Auswirkungen von Abwasserpartikeln auf den Betrieb von Reaktoren mit Aeroben Granula bei der kommunalen Abwasserreinigung

Kurzzusammenfassung
In den letzten Jahren haben sich AG-Systeme zunehmend für die Behandlung kommunalen Abwassers etabliert. Ihre Vorteile sind vor allem der geringere Platzbedarf durch eine höhere Biomassekonzentration sowie die kurze Absetzzeit im Vergleich zu klassischen Belebtschlammverfahren. Obwohl schon einige Dutzend großtechnische Anlagen in Betrieb sind, gibt es noch einige Fragen zur Auslegung der Anlagen zu klären. Die hier vorgelegte Arbeit will einen Beitrag zum Verständnis der Auswirkungen von partikulärem organischem Kohlenstoff auf den Betrieb von Reaktoren mit AG in der kommunalen Abwasserreinigung liefern. ... mehr
Um zu bewerten, ob der Granulierungsgrad (Anteil von AG an der Biomasse) eines AG-System Einfluss auf die Abtrennleistung von realen Abwasserpartikeln hat, wurden Batchversuche mit einer definierten Mischung aus AG und Belebtschlamm durchgeführt. Die Versuche wurden mit einer Biomassekonzentration von 4 g/L bei verschiedenen Granulierungsgraden und einer Abwasserpartikel-konzentration von 0,5 g/L durchgeführt. Während der Mischphasen konnte keine signifikante Adsorption von Abwasserpartikeln an die AG beobachtet werden. Es zeigte sich, dass ab einem Granulierungsgrad von etwa 60 % die TSS-Konzentration im Ablauf des Systems stark ansteigt. Dies zeigt, dass ein bestimmter Anteil an Belebtschlammflocken notwendig ist, um Abwasserpartikel in einem SBR mit AG zu entfernen.
Um die lokalen Auswirkungen von Ablagerungen von Abwasserpartikeln auf Biofilmen im Allgemeinen und auf AG im Speziellen zu untersuchen, wurden Versuche unter laminaren Strömungsbedingungen in einem Fließkanal durchgeführt. Anhand von Sauerstoffprofilen wurden die Auswirkungen der Abwasserpartikelablagerung auf den Sauerstofffluss untersucht. Es zeigte sich, dass eine Abwasserpartikelschicht zwischen 100 und 400 µm zu einer Verringerung des Sauerstoffflusses von 5 bis 70 % in die tieferen Bereiche des Biofilms und der AG führt. Die Abwasserpartikelschicht bildet eine physikalische Barriere für den Stofftransport.
Zusätzlich wurden Experimente in Batchreaktoren durchgeführt, um zu untersuchen, ob Abwasserpartikel als Kohlenstoffquelle für Bakterien in AG nutzbar sind. Über einen Zeitraum von drei Wochen wurden Abwasserpartikel mit einem Durchmesser zwischen 800 und 900 µm als alleinige Kohlenstoffquelle für die AG verwendet. Die dreidimensionale Visualisierung der AG mittels OCT zeigte eine stabile Größe und Form der AG während des gesamten Experiments. Es war erwartet worden, dass Abwasserpartikel mittelfristig als Nährstoffquelle dienen können und daher um adsorbierte Abwasserpartikel lokal filamentöser Auswuchs auftritt, was aber nicht bestätigt wurde. Dies deutet darauf hin, dass die adsorbierten Abwasserpartikel nicht ausreichend Nährstoffe liefern, um lokal als Kohlenstoffquelle für AG zu dienen.
Filamentöser Auswuchs wurde auf AG sowohl in einem SBR beobachtet, der nur mit gelöstem organischem Substrat versorgt wurde als auch in einem SBR, in dem 25 % des gelösten organischen Substrats durch Abwasserpartikel ersetzt wurde. Der filamentöse Auswuchs wurde auf die hohe Verfügbarkeit von gelöstem organischem Kohlenstoff während der aeroben Phase in beiden SBR zurückgeführt und konnte nicht mit der Anwesenheit der Abwasserpartikel in Verbindung gebracht werden.
Auswirkungen der An- bzw. Ablagerung von Abwasserpartikeln auf AG in einem SBR wurden näher aufgeklärt. Die Entfernung von Abwasserpartikeln in einem SBR mit AG gelingt mit hoher Wahrscheinlichkeit nur dann, wenn ein Teil der Biomasse als Belebtschlammflocken vorliegt. Während der Mischphasen eines SBR-Zyklus konnten weder im Kurzzeit- noch im Langzeitbetrieb des Reaktors Auswirkungen von Abwasserpartikeln auf die AG festgestellt werden. Eine Ablagerung von Abwasserpartikeln, z.B. während Zulauf oder Absetzphase, führt zu einem Absterben der Bakterien in tieferen Schichten der AG aufgrund einer Verringerung der Nährstoffverfügbarkeit. Es konnte gezeigt werden, dass Abwasserpartikel nicht als kurz-, mittel- oder langfristige organische Kohlenstoffquelle für Bakterien in AG dienen können und dass die Adsorption von Abwasserpartikeln kein lokales fadenförmiges Auswachsen verursacht.

In recent years, aerobic granules (AG) systems have become well-established in municipal wastewater treatment. Their advantages are mainly lower space requirements due to a higher biomass concentration as well as a short settling time compared to classical activated sludge systems. Although several dozens of large-scale plants are already in operation, there are still open questions concerning the design of the AG systems for municipal wastewater treatment. This work aims to contribute in the understanding of the effect of particulate organic load in the form of real wastewater particles on the operation of AG systems.
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To evaluate whether the granulation grade (fraction of AG in biomass) in an AG system affects the removal efficiency of real wastewater particles, batch tests were conducted with a defined mixture of AG and activated sludge. The experiments were performed with a biomass concentration of 4 g/L at different granulation grades and a fixed wastewater particles concentration of 0.5 g/L. No significant adsorption of wastewater particles to the AG could be observed during the mixed phases. It was found that the total suspended solids concentration in the system effluent sharply increases at a granulation grade of above 60 %. This shows that a certain ratio of sludge flocs is necessary to remove wastewater particle in an SBR system.
To investigate the local effects of wastewater particle deposition on biofilms and in particular on AG, experiments were conducted under laminar flow conditions in a flow channel. Oxygen profiles were used to evaluate the impact of the wastewater particle deposition on the oxygen flux. It was found that a wastewater particle layer of 100 to 400 µm on a biofilm leads to a reduction of the oxygen flux of 5 to 70 % from the surface of the biofilm and the AG to the deeper zones of the biofilm and the AG. The wastewater particle layer represents a physical barrier to the mass transport of oxygen and other dissolved nutrients.
Additionally, experiments in batch reactors were conducted to evaluate if wastewater particles can be used as carbon source for bacteria in AG systems. Over a period of three weeks, wastewater particles with a diameter between 800 and 900 µm were used as a sole carbon source for AG. 3- dimensional visualization of the AG via OCT showed a stable size and shape of the AG during the whole experiment. Contrary to expectations, no filamentous outgrow were observed on AG surfaces on which wastewater particles adsorbed. This indicates that adsorbed wastewater particles cannot act as a local carbon source for AG.
However, filamentous outgrowth on AG was observed in a SBR fed only with dissolved organic substrate and as well in a SBR in which 25 % of dissolved organic substrate was replaced with wastewater particles. The filamentous outgrowth was attributed to the high availability of dissolved organic carbon during the aerobic phase in both SBR and was not connected to the presence of wastewater particles in one of the SBR.
The effect of adsorption or deposition of wastewater particles in a SBR was elucidated in more detail. Removal of wastewater particles in a SBR with AG is very likely to succeed only if a part of the biomass is present as activated sludge flocs. During the mixed phases of a SBR cycle, no effects of wastewater particles on AG could be detected neither within short-term nor long-term reactor operation. A deposition of wastewater particle e.g., during the feeding or settling step, will cause die-off of bacteria due to a reduction of nutrients availability within the deeper zone of the AG. It was shown, that wastewater particles cannot serve as a short- mid- or long-term organic substrate source for bacteria in AG, and that the adsorption of wastewater particle does not cause local filamentous outgrowth.