, pH, Lf, AFS, OFS, Org. Säuren, Ca2+, NH4-N, NO2-N, NO3-N, PO4-P

Physikalisch-chemische Absetzgeschwindigkeit, TS, GV, O2-Gehalt, TKN, Pges

Morphologische Flockengröße1 und Größenverteilung1, Flockenstruktur1, Flocken-form1, Vernetzung, Stabilität

Mikrobiologische Schl

amm

date

n

Artenvielfalt, Fädigkeit1, Gramfärbung, Nitri-VIT3, VIT-Microthrix3, VIT-Nocardioforme Actinomyceten3

1v.a. über digitale Bildanalyse; 2 sofern verfügbar 3 VIT: vermicon identification technology; Schnelltests für die Bakterienidentifikation in Abwasser und Schlamm Ergänzend wurden bei einem Teil der Werke aerobe Batchtests und Respirometeruntersuchungen zur Prüfung der Aktivität der auf den Trägerkörpern fixierten Biomasse in Schwebebettreaktoren unter-nommen. Aerobe biologische Abbaubarkeit nach Zahn-Wellens Die Untersuchung der biologisch aeroben Abbaubarkeit wird nach DIN EN ISO 9888 (Zahn-Wellens-Test) als Doppelansatz durchgeführt. Um Störungen vom eingesetzten Schlamm auszuschließen, wird zur Qualitätssicherung neben dem Blindwert auch ein Kontrollansatz (sehr gut abbaubare Referenz-substanz) mitbestimmt. Um die abiotische Elimination (nicht-biologische Elimination, z. B. durch Ad-sorption) zu erfassen, wird unmittelbar nach Zugabe des Inokulums (0-h-Wert) sowie nach 3 Stunden eine erste Messung vorgenommen (3-h-Wert). Der Abbau wird über die Bestimmung des Parameters CSB und DOC in den filtrierten Proben verfolgt. Der Abbauversuch wird beim Erreichen einer 80%-igen CSB-Elimination, bei Erreichen eines stationären bzw. wieder fallenden Abbaugrades oder nach spätestens 28 Tagen abgebrochen. Die CSB- und DOC-Elimination (CSBel bzw. DOCel) wird auf der Basis der 3-h-Messwerte berechnet. Respirometertest Durch die respirometrische Messung wird die endogene Atmungsgeschwindigkeit der Biofilme (Grundatmung) bzw. die maximale Atmungsgeschwindigkeit in Substratgegenwart (Substratatmung) ermittelt. Die während des Verlaufes der respirometrischen Messungen ebenfalls registrierte Verzöge-rungszeit (∆tVerz) gilt als die Zeitspanne von Messbeginn an bis zum Erreichen der maximalen At-mungsgeschwindigkeit. Beim biochemischen Abbau der Substrate bzw. Abwasserinhaltsstoffe veratmen die auf den Träger-körpern fixierten Biofilm-Mikroorganismen Sauerstoff und bilden dabei Kohlendioxid. Der Sauerstoff-gehalt in der Gasphase nimmt ab - sich bildendes CO2 wird im oberen Teil des Gefäßes durch Alkali absorbiert - so dass der Druck im Testgefäß absinkt. In Abhängigkeit von dem Druckabfall wird so lange elektrolytisch Sauerstoff produziert bis der Referenzdruck wieder erreicht ist. Der zur O2-Erzeugung erforderliche Elektrolysestrom, der direkt proportional der verbrauchten Sauerstoffmenge ist, wird registriert. Die Messungen werden nach dem Erreichen der maximalen Atmungsgeschwindig-keiten dann beendet, wenn sich die Stoffumsatzraten deutlich verringern bzw. eine Plateauphase er-reicht wurde.



Tabelle 4. Analysenmethoden

Mikroskopische Untersuchungen Zur Erfassung der Belebtschlammbiozönose wurden mikroskopische Untersuchungen des Be-lebtschlamms und des auftretenden Schwimmschlamms durchgeführt. Die Bestimmung des mikro-skopischen Bildes erfolgte nach den Beschreibungen von D.H. Eikelboom et al. /5/ mit Hilfe eines Phasenkontrast-Mikroskops. Als Schwerpunkt der mikroskopischen Belebtschlammanalyse wurden vor allem die in Belebt- und Schwimmschlamm auftretenden fadenförmigen Mikroorganismen identifiziert. Zur Quantifizierung wurde das Auftreten der Fadenbakterien (Fädigkeit F) abgeschätzt und in folgende, in Tabelle 5 auf-geführte, Kategorien unterteilt: Tabelle 5. Fädigkeitskategorien

Kategorie 0 Selten

Kategorie 1 Gering

Kategorie 2 Mäßig

Kategorie 3 Stark

Kategorie 4 Sehr stark

Digitale Bearbeitung der mikroskopischen Belebtschlammbilder Für die digitale Bearbeitung der Belebtschlammbilder wurde ein System, bestehend aus Mikroskop, Bildaufnahmeeinheit und Bildbearbeitungssoftware aufgebaut (Abbildung 2).

Abwasserparameter Abkürzung Einheit Methode Chemischer Sauerstoffbedarf CSB mg/l DIN ISO 15705

Biochemischer Sauerstoffbedarf BSB5 mg/l DIN 38409 Teil 51

Ammonium-Stickstoff NH4-N mg/l Küvettentest Dr. Lange

Nitrat-Stickstoff NO3-N mg/l Küvettentest Dr. Lange

Sulfat SO4 mg/l Küvettentest Dr. Lange

Ortho-Phosphat-Phosphor o-PO4-P mg/l Küvettentest Dr. Lange

Organische Säuren Org. S. mg/l PTS-WA 002/96 (Ionenchromatogr.)

Oberflächenspannung OFS mg/l DIN 53914

Abfiltrierbare Stoffe AFS mg/l DIN 38409 Teil 2

pH-Wert pH - DIN 38404 Teil 5

Temperatur T °C DIN 38404 Teil 4

Leitfähigkeit LF mS/cm DIN EN ISO 27888

Schlammparameter Abkürzung Einheit Methode Trockensubstanzgehalt TS g/l DIN 38414 Teil 2

Glühverlust der Trockenmasse GV % DIN 38414 Teil 3

Kjeldahl- Stickstoff TKN mg/g DIN EN 25663

Phosphorverbindungen Pges mg/g DIN EN 1189

Absetzgeschwindigkeit ASG ml/min in Anlehnung an DIN 38 414 S.10

Mikrobiologische Zusammensetzung Mikroskopie und Gensonden-Testkits



Abbildung 2. System (Komponenten) zur Erfassung digitaler Belebtschlammbilder Die mikroskopischen Belebtschlammbilder wurden durch ein an der Forschungsstelle vorhandenes Phasenkontrast-Mikroskop der Fa. Leitz erzeugt, mit einer daran angebrachten CCD-Kamera (Charge Coupled Devices) aufgenommen, in digitale Signale umgewandelt und an die Bildbearbeitungssoft-ware Matlab mit der Image Processing Toolbox übergeben. Mit der Kamerasoftware Image Pro Ex-press wurden die Bilder (640 x 480 diskrete Pixelmatrix) als tif- Bilddateien gespeichert. Entscheidendes Kriterium bei der Bilderfassung ist die Bildqualität. Diese ist von den Einstellungen am Mikroskop und der Kamera abhängig. Für die optimale Bildverarbeitung mit der angewandten Bildbe-arbeitungssoftware wurde eine Vielzahl an Einstellungen an Mikroskop und Kamerasoftware geprüft. Diese Einstellungen mussten für jeden Schlamm neu erarbeitet werden, da unterschiedlich gefärbte Schlämme und eine gefärbte Wassermatrix die Bildqualität beeinflussen. Die Unterscheidung von Fadenorganismen im Gegensatz zu kompakten Schlammflocken und flo-ckenbildenden Bakterien ist ein wichtiger Anwendungsbereich der digitalen Bildverarbeitung. Die hauptsächliche Aufgabe der zu applizierenden Bildverarbeitungsprozedur bestand deshalb darin, ein-zelne Objekte durch Abgrenzung gegen ihren Hintergrund und gegen andere Objekte zu erkennen. In der ersten Stufe der Bildverarbeitung können Bildverbesserungsmaßnahmen oder eine Bildrestau-ration vorgenommen werden. Bei Letzterer können eventuelle Störungen der Bildaufnahme korrigiert werden. Das Bild wird so modifiziert, dass es für die nachfolgenden Operationen optimal geeignet ist. Die bedeutendsten Prozesse dieser „Erkennung“ sind dabei: die Kantendetektion, die Segmentierung und das Labeling. Aus den so bearbeiteten Bildern können dann die interessierenden Merkmale ex-trahiert werden und in die Bewertung einfließen. In Abbildung 3 sind die Schritte der Bildbearbeitung schematisch dargestellt.

Bild-diskretisierung

Bild--verbesserung-restaurierung

Bild-segmentierung

Merkmals-extraktion

Bild--klassifikation-interpretation

Bild-szene

Bild-aufnahme

Monitor

MenschlicherBetrachter

Bildgewinnung Bild(vor)verarbeitung Bilderkennung

Abbildung 3. Schritte der Bildanalyse /6/

Nach Kenntnis der für die weitere Bildbearbeitung erforderlichen Einstellungen an Mikroskop und Ka-mera wurden die eigentlichen Schritte zur Merkmalsextraktion, zur Trennung der Fraktionen Flocken, Partikel (Mikroflocken) und fadenförmige Mikroorganismen sowie die Berechnung von morphologi-schen Größen vorgenommen.



Dazu diente als Basis eine von der Technischen Universität in Hamburg-Harburg entwickelte Prozedur /7/, welche an die an der Forschungsstelle vorhandene Hard- und Software angepasst wurde. Die Beschreibung dieser Prozedur ist im Anhang angegeben. Das Ergebnis der erstellten Bildanalyseprozedur erbrachte die Extraktion von Flocken, Fäden und Mikroflocken/Partikeln aus dem originalen Belebtschlammbild (A, Abbildung 4). Daraus wurden rech-nerisch die jeweiligen Anteile sowie Faktoren wie Rundheit, Exzentrizität und Porosität berechnet.

Abbildung 4. Grafische Darstellung des Ergebnisses einer Auswertung eines mikroskopischen Bil-

des einer Belebtschlammflocke (A: Orginal, B: Flocken, C: Mikroflocken/Partikel, D: Fadenorganismen)

A B

C D



5 Ergebnisse

5.1 Betriebsdaten

Die Belastungsbereiche der untersuchten Belebungsanlagen zeigt Abbildung 5. Den Zusammenhang zwischen der CSB-Schlammbelastung und dem Schlammindex, getrennt nach Anlagenkonfiguration, ist in Abbildung 6 und Abbildung 7 dargestellt.

Der Vergleich der Betriebsdaten aller untersuchten Anlagen zeigt, dass insbesondere die Anlagen mit anaerober Vorreinigung die Belebungsstufe als überwiegend sehr schwach belastete Stufe betreiben. In Kombinationsanlagen mit vorgeschalteten Schwebebettreaktoren treten meist sehr große Schwan-kungen in Raum- und Schlammbelastung auf.

In Kombinationsanlagen mit anaerober Vorreinigung liegt der Schlammindex in der Regel stabil bei Werten zwischen 20 – 150 ml/g und nur selten darüber (Abbildung 6). In den Anlagen mit vorgeschal-teter aerober Hochlaststufe werden weit häufiger kritische Werte von über 300 ml/g erreicht (Abbildung 7). Die Schwankungen in Raum- und Schlammbelastung haben hier insbesondere einen Einfluss auf den Schlammindex bei den Werken G und H. Insgesamt lässt sich feststellen, dass ins-besondere bei vorgeschalteten MBBR die Werte für den Schlammindex und die Schlammbelastung in der Schwachlastbelebung stark schwanken, was in den untersuchten Fällen durch Frachtschwankun-gen verursacht wird.

0,00

0,05

0,10

0,15

0,20

0,25

0 500 1000 1500 2000 2500 3000

Bd BSB kg/d

BoT

S B

SB

kg/

kg*d

Werk DWerk AWerk BWerk CWerk EWerk FWerk GWerk H

Abbildung 5. BSB-Fracht und BSB-Schlammbelastung aller untersuchten Belebungsanlagen

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

0 50 100 150 200 250 300 350

ISV ml/g

BoT

S C

SB k

g/kg

*d

Werk D

Werk A

Werk B

Werk C

Abbildung 6. CSB-Schlammbelastung gegenüber Schlammindex der untersuchten Belebungsanla-gen A bis D in der Kombination Anaerobie – Aerobie



0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

0 100 200 300 400 500 600 700 800

ISV ml/g

BoT

S C

SB

kg/

kg*d

Werk E

Werk F

Werk G

Werk H

Abbildung 7. CSB-Schlammbelastung gegenüber Schlammindex der untersuchten Belebungsanla-gen E bis H in der Kombination Aerobie - Aerobie

Die Sauerstoffversorgung der Belebung der untersuchten Anlagen ist sehr unterschiedlich. Während die Anlagen mit vorgeschalteter Anaerobie eine stabile Sauerstoffversorgung zwischen 1 und 3 mg/l (Werk A - C) aufweisen, reichen die Sauerstoff-Konzentrationen bei den Anlagen mit vorgeschaltetem Schwebebettverfahren von 0,1 bis 6 mg/l (Werk E - G) Abbildung 8).

0,0

2,0

4,0

6,0

8,0

10,0

12,0

0,00 0,10 0,20 0,30 0,40 0,50

BoTS BSB kg/kg*d

O2

mg/

l

Werk AWerk BWerk CWerk EWerk FWerk GWerk A BB3Werk B BB2

Abbildung 8. Sauerstoffgehalt über BSB-Schlammbelastung der Anlagen A-C und E-G

5.2 Schlammcharakteristika Beim Vergleich der Schlammcharakteristika der untersuchten Werke fällt auf, dass mit Ausnahme von einem Werk alle Schlämme einen Mangel an Phosphor aufweisen (Tabelle 6). Für Stickstoff sind die gemessenen Konzentrationen im Schlamm bei vier Werken im empfohlenen Richtbereich zwischen 75 und 100 g TKN /kg oTS, bei zwei Werken darunter und bei zwei Werken darüber. Bei einem Werk mit im Mittel 253 g TKN /kg oTS sogar extrem darüber liegend.



Tabelle 6. Mittelwerte der TKN- und Pges-Gehalte in den Belebtschlämmen der untersuchten Wer-ke

TS g/l 9,1 1,5 3,5 3,1 2,1 4,2 6,1 5,1 1,5 9,1

GV % > 70% 48 83 53 66 59 85 51 90 48 85

oTS g/l 4,4 1,2 1,9 2,1 1,2 3,6 3,1 4,6 1,2 4,4

TKN 75-100 95 93 55 103 253 60 76 80 55 253

P 15-37 12,4 8,4 5,4 10,4 156 9,4 9,0 9,3 5,4 156

TKN 60-80 46 77 29 68 149 51 39 72 29 149

P 12-30 6,0 7,0 2,8 6,9 92,0 8,0 4,6 8,4 2,8 92

Soll Werk HWerk E Werk FWerk A Werk B Werk C Werk D

Aerob-Aerobg/

kg

TSParameter Werk G

Anaerob-Aerob

Min Max

g/kg

oT

S

Bei fünf der acht untersuchten Werke (A, C, D, E und G) liegt der Glühverlust deutlich unter 70 %. In diesen Werken wird ein Teil der Biomasse durch anorganische Bestandteile, v. a. Calciumausfällun-gen, verdrängt. Demzufolge ist der organische Anteil der Biomasse oft sehr viel geringer als über den TS-Gehalt bestimmt wird und hat damit einen direkten Einfluss auf die Schlammbelastung.

Der Vergleich der mikrobiologischen Zusammensetzung der Belebtschlämme in Abhängigkeit von den verschiedenen Betriebsdaten wird in den folgenden Graphiken dargestellt. Dabei wird als Anzahl der Fälle die Anzahl der jeweiligen Mikroorganismenarten je Werk dargestellt. Diese Anzahl resultiert aus einer Mittelwertbildung von 8 mikroskopischen Untersuchungen in einem 2-monatigen Untersu-chungszeitraum.

In sieben bzw. sechs der acht untersuchten Werke (A, B, D, E, G und H) traten freie Bakterien sowie die Fadenbakterien H. hydrossis, Typ 0041/0675 und Nostocoida limicola auf. Allerdings treten von diesen bakteriellen Mikroorganismengruppen im Wesentlichen Typ 0041 dominant auf (Abbildung 9). Alle anderen treten in erster Linie untergeordnet auf. Diese Erkenntnis unterscheidet die mikrobiologi-sche Zusammensetzung von Belebtschlämmen aus der Papierindustrie von Belebtschlämmen aus kommunalen Kläranlagen in einem weiteren Punkt: in Belebtschlämmen aus der Papierindustrie do-minieren häufig Fadenbakterien des Typs 0041/0675 (in kommunalen ARA nur geringe Bedeutung), dagegen fehlen Fadenbakterien des Typs Microthrix parvicella vollständig /8/. Erkenntnisse aus die-sem Bereich zeigen, dass Typ 0041 meist subdominant neben Microthrix parvicella auftritt. Folglich liegen im Abwasser von Papierfabriken Bedingungen vor, die das Wachstum von Typ 0041/0675 ge-genüber Microthrix parvicella eindeutig begünstigen. Aussagen darüber, welche Bedingungen das sind, sind derzeit aber nicht möglich.

0 1 2 3 4 5 6 7

Haliscomenobacter hydrossis

Typ 021N

Typ 0041/0675

Thiothrix sp.

Freie Bakterien

Zoogloea sp.

Beggiatoa sp.

Sphaerotilus natans

Typ 0092

Typ 1701

Nostoccoida limicola

Nocardia-ähnlich

DominantUntergeordnet

Anzahl der Fälle

Abbildung 9. Dominantes/Untergeordnetes Auftreten der am häufigsten vorkommenden bakteriellen Mikroorganismenarten



Die Bedeutung von Typ 0041 für Papierfabriksschlämme ergibt sich einerseits aus der Fähigkeit Bläh- und Schwimmschlamm zu verursachen. Typ 0041 besitzt die Fähigkeit oberflächenaktive Stoffe zu bilden und damit zur Schaumbildung beizutragen. Zudem ist Typ 0041 zur Bildung von H2S fähig und kann dadurch auch bei Geruchsproblemen beteiligt sein. Typ 0041 tritt jedoch eher in Anlagen mit mittlerer Fädigkeitskategorie (2-3) dominant auf (Abbildung 10) und stellt damit nicht den alleinigen Auslöser für Absetzprobleme dar.

0 1 2 3 4 5 6 7


Typ 021N

Typ 0041/0675

Thiothrix sp.

Freie Bakterien

Zoogloea sp.

Beggiatoa sp.

Sphaerotilus natans

Typ 0092

Typ 1701


Nocardia-ähnlich

Häufigkeit des Auftretens in Abhängigkeit der Fädigkeitskategorie

>4"3-4<=2

Anzahl der Fälle

Abbildung 10. Auftreten von bakteriellen Mikroorganismenarten in Abhängigkeit von der Fädig-keitskategorie

Beim Vergleich des Auftretens der verschiedenen Fadenbakterien in Abhängigkeit von dem Schlamm-index zeigt sich, dass ungünstiges Absetzverhalten eher durch die Anwesenheit von freien Bakterien, Zoogloea, H. hydrossis und Nostocoida limicola verursacht werden (Abbildung 11).

Das Gros der gefundenen Fadenbakterien tritt bei Sauerstoffgehalten von mehr als 2 mg/l im Bele-bungsbecken auf (Abbildung 12).

Insbesondere freie Bakterien, H. hydrossis, Nostocoida limicola und Typ 0041/0675 treten in einem breiten Schlammbelastungsbereich von 0,05 - > 0,15 kg BSB5/kg oTS*d auf (Abbildung 13). Die typi-schen Hochlastbakterien wie Beggiatoa, Sphaerotilus und Zoogloea und Typ 1701 treten erwartungs-gemäß fast ausschließlich im höheren Belastungsbereich auf. Der Bereich der Schlammstabilisierung < 0,05 kg BSB5/kg oTS*d wird von Abwasserreinigungsanlagen der Papierindustrie meist nur kurzzei-tig (selten und/oder tageweise) erreicht und ist deshalb nur von untergeordneter Bedeutung für die auftretenden Bakterienpopulationen. Allerdings ergeben sich beim Erreichen dieses Bereiches da-durch teilweise Rücklöseeffekte z. B. von Stickstoff- und/oder Phosphorverbindungen aus dem Be-lebtschlamm. Diese tragen zu den teilweise erfassten Schwankungen bei den Nährstoffparametern im Belebtschlamm wie auch in den Abwasserproben bei.



0 1 2 3 4 5 6 7


Typ 021N

Typ 0041/0675

Thiothrix sp.

Freie Bakterien

Zoogloea sp.

Beggiatoa sp.

Sphaerotilus natans

Typ 0092

Typ 1701


Nocardia-ähnlich

>200150-200<150

Anzahl der Fälle

Abbildung 11. Auftreten von bakteriellen Mikroorganismenarten in Abhängigkeit von dem Schlamm-index

0 1 2 3 4 5


Typ 021N

Typ 0041/0675

Thiothrix sp.

Freie Bakterien

Zoogloea sp.

Beggiatoa sp.

Sphaerotilus natans

Typ 0092

Typ 1701


Nocardia-ähnlich

>21,5-2<1,5

Anzahl der Fälle

Abbildung 12. Auftreten von bakteriellen Mikroorganismenarten in Abhängigkeit von dem Sauerstoff-gehalt



0 1 2 3 4 5 6 7


Typ 021N

Typ 0041/0675

Thiothrix sp.

Freie Bakterien

Zoogloea sp.

Beggiatoa sp.

Sphaerotilus natans

Typ 0092

Typ 1701


Nocardia-ähnlich

>0,150,05-0,10,03-0,05

Anzahl der Fälle

Abbildung 13. Auftreten von bakteriellen Mikroorganismenarten in Abhängigkeit von der BSB-Schlammbelastung

Einen Einfluss auf die mikrobiologische Zusammensetzung der Belebtschlämme hat auch die Nähr-stoffversorgung (Abbildung 14 und Abbildung 15). Bei der Einordnung der in den jeweiligen Anlagen gefundenen bakteriellen Mikroorganismengruppen in Kategorien von C:N bzw. C:P-Verhältnissen (bestimmt aus der Relation von BSB5 zu TKN bzw. Pges) wurde gefunden, dass der überwiegende Anteil von Fadenbakterien und insbesondere auch derer, die an schlechtem Absetzverhalten beteiligt sind, im Bereich C:N < 4:1 auftritt. Das bedeutet, dass der Anteil der Stickstoffkonzentrationen, die den zulaufenden BSB5 um mehr als 25 % übersteigen, begünstigend auf das Wachstum von Bakteri-en wirkt, die im Besonderen bei Absetzproblemen des Belebtschlamms beteiligt sind.

Demgegenüber ist bei dem Verhältnis C:P festzustellen, dass Anlagen, deren Pges-Konzentration im Schlamm ein mittleres Verhältnis von 25:1 – 50:1 im Vergleich zum BSB5 aufweisen, ein verstärktes Auftreten von Absetzschwierigkeiten verursachenden Bakterientypen haben (Abbildung 15).

0 1 2 3 4 5 6 7


Typ 021N

Typ 0041/0675

Thiothrix sp.

Freie Bakterien

Zoogloea sp.

Beggiatoa sp.

Sphaerotilus natans

Typ 0092

Typ 1701


Nocardia-ähnlich

>10:16:1 - 10:14:1 - 6:1< 4:1

Anzahl der Fälle

Abbildung 14. Auftreten von bakteriellen Mikroorganismenarten in Abhängigkeit von dem C:N-Verhältnis (BSB5/TKN-Relation)



0 1 2 3 4 5 6 7


Typ 021N

Typ 0041/0675

Thiothrix sp.

Freie Bakterien

Zoogloea sp.

Beggiatoa sp.

Sphaerotilus natans

Typ 0092

Typ 1701


Nocardia-ähnlich

>50:125:1 - 50:110:1 - 25:1< 10:1

Anzahl der Fälle

Abbildung 15. Auftreten von bakteriellen Mikroorganismenarten in Abhängigkeit von dem C:P-Verhältnis (BSB5/Pges-Relation)

Beim Vergleich der mikrobiologischen Zusammensetzung der Belebtschlämme zeigt sich, dass sich die Biozönose von Belebungsanlagen mit vorgeschalteter Anaerobie stark von der mit vorgeschalte-tem Schwebebettreaktor unterscheidet (Tabelle 7). Im Folgenden werden deshalb die Schlammcha-rakteristika von Anaerob-Aerob-Kombinationsanlagen und Aerob-Aerob-Kombinationsanlagen ge-trennt voneinander diskutiert. Tabelle 7. Auftreten von bakteriellen Mikroorganismenarten in den untersuchten Werken

Werk A Werk C Werk D Werk E Werk F Werk G Werk H

Gesamtfädigkeit F 4 3 4 4 2,3 2,3 4,5Haliscomenobacter hydrossis F 2 3 1 2 0,8 1Typ 021N F 2 1 4,5Typ 0041/0675 F 3 2,6 3 2 2,3Thiothrix sp. F 2 3,2 2Freie Bakterien F 1 1,3 2 2,8 1,1 1,1

Zoogloea sp. F 1 1 2,9 2,1 1,2

Beggiatoa sp. F 1

Sphaerotilus natans F 2 0,8

Typ 0092 0,7 1,7

Typ 0961 FTyp 1701 F 2Nostoccoida limicola 1 1 1 1,1 1Nocardia-ähnlich F 2,0

Werk BAnaerob-Aerob

31,0

2,5

Aerob-Aerob

1,0

1,4

So ist die analysierte Diversität der dominanten und untergeordnet auftretenden Bakterien bei vorge-schalteter anaerober Reinigung geringer als bei aerober Vorreinigung durch hochbelastete Schwebe-bettverfahren (Tabelle 7). In Anlagen mit vorgeschalteter Anaerobie treten insbesondere Typ 0041 und H. hydrossis dominant auf, untergeordnet in der Regel Typ 021N, Thiothrix und Nostocoida limi-cola. Den Zusammenhang mit der Abwasserzusammensetzung aus derart vorbehandelten Wässern zeigt eine Zusammenstellung der wesentlichen Selektionsverfahren der am häufigsten auftretenden Fadenbakterien in Belebungsanlagen mit vorgeschalteter anaerober Reinigung (Tabelle 8). Die Quali-tät des Ablaufs der anaeroben Vorstufe, insbesondere hinsichtlich der Parameter organische Säuren, Sauerstoffgehalt und des C:N:P-Verhältnisses, beeinflusst demzufolge die mikrobielle Zusammenset-zung des Belebtschlamms.

Bei Anlagen mit vorgeschaltetem hoch belastetem Schwebebettreaktor ist die Diversität der auftreten-den Bakterien höher (Tabelle 9). Ein Einfluss der vorgeschalteten Stufe macht sich insbesondere be-



merkbar, wenn es zum Abtrieb von Biomasse in die nachgeschaltete Belebung kommt bzw. sich durch auftretende Frachtschwankungen dort eine Mischbiozönose aus high und low F/M-Bakterien einstellt. Ebenso wie bei Anlagen mit anaerober Vorstufe bieten geringe Sauerstoffkonzentrationen, auch wenn sie nur in lokalen Anlagenbereichen vorliegen und hohe C:N:P-Verhältnisse Wachstumsvorteile für die meisten der auftretenden Bakterien. Tabelle 8. Selektionsfaktoren der nach anaerober Vorreinigung am häufigsten auftretenden Faden-

bakterien

Anaerobe Vorstufe Dominant Untergeordnet

Charakteristika Typ 0041 H. hydrossis Typ 021N Thiothrix Nostoccoida limicola II

O2-Mangel +

niedere O2-Konz./ angefaultes Wasser + + + +

reduzierte Schwefel-Verbindungen + +

organische Säuren + + +

Verhältnis C:N:P niedrig

Verhältnis C:N:P hoch + + + + +

org. gebundener Stickstoff +

anoxische/anaerobe Zonen +

niedermolekulare Kohlenhydrate + +

hochmolekulare Kohlenhydrate +

niedrige Schlammbelastung +

mittlere Schlammbelastung + + +

hohe Schlammbelastung + +

Belastungsstöße +

hohes Schlammalter + +

pH-Toleranz +

Belebungsbecken volldurchmischt + +

"+: begünstigend"

gelb markiert mit rotem Rand: übereinstimmende Selektionsfaktoren mehrerer Mikroorganismenarten



Tabelle 9. Selektionsfaktoren der nach aerober Vorreinigung am häufigsten auftretenden Fadenbakte-

rien Aerobe Vorstufe

Dominant Untergeordnet

Charakteristika Typ 0041

H. hydros-

sis

Freie Bakte-

rien

Zoo-gloea

Typ 021N

Thio-thrix

Nostoc. limicola II

Typ 1851

Typ 1701

Typ 0092

Sphae-rotilus

Beg-giatoa

O2-Mangel + + + +

niedere O2-Konz./ angefaultes Wasser + + + + + + +

red. S-Verb. + + +

oAc + + + + + +

C:N:P niedrig +

C:N:P hoch + + + + + + +

org. gebundenes N + + +

anoxische/anaerobe Zonen + +

niedermolekulare KH + + +

hochmolekulare KH + +

niedrige Schlammbelastung + + +

mittlere Schlammbelastung + + + + + +

hohe Schlammbelastung + + + + + +

Belastungsstöße + + +

hohes Schlammalter + + + +

pH-Toleranz +

BB volldurchmischt + + + + + +

"+: begünstigend"

gelb markiert: übereinstimmende Selektionsfaktoren mehrerer Mikroorganismenarten

Zusammenfassend kann für Belebtschlämme aus Schwachlastanlagen der Papierindustrie ausgesagt werden, dass Absetzprobleme nicht nur durch das massenhafte Auftreten von Fadenbakterien beste-hen, sondern auch durch das massenhafte Auftreten von freien Bakterien und sog. Bäumchenbakteri-en (Zoogloea). Letztere spielen insbesondere in Schwebebettreaktoren eine Rolle und werden bei ungenügender Biomasseabtrennung aus dieser Vorreinigung bzw. fehlender Fixierung auf den Trä-gerkörpern in die nachgeschaltete Belebung eingetragen.

5.3 Digitale Bearbeitung mikroskopischer Belebtschlammbilder

In Werk E wurde die erarbeitete Bildbearbeitungsprozedur (siehe Anhang) in Vorort-Untersuchungen eingesetzt. Neben den bildanalytischen Untersuchungen umfasste das Untersuchungsprogramm eine Betriebsdatenauswertung über ca. 1,5 Jahre sowie zusätzliche Schlamm- und Wasseranalysen. Die Vorort-Untersuchungen zu den Aussagen der Bildanalyse von mikroskopischen Belebtschlammbildern erfolgten über einen Zeitraum von 3 Wochen im Vergleich mit Betriebsdaten.

Vor Beginn dieser Untersuchungen waren aufgrund umfangreicher Voruntersuchungen bereits folgen-de Erkenntnisse bekannt:

• Die Betriebsstabilität und Leistungsfähigkeit der Abwasserreinigungsanlage wird durch sehr starke CSB- und BSB-Frachtschwankungen beeinflusst.



• Einbrüche bei der CSB-Abbauleistung im MBBR, die dann oft mit der Überschreitung von Ü-berwachungswerten hinsichtlich CSB, BSB, Nitrat und Phosphat im Ablauf Vorfluter einherge-hen.

• Biomasseabtrieb (v. a. Hochlastfadenbakterien) aus dem vorgeschalteten MBBR beeinflusst neben den Frachtschwankungen die Zusammensetzung der Biozönose des Belebtschlamms, dessen Absetzeigenschaften und die Qualität des Anlagenablaufs.

• Zeitweise sehr hohe Gesamtfädigkeit des Belebtschlamm (Fädigkeitskategorie 4).

Die Probleme in der ARA werden insbesondere durch die produktionsabhängig sehr starken Fracht-schwankungen hervorgerufen, die sich auch in der Schlammbelastung manifestieren (Abbildung 16). Diese führen zu einer Abnahme des äquivalenten Flockendurchmessers, die Flocken werden kleiner und setzen sich dadurch schlechter ab, die CSB-Ablaufwerte steigen.

0,00

0,05

0,10

0,15

0,20

0,25

0,30

0,35

1 6 11 16 21 26

Versuchstage [-]

BTS

BSB

[kg

BSB

/kg

TS*d

]

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

Äqu

ival

ente

r Flo

cken

durc

hmes

ser [µm

]

BTS BSBAequivalenter Flockendurchmesser

Abbildung 16. Verlauf von BoTS BSB und äquivalentem Flockendurchmesser

Der Anteil an Fadenbakterien steigt im zweiten Drittel des Untersuchungszeitraums extrem. Zeitver-zögert kommt es auch zum Anstieg des ISV und zur Erhöhung der CSB-Ablaufwerte. Abbildung 17 zeigt, dass das massenhafte Wachstum der Fadenbakterien ursächlich mit der Produktion von Sorte 2 zusammenhängt.



0

50

100

150

200

250

300

1 6 11 16 21 26

Versuchstage [-]

CSB

[mg/

l], IS

V [m

l/g]

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

Ant

eil F

äden

[-]

CSB AblISVAnteil Fäden

Sorte 1 Sorte 3Sorte 2

Abbildung 17. Verlauf von CSB, ISV und Entwicklung der Fadenpopulation in Abhängigkeit der Pro-duktionskampagne

5.4 Sonstige Ergebnisse

Der Zulauf zur Belebungsstufe von Werk E enthält zeitweise extrazelluläre polymere Stoffe (EPS) in unterschiedlichen Mengen. Die EPS lassen sich über Papier- oder Glasfaserfilter abfiltrieren und bil-den eine geleeartige Schicht. IR-Spektrometrisch ist das Extrakt der geleeartigen Schicht eindeutig überwiegend mikrobiologischen Ursprungs (Proteine, Aminosäuren). Fadenbakterien des Typs 1701 treten im MBBR des Werkes E zeitweise in großer Fädigkeit auf. Typ 1701 ist bekannt als Fadenbak-terium, welches Exopolymere (EPS) als Reservestoffe bilden und anlagern kann. Ein Zusammenhang mit der beobachteten EPS-Bildung in der vorgeschalteten aeroben Hochlaststufe ist hierbei anzuneh-men.

In der Literatur /9/ wird beschrieben, dass eine verstärkte EPS-Bildung im Verhältnis zur Zell-Bio-masse bevorzugt bei Kohlenstoffmangel erfolgt. Daraus kann geschlossen werden, dass die exzes-sive EPS-Bildung mit hoher Wahrscheinlichkeit durch die stark schwankenden Belastungs-verhältnisse der unterschiedlichen Produktionskampagnen verursacht wird.

6 Allgemeine Empfehlungen für den Betrieb schwach belasteter Belebungs-anlagen

Die folgenden Empfehlungen sollen schlechtem Absetzverhalten von Belebtschlämmen vorbeugen:

Betriebliche Empfehlungen

• Eine nachgeschaltete Belebungsstufe kann nur optimal gefahren werden, wenn auch die Vor-reinigung optimal betrieben wird. Schwankungen in der Leistungsfähigkeit und Biomasseab-trieb beeinflussen die Leistungsfähigkeit der Belebung und die Absetzeigenschaften des Be-lebtschlamms maßgeblich.

• Angefaultes (z. B. durch unvollständigen anaeroben Abbau) führt häufig zu einem massenhaf-ten Wachstum von Fadenbakterien, deshalb sollte die Zugabe solcher Wässer in aerobe Be-lebungsstufen vermieden werden.

• Abwässer aus der Schlammbehandlung sollten, wie zumeist üblich, in die Vorklärung zugege-ben werden.



• Biomasseabtrieb aus der Vorreinigung, bzw. Vermischung der Biozönosen der jeweiligen Rei-nigungsstufen sollten vermieden werden. Insbesondere bei Kombinationsanlagen mit vorge-schalteter MBBR-Hochlaststufe, in denen verstärkt instabile Betriebsphasen der schwach be-lasteten Belebungsstufe aufgrund der Ausbildung von Mischbiozönosen auftreten, kann ggf. die Einrichtung einer Zwischenklärung diskutiert werden. Bei anaerober Vorreinigung führen eine hydraulische Überlastung oder ein zu hohes Schlammbett bezogen auf die Reaktorhöhe häufig zu Schlammabtrieb.

• Frachtschwankungen im Zulauf zur Vorreinigung vergleichsmäßigen, falls erforderlich durch Einrichtung von Pufferbehältern. Die Schwankungsbreite sollte, bezogen auf den Variations-koeffizient, maximal 20 % betragen.

• In den meisten Anlagen bietet die Nährstoffdosierung Potenzial für weitere Optimierungen an. Aufgrund des Einflusses der Nährstoffversorgung auf die Ausbildung schlecht absetzbarer Schlammbiozönosen sollte die Nährstoffdosierung auf moderne Regelungs- und Steuersys-teme mit Hilfe von Online-Meßgeräten, z. B. für TOC, umgerüstet werden. Diese ermöglichen eine zielgerichtete Dosierung und erlauben eine feinere Einstellung eines für die Biozönose des Belebtschlamms optimale Versorgung mit Nährstoffen, bei der insbesondere kritische Mi-kroorganismengruppen keine Selektionsvorteile erhalten.

• Chemikalien (u. a. H2O2, Fe-Salze) können bei „kritischen“ Produktionen zur Schädigung der dominant und massiv auftretenden Fadenbakterien eingesetzt werden. Solche Produktionen bringen ggf. Abwasser hervor, welches insbesondere einen Einfluss auf das massenhafte Wachstum fadenförmiger Bakterien hat. Dabei sollte beachtet werden, dass die Dosierung von Chemikalien nicht als Dauerlösung geeignet ist. Die eingesetzten Chemikalien sollten auch von Zeit zu Zeit gewechselt werden, um eine Anpassung der Mikroorganismen zu ver-meiden. Die Dosierung sollte möglichst niedrig gewählt werden, da zu hohe Zugabemengen ebenfalls negative Auswirkungen auf die Absetzeigenschaften des Belebtschlamms haben können.

• Regelmäßige Besprühung mit Wasser/Brauchwasser zur Vorbeugung einer etwaigen Schaum- und/oder Schwimmschlammbildung.

• Auftretende Schwimmschlammschichten müssen abgezogen und aus dem System entfernt werden. Ansonsten induzieren er die weitere Vermehrung von fadenförmigen Mikroorganis-men, da gerade durch die Schwimmschlammschicht die idealen Milieubedingungen (Bildung von niedermolekularen organischen Säuren) für Fadenbakterien geschaffen werden /10/.

• Einer langfristigen hydraulischen Überlastung der Abwasserreinigungsanlage sollte durch ver-fahrenstechnische Veränderungen begegnet werden. Dafür kommen eine Anlagenerweiterung oder reduzierte Abwassermenge in Frage.

• Die Verweilzeiten bei der Vorreinigung sind häufig zu kurz. Bei aeroben MBBR-Verfahren soll-ten mind. 4 Stunden, bei anaeroben Reaktoren mind. 3 Stunden Verweilzeit angestrebt wer-den.

• Die regelmäßige Kontrolle des mikroskopischen Schlammbildes sollte zur Beurteilung der Fä-digkeit durchgeführt und dokumentiert werden.

• Anlagen, in denen häufiger Schlammabsetzprobleme auftreten, sollten die Entwicklung der Fadenpopulation über regelmäßige digitale Bildbearbeitung mikroskopischer Belebtschlamm-bilder dokumentieren, um bereits im Vorfeld eines Anstieges des ISV und bei drohendem Bio-masseabtrieb gegebenenfalls Maßnahmen (z. B durch Erhöhung der Schlammbelastung mit-tels Senkung des TS-Gehaltes, Dosierung von Fadenbakterien schädigenden Chemikalien u. a. ) einleiten zu können.



• Gensondenuntersuchungen unterstützen bei der Identifikation von fadenförmigen Mikroorga-nismen, wenn es Probleme durch schlechtes Absetzverhalten von Belebtschlamm gibt und die genaue Kenntnis der verursachenden Fäden zur Selektion wirksamer Maßnahmen (z. B. schädigender Chemikalien) notwendig ist.

• Lassen sich keine weiteren Optimierungspotenziale finden, können Polymere (Flockungsmit-tel) in niedriger Dosis, aber kontinuierlich, in den Zulauf zur Nachklärung zugegeben werden. Die Dosierung dieser Stoffe ist dabei aber von entscheidender Bedeutung, da zu hohe Do-siermengen die Absetzeigenschaften eher beeinträchtigen können.

Bemessungstechnische und konstruktive Empfehlungen

Das Ziel von bemessungstechnischen und konstruktiven Maßnahmen ist es, bauliche Gegebenheiten so zu verändern, dass die Umgebungsbedingungen für Fadenbakterien so verschlechtert werden, dass die Betriebsweise unter Schwachlast beibehalten werden kann und die negativen Auswirkungen durch das massenhafte Wachstum von Fadenbakterien minimiert werden.

• Realitätsnaher Ansatz des Schlammindex bei der Bemessung von Belebungsanlagen. Es soll-te ein ISV von mindestens 200 ml/g veranschlagt werden. Damit erhalten die Betreiber einen größeren Spielraum hinsichtlich des Biomassegehaltes in der Belebung.

• Der Bildung von Totzonen, die die Bildung von Bläh- und Schwimmschlamm/Schaum unter-stützen kann durch bauliche Veränderungen vorbeugend begegnet werden. Dies geschieht am besten, indem die Strömungsführung so gestaltet wird, dass in der Belebung/Nachklärung eine gerichtete Oberflächenströmung provoziert wird. Baumann /10/ stellt einige Möglichkeiten vor, wie bei verschiedenen Beckenformen zur Erreichung dieses Ziels zu verfahren ist.

• Der Füllgrad von MBBR-Anlagen wird meist eher niedrig gewählt, um Kosten zu sparen. Da-durch wird teilweise ein erhöhter Abtrieb freier Biomasse in die nachgeschaltete Belebung provoziert. Der Füllgrad der MBBR-Reaktoren sollte nach den Bemessungsdaten erfolgen. Bei der Planunung/Bemessung von Neuanlagen sollte daher mit höherem Füllgrad kalkuliert wer-den, der dann in der Praxis angepasst werden kann.

• Kurzschlussströmungen bei MBBR-Anlagen und Kanalströmungen bei anaeroben Reaktoren können durch geeignete bautechnische Maßnahmen vermieden werden.

Wie schon in /2/ dargestellt, hat die verfahrenstechnische Betriebsart der Belebungsbecken Einfluss auf vermehrte oder gemäßigte Entwicklung von Fadenbakterien. Bei Neukonzeption von Belebungs-anlagen sollte deshalb ein Kaskadenbetrieb allen anderen Bauformen vorgezogen werden. Kaskaden wirken ähnlich wie Selektoren und verschaffen Flockenbildnern im ersten Teil einen Wachstumsvorteil durch die dort vorherrschende hohe Substratkonzentration. Kaskaden sind auch im Niedriglastbereich zu favorisieren (auch wenn die Selektorwirkung bei den low F/M-Bakterien nicht nachweisbar erfolg-reich ist), da damit auch einem Abtrieb von high F/M-Bakterien aus einer vorgeschalteten Stufe wirk-sam begegnet werden kann. Empfehlungen zur Einstellung von Kennwerten

• Die im Allgemeinen einzustellende Schlammbelastung hängt vom Reinigungsziel ab:

BSB-Schlammbelastung Reinigungsziel 0,15 – 0,25 g BSB5/g oTS*d Vollreinigung ohne Nitrifikation/Denitrifiaktion < 0,15 g BSB5/g oTS*d Vollreinigung mit Nitrifikation/Denitrifikation < 0,05 g BSB5/g oTS*d Vollreinigung bei Schlammstabilisierung

Generell gilt, dass ein stabiler Anlagenbetrieb meist dann erreicht wird, wenn die auftretenden Schwankungen innerhalb des gewählten Belastungsbereiches gering sind (< 20 % bez. auf den Variationskoeffizienten).



Günstig für die Ausbildung einer Belebtschlammbiozönose mit mittlerer Fädigkeit und domi-nantem Typ 0041 ist beim Betrieb mit Nitrifikation/Denitrifikation eine Schlammbelastung von 0,05 -0,1 g BSB5/g oTS*d. Um einem massiven Fadenwachstum gegenzusteuern, kann die BSB-Schlammbelastung kurzfristig gesteigert werden. Damit kann möglicherweise der Selek-tionsvorteil der Fadenbakterien egalisiert werden. Soll durch solche akute Maßnahmen aller-dings der Betrieb der Nitrifikation aufrecht erhalten bleiben (hohes Schlammalter erforderlich!), ist darauf zu achten, dass nicht zu viel Biomasse aus dem System entnommen wird.

• Zu geringe und zu hohe Sauerstoffkonzentrationen wirken sich begünstigend auf das mas-senhafte Wachstum von Mikroorganismengruppen aus, die negative Einflüsse auf die Absetz-barkeit von Belebtschlamm ausüben. Die Sauerstoffzufuhr muss zur Vermeidung von unge-wollten anoxischen Zonen ausreichend sein. Messbare Sauerstoffkonzentrationen > 1 mg/l sollten kontinuierlich erreicht werden, Konzentrationen über 2 mg/l begünstigen das Wachs-tum kritischer Fadenbakterien.

• Hinsichtlich der Konzentrationen an Stickstoff und Phosphor im Belebtschlamm sollte ein Ver-hältnis von BSB5/TKN > 6:1 und von BSB5/Pges 10-25:1 erreicht werden. Die Nährstoffver-sorgung sollte dementsprechend angepasst werden. Das bislang empfohlene Ausgangsver-hältnis für die Dosierung von C:N:P von 100:3:0,5 gibt eine Orientierungshilfe für die Einstel-lung der anfänglichen Zugabe. Im Weiteren sollte die Dosierung anhand von analytischen Messungen im Schlamm sowie im Anlagenablauf an die Zielwerte angepasst werden. Am ge-nauesten kann die Nährstoffdosierung über die Einrichtung eines Steuer- und Regelungssys-tem mit Online-Messtechnik erfolgen.

Zusammengefasst können folgende Werte empfohlen werden: (Tabelle 10):



Tabelle 10. Empfohlene Kennwerte für schwach belastete Belebungsanlagen in der 2. Reinigungs-

stufe

Einheit Bezug Bereiche

BR kg BSB/m3*d Vollreinigung ohne Nitrifikati-on/Denitrifikation

Vollreinigung mit Nitrifikati-on/Denitrifikation

Vollreinigung bei Schlamm-stabilisierung

< 0,8 g BSB5/m3*d

< 0,6 g BSB5/ m3*d

< 0,4 g BSB5/ m3*d

BoTS BSB kg BSB/kg oTS*d

Vollreinigung ohne Nitrifikati-on/Denitrifikation

Vollreinigung mit Nitrifikati-on/Denitrifikation

Vollreinigung bei Schlamm-stabilisierung

0,15 – 0,25 g BSB5/g oTS*d

< 0,15 g BSB5/g oTS*d

< 0,05 g BSB5/g oTS*d

O2 mg/l 1 – 2 mg/l

ISV ml/g Bei Auslegung zu veranschla-gen

≥ 200

qSV max l/m2*h Nachklärung 300

HRT h Hochlast-UASB

MBBR-Reaktoren

≥ 3 h

≥ 4 h

BSB5/TKNBB - Zulauf/Belebtschlamm > 6:1

BSB5/PgesBB - Zulauf/Belebtschlamm 10-25:1

7 Schlussfolgerungen

Die Erkenntnisse aus den Untersuchungen des Forschungsvorhabens lassen sich wie folgt zusam-menfassen:

• Schlechtes Absetzverhalten von Belebtschlamm hängt nicht zwangsweise mit dem massen-haften Auftreten von Fadenbakterien zusammen. Auch ein hoher Anteil freier Bakterien und Zoogloea-Kolonien oder unter Bedingungen der Schlammstabilisierung sehr kleinflockige Be-lebtschlämme, können zu derartigen Problemen beitragen. Zudem können starke Fracht-schwankungen eine exzessive Bildung von EPS durch Bakterien bewirken. EPS im Übermaß beeinträchtigt ebenfalls das Absetzverhalten und führt in der homogenisierten Ablaufprobe zu erhöhten CSB-Werten.

• Insbesondere bei vorgeschalteten aeroben Schwebebettreaktoren zeigen sich in manchen Fällen häufigere instabile Betriebsphasen, indem Frachtschwankungen in voller Stärke oder nur wenig abgeschwächt weitergegeben werden.



Aus der Auswertung der Untersuchungsergebnisse kann gefolgert werden, dass sich die im Folgen-den beschriebenen Charakteristika günstig auf die Schlammeigenschaften in schwach belasteten Belebungsanlagen auswirken:

• mittlere Fädigkeit im Bereich von 2-3; entsprechend der erarbeiteten Einstellungen bei der Bildanalyse: Anteil Fäden < 20 %.

• Dominantes Auftreten von Typ 0041 bei maximaler Fädigkeitskategorie 3.

• Vorkommen von freien Bakterien und Häufigkeit von Zoogloea-Kolonien sollten < 2 sein.

• Die Flocken sollten einen mittleren äquivalenten Flockendurchmesser von 600µm (Bildanaly-se!) nicht unterschreiten.

Aus der Gesamtheit der Ergebnisse und Erkenntnisse können für den Betrieb von schwach belasteten Belebungsanlagen vorbeugende bemessungstechnische und betriebliche Empfehlungen gegeben werden:

• Nur eine optimal betriebene Vorreinigung, unabhängig ob anaerob oder aerob, sichert die Rahmenbedingungen für einen ordnungsgemäßen Betrieb der nachgeschalteten Belebung.

• Biomasseabtrieb aus der vorgeschalteten Reinigungsstufe sollte so weit wie verfahrenstech-nisch möglich unterbunden werden, um die Ausbildung von Mischbiozönosen zu verhindern, die nach den vorliegenden Erkenntnissen eher zu instabilen Betriebsphasen führen.

• Zu geringe und zu hohe Sauerstoffkonzentrationen wirken sich begünstigend auf das mas-senhafte Wachstum von Mikroorganismengruppen aus, die negative Einflüsse auf die Absetz-barkeit von Belebtschlamm ausüben.

Der ideale Sauerstoffgehalt liegt im Bereich zwischen 1 und 2 mg/l.

• Schlammbelastungsbereiche sollten durch Vergleichmäßigung zulaufender Frachten in einem engen Bereich gehalten werden. Die Übergänge zwischen Bereichen der verschiedenen Rei-nigungsziele (Vollreinigung mit/ohne Nitrifikation/Denitrifikation, Schlammstabilisierung) sollten vermieden werden. Höhere Schlammbelastungsbereiche sollten nur als kurzfristige Gegen-maßnahme bei intensivem Wachstum fadenförmiger Bakterien eingestellt werden. Bei not-wendiger Nitrifikation sollte bei dieser Maßnahme darauf geachtet werden, dass das nötige Schlammalter zur Fixierung der Nitrifikanten erhalten bleibt.

In Abhängigkeit von dem Reinigungsziel sind folgende Belastungsbereiche zu empfehlen:

0,15 - 0,25 g BSB5/g oTS*d Vollreinigung ohne Nitrifikation/Denitrifiaktion < 0,15 g BSB5/g oTS*d Vollreinigung mit Nitrifikation/Denitrifikation < 0,05 g BSB5/g oTS*d Vollreinigung bei Schlammstabilisierung

Abschließend kann festgestellt werden, dass durch die Bedingungen beim Schwachlast-Belebungsverfahren Probleme durch schlecht absetzbaren Schlamm nicht durchgängig sicher ver-mieden werden können. Weiters können auch durch die Erkenntnisse dieses Forschungsvorhabens keine Patentrezepte zur generellen Verhinderung oder zur gezielten Bekämpfung von Schlammprob-lemen gegeben werden. Es lassen sich allerdings vorbeugend betriebliche, analytische und im Vorfeld von Anlagenneubauten auch bemessungstechnische Vorkehrungen treffen, die das Auftreten von Betriebsproblemen durch schlechte Absetzbarkeit von Belebtschlamm reduzieren und/oder bereits im Vorfeld erkennbar machen. Bei frühzeitiger Erkennung drohender Schlammprobleme lassen sich Maßnahmen schon viel früher einleiten und massive Beeinträchtigungen des Betriebs und damit ver-bundene exorbitante Kostenaufwendungen verringern.



8 Wirtschaftliche Bedeutung

Die Forschungsergebnisse bringen explizit Erkenntnisse über die Zusammenhänge von Belastungs-daten schwach belasteter Aerobstufen und die mikrobielle Zusammensetzung sowie Flockenmorpho-logie von belebten Schlämmen. Trotz der spezifischen Ergebnisse für die Papierindustrie können auch Unternehmen aus anderen Industriebereichen an den Ergebnissen partizipieren.

Nur bei optimalem Betrieb einer aeroben biologischen Abwasserreinigungsanlage können wasser-rechtliche Grenzwerte sicher eingehalten werden, wobei eine ausreichende und richtige Dimensionie-rung der Anlagen vorausgesetzt wird. Die Praxis zeigt, dass Störungen im Anlagenbetrieb durch Schlammentartung, respektive Absetzprobleme häufig die Ursache deutlich erhöhter Kosten für die Abwasserbehandlung darstellen. In drastischen Fällen, wenn die Absetzschwierigkeiten zu Biomasse-abtrieb in den Vorfluter führen, erhöhen sich die Abwasserbehandlungskosten zusätzlich durch:

Erhöhung der Abwasserabgabe

Entsorgung von entartetem Schlamm

Einsatz chemischer Zusatzstoffe

Investitions- und Betriebskosten für ggf. erforderliche Sicherungsmaßnahmen zur Vermei-dung von Biomasseabtrieb

Unter Einführung analytischer Methoden zur optimierten Dosierung von Nährstoffen (Stickstoff und Phosphor) und/oder zur Früherkennung drohender Schlammentartungsprobleme lassen sich instabile Betriebsphasen reduzieren und damit in direkter Weise Kosten sparen. Die Investitionskosten amorti-sieren sich in den meisten Fällen bereits bei einer einmaligen Vermeidung eines Schlammentartungs-problems. Die Investitionskosten für die Regelung der Nährstoffdosierung mit Hilfe von Online-Analysatoren liegen abhängig vom jeweiligen Online-Verfahren zwischen 15.000 – 35.000 €, die Be-triebskosten zwischen 1.000 – 10.000 €/a. Für die Einführung bildanalytischer Verfahren zur Früher-kennung drohender Schlammentartungsprobleme können Kosten ab 20.000 € veranschlagt werden. Zudem muss ein Zeitaufwand von ca. 4 Wochen für die Einarbeitung in das Softwareprogramm und die Erstellung der Basisprozedur sowie ca. 4 Wochen für die systematische Prüfung von Einstellungen zur Aufnahme optimal zu verarbeitender Belebtschlammbilder und die Prüfung der Basisprozedur auf Fehler eingeplant werden. Der Zeitaufwand einer Stapelverarbeitung von 20 digitalen Belebtschlamm-bildern mit statistischer Auswertung beträgt etwa 1 Stunde.

Ansprechpartner

Dipl.-Ing. (FH) G. Weinberger Dipl.-Ing. F. Schmid Tel 089/12146-463 Tel 089/12146-464 [email protected] [email protected]

Papiertechnische Stiftung PTS Heßstraße 134 80797 München Tel. (089) 1 21 46-0 Fax (089) 1 21 46-36 e-Mail: infopaper.de Internet: www.ptspaper.de

Danksagung

Das Forschungsvorhaben AiF 13911 wurde durch die Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungs-vereinigungen e.V. (AiF), Köln, mit finanziellen Mitteln des Bundesministeriums für Wirtschaft und Technologie (BMWi), Berlin, gefördert. Dafür sei an dieser Stelle gedankt.



Anhang

Glossar

Tabelle A 1. Glossar

Abkürzung Bezeichnung Abl Ablauf(A)FS (abfiltrierbare) Feststoffe, Feststoffkonzentration AP Altpapier ARA Abwasserreinigungsanlage AW Abwasser BB Belebung BSB hier: BSB5, Biologischer Sauerstoffbedarf in fünf Tagen Bd Fracht, z. B. CSB oder BSB5 bezogen auf Tag (d) oder Stunde (h) BoTS Organische Schlammbelastung, hier bezogen auf BSB5 oder CSB BR Raumbelastung, hier bezogen auf BSB5 oder CSB CSB Chemischer Sauerstoffbedarf EPS Extracelluläre polymere Substanzen FHM Flockungshilfsmittel GV Glühverlust HRT Hydraulic retention time - Verweilzeit HS Harnstoff IC Internal circulation reaktor ISV Schlammindex MA Mindestanforderungen MBBR Moving Bed Biofilm Reaktor MeOH Methanol NKB Nachklärbecken OFS Oberflächenspannung (o)TS Organischer Trockensubstanzgehalt; bei Bioschlamm: abfiltrierbare Feststoffe P Phosphor PAA Polyacrylamid PS Phosphorsäure Q Abwasservolumenstrom qA hydraulische Flächenbeschickung der Nachklärung QRS Rückschlammvolumenstrom qSV Schlammvolumenbeschickung TKN Kjeldahl-Stickstoff tTS Schlammalter UASB Upflow anaerobic sludge blanket ÜW Überwachungswert VSV Vergleichsschlammvolumen Zul Zulauf ZS Zellstoff η Wirkungsgrad



Verzeichnis der Abbildungen

Abbildung 1. Biologische Reinigungsverfahren in der Papier- und Zellstoffindustrie 3 Abbildung 2. System (Komponenten) zur Erfassung digitaler Belebtschlammbilder 9 Abbildung 3. Schritte der Bildanalyse 9 Abbildung 4. Grafische Darstellung des Ergebnisses einer Auswertung eines

mikroskopischen Bildes einer Belebtschlammflocke (A: Orginal, B: Flocken, C: Mikroflocken/Partikel, D: Fadenorganismen) 10

Abbildung 5. BSB-Fracht und BSB-Schlammbelastung aller untersuchten Belebungsanlagen 11 Abbildung 6. CSB-Schlammbelastung gegenüber Schlammindex der untersuchten

Belebungsanlagen A bis D in der Kombination Anaerobie – Aerobie 11 Abbildung 7. CSB-Schlammbelastung gegenüber Schlammindex der untersuchten

Belebungsanlagen E bis H in der Kombination Aerobie - Aerobie 12 Abbildung 8. Sauerstoffgehalt über BSB-Schlammbelastung der Anlagen A-C und E-G 12 Abbildung 9. Dominantes/Untergeordnetes Auftreten der am häufigsten vorkommenden

bakteriellen Mikroorganismenarten 13 Abbildung 10. Auftreten von bakteriellen Mikroorganismenarten in Abhängigkeit von der

Fädigkeitskategorie 14 Abbildung 11. Auftreten von bakteriellen Mikroorganismenarten in Abhängigkeit von dem

Schlammindex 15 Abbildung 12. Auftreten von bakteriellen Mikroorganismenarten in Abhängigkeit von dem

Sauerstoffgehalt 15 Abbildung 13. Auftreten von bakteriellen Mikroorganismenarten in Abhängigkeit von der BSB-

Schlammbelastung 16 Abbildung 14. Auftreten von bakteriellen Mikroorganismenarten in Abhängigkeit von dem C:N-

Verhältnis (BSB5/TKN-Relation) 16 Abbildung 15. Auftreten von bakteriellen Mikroorganismenarten in Abhängigkeit von dem C:P-

Verhältnis (BSB5/Pges-Relation) 17 Abbildung 16. Verlauf von BoTS BSB und äquivalentem Flockendurchmesser 20 Abbildung 17. Verlauf von CSB, ISV und Entwicklung der Fadenpopulation in Abhängigkeit der

Produktionskampagne 21

Verzeichnis der Tabellen

Tabelle 1 Stoffwechselgruppen verschiedener „Morphotypen“ fadenbildender Bakterien in belebtem Schlamm und wichtige Selektionsfaktoren 3

Tabelle 2. Untersuchte Werke 5 Tabelle 3. Untersuchungsparameter der Betriebsuntersuchungen 7 Tabelle 4. Analysenmethoden 8 Tabelle 5. Fädigkeitskategorien 8 Tabelle 6. Mittelwerte der TKN- und Pges-Gehalte in den Belebtschlämmen der

untersuchten Werke 13 Tabelle 7. Auftreten von bakteriellen Mikroorganismenarten in den untersuchten Werken 17 Tabelle 8. Selektionsfaktoren der nach anaerober Vorreinigung am häufigsten

auftretenden Fadenbakterien 18 Tabelle 9. Selektionsfaktoren der nach aerober Vorreinigung am häufigsten auftretenden

Fadenbakterien 19 Tabelle 10. Empfohlene Kennwerte für schwach belastete Belebungsanlagen in der 2.

Reinigungsstufe 25



Digitale Bearbeitung der mikroskopischen Belebtschlammbilder

Die Bildverarbeitung erfolgte in folgenden Schritten:

1. Zunächst werden die zu bearbeitenden Bilder im aktuellen Verzeichnis geöffnet und mit dem Befehl „dir“ aufgelistet. Über eine „for“-Schleife werden die im Verzeichnis enthaltenen Bilder mit den im Folgenden angegebenen Algorithmen hintereinander bearbeitet.

2. Das von der Kamera gespeicherte Bild der Schlammflocken ist nach dem Einlesen zunächst ein Pixelbild verschiedener Graustufen. Für eine möglichst eindeutige Zuordnung von Pixeln zu Objekten und Hintergrund, müssen die fließenden Graustufen-Übergänge am Rand von Objekten durch Festlegung von Schwellwerten in harte schwarz - weiß Übergänge umgeformt werden. Alle zusammengehörigen Übergänge stellen dann den Rand bzw. die Kontur des Ob-jektes dar. Die Kanten eines Objektes können dabei als die Änderung der Lichtintensität defi-niert werden, die dieses Objekt im Bildinhalt verursacht.

3. Mittels eines Tophat-Filters wird der Hintergrund geebnet, indem die Objekte mit einem run-den Strukturelement (nicht linearer Filter) bearbeitet werden, um scharfe Konturen der Objekte zu erhalten und das Bildrauschen zu beheben. Über einen Histogrammausgleich wird eine Er-höhung des Kontrasts zwischen Objekt und Hintergrund erzielt.

4. Abschließend erfolgt die Binarisierung des Bildes über Hysterese. Hierbei wird ein Objekt, das durch seinen Rand definiert ist, vom Rest des Bildinhaltes unterschieden. Die Bilder, die bis-her aus Pixeln verschiedener Grauwerte bestanden werden hierbei binarisiert (allen Pixeln werden abhängig vom Grauwert die Werte 0 oder 1 gegeben). Durch die Festlegung von zwei unterschiedlichen Schwellenwerten können auch weniger helle Objektpixel als zum Objekt zu-gehörig definiert werden. Die durch die Kantendetektion erhaltenen Konturen einzelner Objek-te werden bei der weiteren Bearbeitung mit dem Wert ‘1’, gefüllt, so dass die Objekte in dem Binärbild weiß und der Hintergrund schwarz erscheinen.

5. Das Binärbild wird über einen Opening-Algorithmus geglättet. Dies geschieht durch Closing, was eine Hintereinanderschaltung zweier morphologischer Operationen der Erosion und der Dilation beschreibt. Bei der Dilation werden die Bildpunkte mit den benachbarten Pixeln vergli-chen. Diese werden verbunden, wenn in der definierten Nachbarschaft ein zu dem gleichen Objekt gehörendes Pixel anwesend ist. Erosion ist die umgekehrte Operation. Wenn ein Bild-punkt den Wert ‘0’ besitzt, also nicht zum Objekt gehört, wird dieser Bildpunkt gelöscht (sein Grauwert auf ‘0’ gesetzt). Auf diese Weise werden sich leicht berührende Objekte getrennt. Closing wird realisiert, indem auf ein Bild zuerst die Erosion und dann die Dilation angewendet wird. Dabei werden kleine Lücken zwischen den Pixeln gefüllt und zwei eng benachbarte Bild-punkte verbunden.

6. Dennoch ist es mit diesem Binärbild nicht möglich die verschiedenen Objekte des Bildes von-einander zu unterscheiden. Dies ermöglicht der Labeling-Algorithmus, indem er sich nicht be-rührende Objekte mit unterschiedlichen Labeln (Grauwerten) belegt. Dazu wird für jedes mit dem Wert ‘1’ belegte Pixel eine Vierer-Nachbarschafts-Prüfung (das rechte, linke, obere und untere Nachbarschaftspixel) durchgeführt. Direkte Nachbarn werden als zu dem gleichen Ob-jekt gehörig deklariert und mit dem gleichen Grauwert belegt. Dieses Verfahren wird zeilen-weise und iterativ durchgeführt, bis kein Wechsel in den Labeln mehr stattfindet. Schließlich sind alle sich nicht berührenden Objekte mit einem individuellen Wert markiert, wodurch sie voneinander unterscheidbar werden.

7. Im nächsten Schritt werden für die Bestimmung der Anzahl von Objekten im Labelbild die Pi-xelzahlen der jeweiligen Objekte bestimmt. Mittels einer Schleife wird die Anzahl der im Bild enthaltenen Objekte ermittelt. Die Eliminierung eventuell vorhandener Restpartikel von den Flocken erfolgt durch Festlegung eines Schwellenwertes. Enthält das Objekt weniger als 170 Pixel (170 Pixel entsprechen 50 µm Flockendurchmesser), wird es als Partikel definiert.



8. Mit den so vorbereiteten Binärbildern werden die gesuchten Merkmale über kleine Struktur-elemente extrahiert, d. h. zunächst die fadenförmigen Mikroorganismen von den Flocken ab-geschnitten und aus dem Bild entfernt. Mit einem großen Strukturelement werden Partikel ge-löscht. Die Rekonstruktion der Flocken erfolgt, indem die bei dem Opening-Algorithmus übrig gebliebenen Objekte ihre ursprünglichen Konturen zurück erhalten.

9. Im weiteren Verlauf wird das erhaltene Flockenbild vom ursprünglichen Binärbild abgezogen. Durch einen weiteren Opening-Algorithmus werden mittels eines kleinen Strukturelements die Fäden eliminiert. Als Ergebnis liegt das Partikelbild vor. Dieses wird ebenfalls vom Restbild abgezogen und erhält damit das Bild mit dem ausschließlichen Anteil von Fäden.

10. Zur Anteilbestimmung der drei Fraktionen wird die jeweilige Pixelanzahl bestimmt und daraus dann der Anteil dieser Fraktionen im jeweiligen Bild berechnet.

11. Die Extraktion verschiedener Charakteristika aus den Flockenbildern (Merkmalextraktion) er-folgte über den Befehl „regionprops“, mit dem Schablonen zur Bestimmung einfacher Merkma-le der Flocken eingesetzt werden: Für die Berechnung der Äquivalentdurchmesser der Flo-cken müssen zuerst die Ortskoordinaten der jeweiligen Flocken aus dem Flockenbild be-stimmt werden. Danach wird die Pixelanzahl der Flocke mit der Fläche eines Pixels multipli-ziert Die an der Forschungsstelle vorhandene Digitalkamera nimmt Digitalbilder mit Pixelmaß 3,4 x 3,4 µm auf. Die Abweichung von der idealen Kugelform wird über den Befehl „Solidity“ erfasst. Dabei wird ein Polygon um die Objekte gelegt und die Pixelverhältnisse bestimmt. Je mehr das Verhältnis zu 0 geht (1=Kreis), desto zerklüfteter und unregelmäßiger ist das Objekt. Mit dem Befehl „Eccentricity“ wird eine Ellipse über das Objekt gelegt. Flocken sind um so kompakter, je näher der Wert zu null tendiert. (0 ist ein Kreis und 1 ein Liniensegment). Die Porosität der Flocken wird über den Befehl „FilledArea“ bestimmt. Er gibt die Anzahl der Pixel in einem Objekt an, die Löcher aufweisen und über einen Algorithmus aufgefüllt wurden. Das Maß für die Porosität ergibt sich dann aus dem Verhältnis Pixelfläche der Flocken/Pixelfläche der gefüllten Löcher.

Ansprechpartner für weitere Informationen: Dipl.-Ing. Gabi Weinberger Dipl.-Ing. Frank Schmid Tel. 089/12146-463 Tel. 089/12146-464 [email protected] [email protected]

Papiertechnische Stiftung PTS Heßstraße 134 80797 München Tel. (089) 1 21 46-0 Fax (089) 1 21 46-36 e-Mail: [email protected] www.ptspaper.de



9 Literatur

1 Schmid F. Anwendung und Leistungsgrenzen der biologischen Abwasserreinigung – Anaerob, Biofilmverfahren, Belebungsverfahren - In: Betrieb biologischer Abwasserreinigungsanlagen – Schwerpunkt Anaerobtechnologie in der Papierindustrie Dipl.-Ing. (FH) F. Schmid und Dipl.-Ing. I. Demel (Hrsg.) München: (PTS), 2004 PTS-Manuskript: PTS-MS 419

2 Schmid F. und M. Reitberger Ursachen und Vermeidung der Schaum- und Schwimmschlammbildung in biologischen Ab-wasserreinigungsanlagen der Papierfabriken München: Papiertechnische Stiftung (PTS), 69 S. PTS-Forschungsbericht PTS-FB 01/2000

3 Lemmer H. und G. Lind Blähschlamm, Schaum, Schwimmschlamm München: F. Hirthammer Verlag München 2000. 176 S

4 Lemmer H. Stand der Forschung über Blähschlamm und Schwimmschlamm In: Verbandsbericht Nr. 539; 219. VSA-Mitgliederversammlung in Luzern, 20.09.2001

5 Eikelboom D. H. und H.J.J. van Buijsen Handbuch für die mikroskopische Schlammuntersuchung München: F. Hirthammer Verlag 1987, 2. Aufl.

6 Behrendt J. Anwendung und Nutzen von Bildanalyse bei der Untersuchung von Belebtschlamm In: Aktuelle Analytik für Kreislaufwasser- und Abwasseruntersuchungen G.Weinberger und H.-J. Öller (Hrsg.) München: (PTS), 2004 PTS-Manuskript: PTS-MS 422

7 Heine W. Einführung der digitalen mikroskopischen Bildanalyse als neuer Summenparameter in der bio-logischen Abwassereinigung zur Früherkennung von Betriebsstörungen. Hamburger Berichte zur Siedlungswasserwirtschaft. Band 38. ISBN 3-930400-55-3, (2002)

8 Hansen J. Vorkommen und Bekämpfung von Bläh- und Schwimmschlamm auf Kläranlagen in Rheinland-Pfalz In: Blähschlamm, Schwimmschlamm und Schaum in kommunalen und industriellen Abwasser-reinigungsanlagen Schriftenreihe des Fachgebietes Siedlungswasserwirtschaft der Univ. Kaiserslautern, Bd 18 Hrsg. : Prof. Dr.-Ing. T. G. Schmitt und Dr.–Ing. J. Hansen, Kaiserslautern 2003

9 Borchard W, Buß V., Flemming H.-C., Mayer C., Veeman W., Wingender J., Franke H. und K. E. Jäger Universität Duisburg – Forschergruppe Physikalische Chemie von Biofilmen http://www.theochem.uni-duisburg.de/AMB/fg-film.html, 21.06.2005

10 Baumann P., Konstruktive und betriebliche Maßnahmen zur Bekämpfung von Blähschlamm, Schwimm-schlamm und Schaum In: Blähschlamm, Schwimmschlamm und Schaum in kommunalen und industriellen Abwasser-reinigungsanlagen Schriftenreihe des Fachgebietes Siedlungswasserwirtschaft der Univ. Kaiserslautern, Bd 18 Hrsg. : Prof. Dr.-Ing. T. G. Schmitt und Dr.–Ing. J. Hansen, Kaiserslautern 2003

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Ermittlung von optimalen Betriebsparametern zur Vermeidung ...€¦ · positions are specified in...

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