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Untersuchungen zu Prozess-
und Sickerwässern

Im Projekt :metabolon stellt die Wasserbehandlung einen wichtigen Ansatz dar, da Wasser weltweit eine der wichtigsten Ressourcen darstellt. Auf dem Standort der ehemaligen Deponie Leppe wird das anfallende Sickerwasser über eine Großanlage mit einem jährlichen Umsatz von ca. 150.000 m³ aufbereitet. Die Reduzierung der Stickstoffbelastung geschieht in der großtechnischen Anlage über einen zweistraßigen Aufbau mit jeweils drei Bioreaktoren. Die aktuelle Prozessstrategie der biologischen Reinigung umfasst in einem ersten Schritt eine Nitrifikation, gefolgt von einer Denitrifikation und einer weiteren Nitrifikation. Das bewährte und erprobte Verfahren garantiert die verlässliche Aufreinigung von Sickerwasser, ist jedoch durch Einsatz einer Kohlenstoffquelle (wie z.B. Essigsäure) und einem hohen Sauerstoffbedarf sehr aufwändig.

Der Einsatz weiterer Prozesswässer steht im Zusammenhang mit der Forschung zum Einsatz anderer C-Quellen und gleichzeitiger Wirkungs- bzw. Toxizitätserfassung.

Darüber hinaus besteht die Möglichkeit aus sechs verschiedenen Bereichen der Leppe Deponie unterschiedlich stark belastete Sickerwässer zu entnehmen und deren optimale Behandlung unter diversen Mischungsverhältnissen zu untersuchen.

Einsatzproblematik

Neben der Weiterentwicklung der bestehenden Verfahren bietet eine Umstellung der biologischen Stufe auf das Verfahren der Deammonifikation eine Vielzahl an Vorteilen. Dem um 60 Prozent geringeren Sauerstoffverbrauch und dem kompletten Verzicht auf eine Kohlenstoffquelle steht als Nachteil eine aufwändigere Prozessführung der Biologie gegenüber.

Ziele und Nutzen

Die wissenschaftliche Optimierung der Technikumsanlage bzw. der Prozessstrategie soll eine langfristig optimierte Verwertung des Sickerwassers und eine Vorbereitung der Nutzung der Sickerwasseranlage für Prozesswässer im Falle von längerfristigen Kapazitätsreserven ermöglichen.

Die Effizienz der Verwertung von Sickerwasser wird durch die Prozessparameter der Sickerwasseraufbereitungsanlage definiert. Diese gilt es im vorliegenden Projekt zu optimieren. Der Einfluss von Temperatur ist neben dem Einfluss der Kohlenstoffquelle von entscheidender Bedeutung für die biologische Verfahrensstufe. Bei den Kohlenstoffquellen werden kostengünstige technische Essigsäure oder ebenfalls billige Nebenprodukte und Prozesswässer eingesetzt, deren Einsatz und Verstoffwechselung gleichzeitig neue Abfälle oder unberechenbare Betriebsstörungen vermeiden und den kontinuierlichen Betrieb der Hochleistungssickerwasseranlage nicht gefährden.

Die Zielsetzung der Optimierung der Prozessführung für unterschiedliche Abwasserarten und Abwasserzusammensetzungen wird über den direkten Vergleich der unterschiedlichen Prozessparameter erreicht. Abseits der veränderten Parameter sind die Prozessführungen identisch bzw. alle anderen Parameter für beide Straßen gleich. Dies erlaubt einen direkten Rückschluss auf die Konsequenz der unterschiedlichen Strategien.

Prozesswasser

Im Rahmen der Vergärung von Bioabfall fällt am Ende des Verfahrensablaufs nach der Entwässerung ein Abwasser an, welches entsorgt werden muss. Hier gibt es die Möglichkeit der Entsorgung als Düngemittel in der Landwirtschaft oder die Behandlung in einer Kläranlage. Auf :metabolon wird dieses sogenannte Prozesswasser oder Vergärungsabwasser derzeit in einer kommunalen Kläranlage gereinigt. Da die zu erwartenden Volumina an Sickerwasser eine abnehmende Tendenz aufweisen, eröffnet sich für eine effiziente Auslastung der Anlagen die Möglichkeit der parallelen Klärung von Prozesswasser in Kombination mit Sickerwasser. Die Inhaltsstoffe der Wässer sind sehr unterschiedlich, was eine umfassende Charakterisierung des Prozesswassers essentiell für den erfolgreichen Abschluss des Projektes macht. Erschwerend kommt hinzu, dass sich die Zusammensetzung des Prozesswassers durch jahreszeitlich bedingte Schwankungen im Substrat der Vergärung ändert. Des Weiteren können nicht abgebaute Verunreinigungen wie Pflanzenschutzmittel und Desinfektionsmittel zu einer Störung des Prozesses führen.

Obgleich mit der parallelen Reinigung von Sickerwasser und Prozesswasser wissenschaftliches Neuland betreten wird, eröffnen sich durch die Kombination der Abwässer neue Entsorgungswege. Des Weiteren werden bestehende Anlagen effizient ausgelastet.

Toxikologische Wasseruntersuchungen

Neben den üblichen Summenparametern, die in biologischen Behandlungsverfahren bestimmt werden, stellt die Messung der Toxizität einen weiteren Parameter in der Abwasseranalytik dar. Sie bestimmt die unerwünschten Wechselwirkungen und Einflüsse der zu behandelnden Stoffe und deren Abbauprodukte mit der eingesetzten Biologie. Diese Schadwirkungen können z.B. die Hemmung des Wachstums, des Metabolismus oder eine Verhaltensänderung hervorrufen. Einsatzgebiete dieser standardisierten bzw. genormten Tests sind die Umweltbewertung im Bereich Wasser, Böden und Altlasten, die Überwachung von industriellen und kommunalen Abwässern sowie die Gefährdungsabschätzung von Chemikalien in der Umwelt.

Für die Direkteinleitung von Abwässern in Gewässer können bereits nach Abwasserverordnung - AbwV §4 Analysen- und Messverfahren -, wirkungsbezogene Messverfahren gefordert werden. Dabei handelt es sich um die Überprüfung der Giftigkeit gegenüber Fischeiern, Daphnien, Algen und Leuchtbakterien. Eine Überprüfung der toxischen Eigenschaften mit einer Festlegung von Wirkparametern, geht zudem aus einer Studie des Umweltbundesamtes hervor, in welcher Vorschläge zur Gleichbehandlung von Indirekt- und Direkteinleitern beschrieben werden.

Neben den externen Anforderungen, können toxikologische Untersuchungen der zu behandelnden Abwässer einen präventiven Schutz der biologischen Behandlungsstufen darstellen. Durch frühzeitige Erkennung von toxischen Schadstoffflotten, kann daher durch zeitnahe prozesstechnische Maßnahmen (Speicherung, Verdünnung, usw.) eine stabilere und sicherere biologische Prozessführung gewährleistet werden.

ZUKUNFT

Durch eine Online-Toxizitäts-Analytik kann eine Gefährdungseinschätzung des zu behandelnden Abwassers vor der Kontamination einer biologischen Behandlungsstufe erfolgen. Kommerziell erhältliche Analysatoren lassen sich bereits in vorhandene Prozessleitsysteme einbinden. Eine wirkungsbezogene Regelung und Pufferung des Abwasserzulaufes für die biologischen Stufen könnte dabei realisiert werden. Zudem können durch vorzeitige Tests von zusammengeführten Abwässern (Deponiesickerwasser, Vergär- und Kompostierungsabwasser), die Auswirkungen auf Klärschlammkulturen getestet werden.

Weiterhin besteht die Möglichkeit einzelne Deponieabschnitte auf toxikologische Auswirkungen zu testen. Respirationstests für den Auswirkungsvergleich mit der eigenen Klärschlammkultur werden bereits in mehreren Kläranlagen von Chemieparks zum Schutz der eigenen Kultur eingesetzt (INEOS, BASF).

ZIEL

Ziel ist es, zum Schutz der biologischen Behandlungsstufen, eine automatisierte Online-Toxizitäts-Analytik zu integrieren. Eine Anbindung könnte dabei in ersten Schritten an der halbtechnischen Prozesswasseraufbereitungsanlage erfolgen. Eine Kopplung zur Großanlage wäre in weiteren Schritten denkbar. Eine automatisierte kontinuierliche Entnahme von repräsentativen Proben muss für diese Anwendung bereitgestellt werden.

Die Bestimmung der Toxizität im Einstrom der Prozesswasseraufbereitungsanlage eröffnet die Möglichkeit, frühzeitig auf wechselnde Zusammensetzungen von Sicker- und Prozesswasser zu reagieren.

Die Investition in wirkungsbezogene Analysesysteme bzw. in die Nutzbarmachung von Tox-Testsystemen bekommt durch das Erkennen von Prozessstörungen vor deren Entstehung eine zentrale Bedeutung für die Stabilität der Prozesswasseraufbereitungsanlage. Des Weiteren kann die Leistungsfähigkeit der Nitrifikanten über die Respirationsraten bestimmt werden. Durch den Einsatz von eigener Belebtschlammkultur werden notwendige Regelungen und Veränderungen an der Prozessführung spezifisch und frühzeitig erkannt.

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