skriptum 811.300 kapitel 4 abwasserreinigung / 27.01.2012

Technologien und Infrastruktur 811.300 

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Seite 4.1 

4. ABWASSERREINIGUNG 

4.1 Eco Sanitation 

Siehe nächste Seite. 

Institut für Siedlungswasserbau, Industriewasserwirtschaft und Gewässerschutz

Eco Sanitation 

Nachhaltige Strategien der Abwasserentsorgung 

in ländlichen Gebieten 

Institut für Siedlungswasserbau, 

Industriewasserwirtschaft und Gewässerschutz

Characteristics

Abwasserteilströme 

Gelbwasser 

Urin 

Braunwasser 

Fäkalien mit Spülwasser 

Schwarzwasser 

Braun- und Gelbwasser 

Grauwasser 

Wasser aus Bad, Wäsche, Küche

Behandlung der Abwasserteilströme 

Gelbwasser 

Landwirtschaftliche 

Verwertung 

Schwarzwasser 

Braunwasser 

Biogasanlage 

Kompostierung 

Vorflut 

Infiltration 

Braun/ Grauwasser 

Grauwasser 

konv. Kläranlage 

bepfl. Bodenfilter 

Wiederverwendung

Hohe Anforderungen an Sammel- und 

Ableitungssysteme 

Anfang der Entwicklung 

Forschungsbedarf

ECO San Components 

drying toilet 

separation 

toilet 

compost 

toilet 

vacuum toilet 

biogasreactor 

compost toilet with 

urine separation

Schwedische Sortiertoilette

• Im Falle organisierter Entsorgung 

Bevorzugung zentraler Mischsysteme 

• Verbrauch kostbaren Wassers zu 

Transportzwecken 

(Schwemmkanalisation) 

• Hoher Investitions-, Energie-, Betriebsund 

Wartungsaufwand 

• Oft Subventionierung wohlhabender 

Gebiete, Vernachlässigung armer 

Siedlungen 

• Verschmutzung der (Oberflächen-) 

Gewässer durch Nähr-, Schadstoffe, 

Krankheitserreger, Medikamentenrückstände, 

Hormone, etc. 

• Verlust der in den Ausscheidungen 

enthaltenden nutzbaren Nährstoffe und 

Spurenelementen durch Verdünnung 

und Einleitung in die Gewässer 

• Verarmung landwirtschaftlicher Böden, 

Abhängigkeit von Kunstdünger 

• Klärschlammproblematik (Verbrennung / 

Deponierung ) 

• Lineare end-of-pipe Technologie 

Deutsche Gesellschaft für

• Wiederverwertung (hygienisch sicherer 

Gewinnung und Nutzung von Nährstoffen, 

Spurenelementen, Wasser, Energie) 

• Ressourcenschutz (verringerter 

Wasserverbrauch, Substitution von 

Kunstdünger, Minimierung der 

Gewässerverschmutzung) 

• Krankheitserreger aus menschlichen 

Ausscheidungen gelangen nicht mehr in 

den Wasserkreislauf 

• Bevorzugung modularer, dezentraler 

teilstromorientierte Systeme 

• Angepasste, kostengünstige Lösungen 

• Erhaltung der Bodenfruchtbarkeit 

• Ernährungssicherung 

• Ganzheitliche, interdisziplinäre 

Herangehensweise 

(Siedlungswasserwirtschaft, 

Ressourcenschutz, Umweltschutz, 

Stadtplanung, Landwirtschaft, 

Bewässerung, Ernährung, 

Kleingewerbeförderung, Hygiene) 

• Stoffstromkreislauf statt Entsorgung 

Deutsche Gesellschaft für 

Technisce Zusammenarbeit (GTZ) GmbH

Potential Problems: 

ECO Sanitation 

quality of greywater variable (detergents,etc.) 

Micropollutants (hormones and pharmaceuticals) 

may be in urine 

BUT: 

same problem for conventional system 

Differences: 

by eco.san these pollutants will not be spread to 

the rivers (but to soil – groundwater?) 

and can be more easily eliminated 

from the wastewater‘s constituent parts

ECO Sanitation - Conclusions 

ECO.san has several advantages compared to 

traditional systems: 

lower costs, more flexible 

reuse of nutrients 

low potable water demand 

but also questions are posed which still need 

to be answered 

Hormones and pharmaceuticals 

little experience 

acceptance

Zusammenfassung/Schlussfolgerungen 

gst. Konzepte haben einige wesentliche Vorteile 

v.a. im ländlichen Bereich erfolgversprechend 

Kombination mit konv. Konzepten 

gesamthafte Bewertung erforderlich 

Offene Fragen


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Seite 4.2 

4.2 Pflanzenkläranlagen, Bepflanzte Bodenfilter (Constructed Wetlands) 

• Allgemeines 

Pflanzenläranlagen sind komplexe biologische Systeme, die nach denselben Grundprinzipien 

funktionieren wie natürliche Feuchtgebiete. 

Die Abwasserreinigung mit Pflanzen gehört zu den großräumigen Abwasserreinigungsverfahren. Diese 

waren schon vor 2000 J ahren bekannt und e rfuhren im 16. J ahrhundert in Deutschland und E ngland eine 

gewisse Verbreitung (IDELOVITSCH, MICHAIL, 1984). Mit den Rieselfeldern trat die 

Abwasserbehandlung vor etwa 100 J ahren in den Blickpunkt der Öffentlichkeit (ATV, 1982). Weitere 

Landbehandlungsverfahren sind Bodenfiltration und Verregnung. 

Aus verschiedenen Gründen wurden diese “naturnahen“ Systeme im Laufe der Jahrzehnte von “technischen“ 

(konventionellen) Systemen vollständig abgelöst. 

Im Zusammenhang mit der Abwasserentsorgung in ländlichen, dünn be siedelten Gebieten ist die 

Abwasserreinigung mit Hilfe von P flanzenkläranlagen vor etwa 30 Jahren wieder entdeckt worden. Dabei 

handelt es sich um ein extensives, naturnahes Reinigungsverfahren, das wegen seiner Eigenschaften, wie z.B. 

großes Puffervolumen, Stabilität, Robustheit, Einfachheit sowohl in seiner Technik wie auch hinsichtlich 

Wartung und Betrieb für den Einsatz in Gebieten, die gekennzeichnet sind durch große Schwankungen in 

Menge und K onzentration des Abwassers, besonders gut geeignet ist. Seit etwa 20 Jahren sind 

Pflanzenanlagen Gegenstand oft intensiver, emotionsgeladener und sehr subjektiv gefärbter Diskussionen. In 

der Zwischenzeit wurden sie weltweit intensiv beforscht, so dass heute sehr viele objektivierbare Forschungsund 

Praxisergebnisse vorliegen, die dazu geführt haben, daß dieses Reinigungssystem bereits Gegenstand 

internationaler Normen und R ichtlinien ist. In manchen Ländern, z.B. Österreich, wird den 

Pflanzenkläranlagen, zumindest in einem Teilbereich, der Status “Stand der Technik“ zuerkannt. 

• Einteilung von Pflanzenanlagen 

Nach der Art der verwendeten Pflanzen (Makrophyten) 

- “schwimmende“ Pflanzen (free-floating) 

- “untergetauchte“ Pflanzen (rooted submergent) 

- “oberirdische“ Pflanzen (rooted emergent), z.B. Schilf, Binsen 



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Seite 4.3 

Unterteilung der Pflanzenkläranlagen mit oberirdischen Pflanzen: 

- freier Wasserspiegel (surface flow) 

- kein freier Wasserspiegel (subsurface flow) 

– horizontaler Durchfluss 

– vertikaler Durchfluss 

Substrat: 

- Boden 

- Sand/Kies (bevorzugt) 

Ein- oder Mehrstufigkeit 

• Einordnung der Pflanzenanlagen in das Reinigungssystem. 



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Seite 4.4 

Free-Floating Macrophyte Treatment System 



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Seite 4.5 

• Eliminationsmechanismen 

Die Eliminationsmechanismen basieren auf 

- chemischen 

- physikalischen und 

- biologischen 

Vorgängen im Zusammenwirken von 

- Mikroorganismen 

- Substrat 

- Pflanzen, (Schilf, Binsen, Rohrkolben, Sumpfschwertlilie). 

- Mikroorganismen 

– Hauptarbeit beim Abbau von Wasserinhaltsstoffen 

- Substrat 

– Filtration 

– Adsorption 

- Höhere Wasserpflanzen unterstützen den Reinigungsvorgang 

– Luftgewebe....O 2 -Versorgung 

Sauerstoffreiche Zonen 

Sauerstoffarme Zonen 

– Durchlässigkeit 

Direkter Beitrag der Pflanzen zur Entfernung von Abwasserinhaltsstoffen: wenige % 

(abhängig von der Zuflusskonzentration) 

Elimination 

- Leicht- und schwer abbaubare organische Kohlenstoffverbindungen 

- Nährstoffe 

N.....Nitrifikation/Denitrifikation 

P.....Bindung an Fe, Al-Komplexe, Tonminerale, Huminstoffe 

- Schwermetalle 

- Keime 



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Seite 4.7 

• Leistung der Pflanzen 



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Seite 4.9 

• Bemessung (Sub-Surface Flow) 

FAUSTREGELN 

JOHANNSEN, BRIX (1996); 

Sauerstoffzufuhr 

30 g O 2 /m 2 . d 

COOPER et al. (1996): 

A = BSB 5 + NH 4 . 1,25 

30 

1 m 2 /EW ....... BSB 5 

2 m 2 /EW ....... Nitrifikation 

ÖSTERREICH 

4 m 2 /EW vertikal durchströmt Nitrifikation (ÖNORM B2505) 

Intervallbeschickung 

BERECHNUNG 

Ausgehend von der Gleichung 1. Ordnung 

Ce = Ci ⋅ exp (-k ⋅ t) 

Ce.....Ablaufkonzentration, mg/l 

Ci......Zulaufkonzentration, mg/l 

k.......Abbaukonstante, 1/d 

t........Aufenthaltszeit, d 

kann die Aufenthaltszeit ermittelt werden 

t = ln (Ci/Ce)/k. 

Die Oberfläche der Anlage errechnet sich nach folgender Beziehung: 

⎛lnCi 

− lnCe⎞ 

A = Q⎜ 

⎟ 

⎝ K ⎠ 

A......Oberfläche, m 2 

Q......Abwassermenge, m 3 /d 

K…..Abbaukonstante, m/d 



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Seite 4.10 

Gültigkeitsbereiche und Randbedingungen für Bemessungsformel (Brix, 1994) 

BSB5 TSS TN TP 

Flächenbeschickung m/d 0,02 – 0,2 0,02 – 0,2 0,02 – 0,2 0,02 – 0,2 

Konzentrationsbereich mg/l 30 – 450 50 – 500 5 – 120 2 – 20 

K m/d (m/Jahr) 0,13 (48) 0,15 (53) 0,038 (14) 0,023 (8) 

k (1/d) 1 – 2 - - - 

C* mg/L 3 3 2 0 

F = Q/k f .l 

B = Q/(k f x l x h) 

t = V n /Q = L x B x h x n/Q 

t = ln (Ci/Ce)/k 

F = erforderlicher Beetquerschnitt in m 2 

Q = Zufluß im m 3 /s 

k f = Durchlässigkeitsbeiwert im m/s im gesättigten Bodenkörper 

I = hydraulisches Gefälle in m/m (∆h/L) 

∆ h = Höhendifferenz zwischen Zu- und Ablaufwasserspiegel in m 

t = Aufenthaltszeit (d) 

V n = nutzbares Porenvolumen 

L = Beetlänge (m) 

B = Breite der Einrieselungskulisse (m) 

h = hydraulisch wirksame Beckentiefe (m) 

n = nutzbarer Porenanteil 

Ci = Ausgangskonzentration (mg/l) 

Ce = Ablaufzielkonzentration 

k = Abbaukonstante (1/d) 



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Seite 4.11 

• Ergebnisse 



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Seite 4.13 

Vertikal durchströmte Anlage 

Anlagenschema und Bodenaufbau 

Variante A, Datenreihe April 1993 bis Juni 1994 

Wie die Tab. zeigt, ist eine Nges-Elimination nur in sehr geringem Ausmaß gegeben. Im Hinblick auf die oft 

ungenügende Vorflutersituation stellt sich aber oft die Frage nach Steigerung der Stickstoffentfernung. Dafür 

bieten sich Verfahren an, wie sie aus der konventionellen Klärtechnik bekannt sind, nämlich vorgeschaltete 

(Rezirkulation) bzw. nachgeschaltete (bei entsprechender Versorgung mit Kohlenstoff) Denitrifikation. 

Stickstoffentfernungsraten bis zu 70 - 90% sind auf diese Weise möglich. 

Die Möglichkeiten einer P-Elimination (durch Fällung, Adsorption) sind eng an den Einsatz eines Substrats 

mit entsprechender Zusammensetzung gebunden, wobei - neben einem Gehalt an Eisen- und 

Aluminiumoxiden - vor allem der Kalziumgehalt für die stabile Festlegung entscheidend ist. 



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Seite 4.14 

• Normung: 

ÖNORM B2505 



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Seite 4.15 

4.3 Anaerobe Abwasserreinigung 

• Unterschiede zwischen aeroben und anaeroben Systemen 

AEROB 

ANAEROB 

Hoch Energiebedarf Nieder 

Nieder Restverschmutzung Hoch 

Hoch Biomasseentwicklung Nieder 

Nieder Schlammalter Hoch 

Stabil Prozessverlauf Labil 

Kurz Einfahrzeit Lang 

Hoch 

Energiedifferenz zw. Nieder 

Ausgangs- u. Endprodukt 

38 ATP Frei werdende Energie 4 ATP 

Ja Selbsterwärmung Nein 

Hoch Nährstoffbedarf Nieder 



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Seite 4.16 

• Mikrobiologie des Prozesses 



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Seite 4.20 

• Kinetik 

WACHSTUMSKINETIK 

- Wachstumsrate 

- Wachstumsrate – Substratkonzentration 

- Ertrag an Mikroorganismen 

KINETISCHE MODELLE DER FERMENTATION 

- Kontiunierliche Kultur 

- Kontinuierliche Kultur mit Schlammrückführung 

Zunahme der Zellzahl ist proportional der vorhandenen Zellzahl (Proportionalitätsfaktor µ = Wachstumsrate) 

dx = µ ⋅ x 

dt 

Reaktion 1. Ordnung 

dx = (µ - kd ) ⋅ x 

dt 

d....decay (Absterberate) 

dx = µ ⋅ x 

dt 

x = x o ⋅ e µ ⋅ t 

x = x o ⋅ 10 0,434⋅µ⋅t 

x = 

2 

x ⋅ e µ ⋅ tg 

tg....Generationszeit (d) ( = Biomasseverdoppelung) 

ln 2 

tg = µ 

0, 69 

= µ 



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Seite 4.22 

• Einflußfaktoren 

Temperatur 

Alter der Enzyme 

pH 

Säurekonzentration 

Redoxpotential 

Feststoffkonzentration 

Substratkonzentration 

Substratzusammensetzung 



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• Anwendung 



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Seite 4.27 

• Technische Realisierung 

Einstufig 

Mehrstufig 



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Seite 4.28 



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Seite 4.29 

1 Anaerobfilter 

2 Hochbelastete Aerobe Reinigung 

3 Anaerobes Kontaktverfahren 

4 Konventionelle Anaerobe Verfahren (mesophil) 

5 Schwachbelastete Aerobe Reinigung – Belebung 

6 Schwachbelastete Aerobe Reinigung - Tropfkörper 



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Seite 4.30 

• Vorversuche, Überwachung, Kontrolle 



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Seite 4.32 

4.4 Belüftung beim Belebungsverfahren 

• Grundlagen 

Aufgaben der Belüftung: - Abdeckung des Sauerstoffbedarfs 

- Umwälzung 

Sauerstoffbedarf 

OV = OV C + OV N (kg/m³ Becken ⋅ d) 

= 0,5 ⋅ B´R + 0,1 ⋅ TS R 

+ q R (4,6 ⋅ NO 3 – N A + 1,7 ⋅ N 2 – N D – 2,9 ⋅ NO 3 – N Z ) 

OV C Sauerstoffverbrauch infolge C-Oxidation (kg O 2 /m³ Becken ⋅ d) 

OV N Sauerstoffverbrauch infolge N-Oxidation (kg O 2 /m³ ⋅ d) 

B´R Abbauleistung (kg BSB 5 /m³ ⋅ d) 

TS R Schlammtrockensubstanz (kg/m³) 

q R 

Raumbeschickung (1/d) 

NO 3 -N A Nitratstickstoff im Ablauf (kg/m³) 

N 2 -N D Denitrifizierter Stickstoff (kg/m³) 

NO 3 -N Z Nitratstickstoff im Zulauf (kg/m³) 

Theorie der Sauerstoffzufuhr 

FICKsches Gesetz 

Die Geschwindigkeit der Diffusion im ruhenden Medium wird durch das FICKsche Gesetz angegeben: 

dQ − dc 

= A ⋅ D ⋅ 

dt 

dx 

In dieser Gleichung bedeutet: 

dQ 

dt 

A 

die in der Zeit diffundierte Stoffmenge 

Größe der Grenzfläche 

D Diffusionskonstante cm 2 /s 

dc 

dx 

Änderung der Konzentration pro Längeneinheit 



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Seite 4.33 

Reinwasser: - Trinkwasserqualität 

- < 800 µs/cm) (vor 1. Messung), (max. 3000 µs/cm) 

- > 4 o C 

Belebtschlamm: - ohne Abwasser- und Rücklaufschlammzufuhr 

- > 4 o C 

Standardbedingungen: - 20 o C 

- 1013,25 hPa 

- O 2 -Gehalt = 0 mg/l 

o o 

- (OC 20 C = 1,02 ⋅ OC 10 C ) 

Belüftungskoeffizient: k L a T bzw. αk L a T : 

Kennwert für die Leistung einer Belüftungseinrichtung, angegeben in h -1 . 

Er wird aus der Sauerstoffzufuhrmessung ermittelt. Bei gleicher Belüftungseinstellung steigt k L a T bzw. αk L a T 

mit steigender Temperatur. 

Es gilt: 

k L a 20 = k L a T ⋅ θ (20-T) 

Θ =1,024 

Standard-Sauerstoffsättigungswert: C ss,T 

Sauerstoffsättigungswert in Wasser bei konstanter und g leicher Temperatur von W asser und 

wassergesättigter Luft bei einem Druck von 1013,25 hPa, angegeben in mg/l. 



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Seite 4.34 

Sauerstoffsättigungswert: C s,T 

Sauerstoffsättigungswert in mg/l, der sich in einem Becken mit zehrungsfreiem Wasser bei konstanter 

Belüftung und konstanter Wassertemperatur T einstellt; 

Es gilt: 

C 

C s,20 = C s,T ⋅ 

C 

ss,20 

ss, 

T 

1013 

⋅ 

p 

Bei Oberflächenbelüftungssystemen kann näherungsweise 

C s,T = C ss,T 

gesetzt werden. Für die Druckluftbelüftung kann aufgrund vieler Erfahrungen näherungsweise der Druck bei 

halber Einblastiefe zur Berechnung des Sättigungswertes verwendet werden. 

Es gilt: 

C s,T = C ss,T ⋅ 

⎛ h E 

⎟ ⎞ 

⎜1 

+ 

⎝ 20, 7 ⎠ 



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Seite 4.35 

α-Wert; Grenzflächenfaktor: durch verschiedene Abwasserinhaltsstoffe, vorrangig grenzflächenaktive 

Stoffe bedingte, dimensionslose Veränderung von k L a. 

Bei sonst gleichen Bedingungen ist k L a im A bwasser bzw. in belebtem Schlamm meist kleiner als in 

Reinwasser. Der α-Wert ist definiert als: 

α = 

⎛k ⎜ L 

a 

⎝ k 

20 

L 

in belebtem Schlamm⎞ 

⎟ 

a in Reinwasser 

20 

⎠ 

ß-Wert; Salzfaktor; Faktor, der die Verringerung des Sauerstoffsättigungswertes durch Neutralsalze 

ausgedrückt. 

Es gilt: 

⎛ 

ß = ⎜ 

⎜ 

⎝ 

C s,20 

Wasser mit Salzen⎞ 

⎟ 

C Reinwasser ⎟ 

s,20 

⎠ 

In kommunalem Abwasser ist ß näherungsweise 1,0. Genauere Angaben enthält die ÖNORM EN 25814. 

Sauerstoffzufuhr in Reinwasser, OC : zeitbezogene Masse an Sauerstoff, die von einer 

Belüftungseinrichtung bei Standardbedingungen in einem mit Reinwasser gefüllten Becken bestimmer Größe 

gelöst wird, angegeben in kg/h. 

Es gilt: 

V ⋅ 

L 

a20 

⋅ C 

OC = 

1000 

k 

s,20 

Sauerstoffzufuhr in belebtem Schlamm αOC: zeitbezogene Masse an Sauerstoff, die von einer 

Belüftungseinrichtung bei Standardbedingungen in einem mit belebtem Schlamm gefüllten Becken 

bestimmter Größe gelöst wird, angegeben in kg/h. 

Es gilt: 

V ⋅αk L 

a ⋅ ß ⋅ Cs,20 

αOC = 

1000 

OC 

Sauerstoffertrag: OP = (kgO2 /kwh) 

P 

α OC 

αOP = 

P 



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Seite 4.36 

Spezifische Sauerstoffzufuhr 

OC L,h = 

OC 

⋅ 1000 (g/m³ ⋅ m) 

h 

Q L 

⋅ E 

Spezifische Sauerstoffausnutzung 

OA h = 

h 

100 ⋅ OC 

E 

⋅ Q 

L 

⋅ 

O 

2 

= 

OC L,h 

3 

(%/m) 

Grundlage der Verfahren 

Man unterscheidet zwischen Absorptions- und Desorptionsmessungen 

Desorptionsmessungen 

Es wird Sauerstoff aus dem Wasserkörper in die Gasphase transportiert. 

Der Gelöst-Sauerstoffgehalt sinkt nach Beginn, bis sich ein Gleichgewichtszustand zwischen der Gas- und 

Flüssigkeitsphase einstellt. 

Absorptionsmessungen 

Bei Absorptionsmessungen wird die Sauerstoffzufuhr aus dem Anstieg des zuvor künstlich abgesenkten 

Sauerstoffgehaltes bestimmt. 

Bei Reinwassermessungen wird durch Zugabe einer bestimmten Menge an Natriumsulfit der im Wasser 

gelöste Sauerstoff gebunden. 

Reagenzien: 

8kg Na 2 SO 3 für 1kg O 2 

Cobaltkatalysator 

(Überdosierung wegen Vorlaufzeit) 

∼ 0,5 g/m³ (einmalig) 



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Seite 4.37 

Notwendige Vorbereitungsmaßnahmen 

Festlegung des Ablaufes 

Notwendige Messungen: 

Sauerstoffgehalt 

Temperatur 

Luftvolumenstrom 

Leistungsaufnahme 

Wasservolumen 

Atmung 

Schlammtrockensubstanz 

Schlammvolumen 

Glühverlust 

Auswertung 

Bei Adsorptions- und Desorptionsmessungen erhält man Wertepaare C t , t. Aus diesen Wertepaaren werden 

die Parameter C O , C s bzw. C* und k L bzw. αk L a durch nichtlineare Regression aus den Werten C t , t ermittelt. 

Verwendet wird zB ein Programm von Brown und Fisette (sh. ATV-Merkblatt 209). 

Meßtoleranzen: 

k L a ± 5% 

αk L a ± 15% 

C s ± 3% 

P ± 3% 

Luftvolumenstrom ± 5% 

Garantien: meist OC, OP 



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Seite 4.38 

Graphische Auswertung 

dc = kL a (c s – c t ) 

dt 

Durch Integration: c s – c t = Konst. e -k L a ⋅ t 

k L a = 2,303 

log (c 

s 

- c 

2 

t 

) 

2 

- log (c 

- t 

1 

s 

- c 

1 

) 

(c s – c 2 ) / (c s – c 1 ) = 1/10....t 90% (Zeit, in der das Sättigungsdefizit um 90 % abnimmt) 

k L a = 

2,303⋅ 60 

t 90% 

138,18 

= 

t 

90% 

OC = k ⋅ c s (g/m³ ⋅ h) 



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Seite 4.39 

• Konventionelle Belüftungssysteme 

Druckluft / Oberflächenbelüfter 



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Seite 4.40 

Kombinierte Systeme 



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Seite 4.41 

• Optimierungsmöglichkeiten bei der Sauerstoffzufuhr 

- Dimensionierung der Belüftungssysteme 

- Anpassung der Sauerstoffzufuhr an den Sauerstoffbedarf 

- Weiterentwicklung 

- Verschiedene andere Methoden 

Dimensionierung des Belüftungssystems 

OC = 

c 

s 

cs 

- c x 

⋅ OV 

OV = CONST. 

T [ o C] c x [mg/l] OC [%] 

10 2 

5 

20 2 

5 

100 

147 

100 

172 



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Seite 4.42 

Steuerung 



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Seite 4.43 

Weiterentwicklung 

OC = k ⋅ c s ⋅ α ⋅ ß 

Einflußgrößen: Grenzfläche Luft – Wasser 

Temperatur 

Druck 

belüftetes Medium 

Beckenform 

Belüftungssystem 

Belüfteranordnung 



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Seite 4.44 



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Seite 4.45 



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Seite 4.46 



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Seite 4.47 

4.5. Neue Wege der Stickstoffelimination 

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Sonderverfahren der Biologischen 

Stickstoffemlimination 

Praxisumsetzung der Deammonifikation in Österreich 

17.11.04 Institut für Siedlungswasserbau, Industriewasserwirtschaft und Gewässerschutz 

1

Trends in der Abwassertechnik 

‚Energy efficiency in wastewater treatment‘ 

• Ursachen: Klimawandel, begrenzte fossile Energieträger 

• Massnahmen: 

– Hohe Reinigungsleistung (z.B. MBR) 

– Optimierung der Biogasproduktion (z.B. Voreindickung, Vorbehandlung,..) 

– Biogasverstromung (Effizienz gestiegen von 25% auf 40%) 

– Optimierung der Belüftung 

– Erhöhung der Pumpeneffizienz 

– Energieautarkie 

– N-Elimination (z.B. Deammonifikation) 

– P-Elimination (begrenztes Dargebot) 


2

N- Elimination 

• Nitrifikation? Ammonium wird zu Nitrat oxidiert und verbleibt in AW. 

Aerober Prozess, autotroph, langsam, sensibel, läuft in zwei Teilstufen ab. 

→ brauche Sauerstoff, genügend Alkalinität, Wärme/Zeit 

• Denitrifikation? Nitrat wird zu N 2 reduziert und entweicht gasförmig. 

Anaerober (anoxischer) Prozess, heterotroph, schneller, robust. 

→ brauche Nitrat und organischen Kohlenstoff 


3

Verfahrenstechnische Umsetzung 

• Reaktoren 

• Messtechnik und Prozessregelung 

Problem mit Deni: Dort wo Kohlenstoff noch kein Nitrat, wenn Nitrat 

produziert, ist auch der Kohlenstoff weg – wie lösen? 

• Vorgeschaltete Denitrifikation (Nitrat rückführen) 

• Nachgeschaltete Denitrifikation (Kohlenstoff zugeben) 

• (Simultane Nitri-Deni) 


4

Grenzen / Herausforderungen des klassischen Verfahrens 

• Großer N/C – Verhältnisse z.B. bei AW von Schlachthöfen, 

Zuckerindustrie, aus Klärschlammbehandlung verhindern ausreichende 

Denitrifikation 

• Hohe NH 4 /NH 3 Konzentrationen z.B. bei Deponiesickerwässern und 

anaerob vorbehandelten Abwässern verursachen Hemmung der 

Nitrifikation 

• Rückbelastung aus anaerober Schlammbehandlung (Faulung) macht 

bis 25% der Gesamtbelastung bei kommunalen KAs aus! 


5

„Neue“ Stoffwechselwege zur biologischen N-Elimination 

• Bilanzdefizite – Ursache? 

• mikrobiologische Forschung an Reinkulturen → klassische Definition 

von Nitri - Deni nicht mehr aufrecht zu erhalten 

• ⇒ „Neue“ Wege möglich: 

• Heterotrophe Nitrifikation / aerobe Denitrifikation 

• Nitri / Deni durch Ammonium- bzw. Nitritoxidierer 

• Anaerobe Ammoniumoxidation / 

Denitrifikation durch Planctomyceten 


6

Anaerobe Ammoniumoxidation (ANAMMOX) 

• Anaerobe Oxidation von NH4 mit NO2 → N2, NO3 als Endprodukte 

• 1 NH 4 

+ 

+ 1,32 NO 2 

- 

+ 0,066 HCO 3 

- 

+ 0,13 H + 1,02 N 2 + 0,26 NO 3 

- 

+ 0,066 CH 2 O 0,5 N 0,15 + 2,03 H 2 O 


7

ANAMMOX- Hintergrund 

• Verhältnis NH 4 -Verbrauch : NO 2 -Verbrauch : NO 3 -Produktion = 1 : 1,31 : 0,22 

• „ANAMMOX“ - Organismus: Planctomycetales 

• Wachstumsrate ~ 1 / 10 der aeroben NH 4 - Oxidierer 

• spez. Aktivität ~ 1 / 7 der aeroben NH 4 - Oxidierer 

• Hemmung durch höhere O2 jedoch reversibel 

• → Kopplung aerobe Nitritation mit ANAMMOX → NO 2 als Elektronenakzeptor 

für anaerobe NH 4 - Oxidierer ( Planctomycetales und NH 4 - Oxidierer in einem 

Reaktor) 

• N - Bilanz 

• Nitritation: 1NH 4 

+ 

+ 2,1O 2 

- 

1,4NO 2 

- 

+ 1,4H 2 O + 2,8H + 

• anaer. NH 4 -Oxid.: 1,1NH 4 

+ 

+ 1,4NO 2 

- 

1,15N 2 + 0,2NO 3 

- 

+ 2,2H 2 O 

• Canon /Demon: 2,5NH 4 

+ 

+ 2,1O 2 

- 

1,15N 2 + 0,2NO 3 

- 

+ 3,6 H 2 O + 2,8H + 


8

ANAMMOX- Hintergrund: Energie und Kosten 


9

Verfahrenstechnische Nutzung der „neuen“ Stoffwechselwege 

• Insbesondere: hoher N - Gehalt; hohes N / C - Verhältnis 

• Verwendung autotropher MO mit Deni - Fähigkeit: 

• Vorteile gegenüber klassicher Nitri / Deni: 

• vermindeter O 2 - Bedarf 

• kein C - Bedarf 

• verminderte Schlammproduktion 

• vielversprechende Verfahren: 

• NO x - Verfahren 

• ANAMMOX - Verfahren (SHARON / ANAMMOX) 

• Deammonifikation (CANON / DEMON) 


10

Implementierungsmöglichkeiten – Einsatz beim AIZ 


11

ANAMMOX- Check-List 

• Richtiges Verhältnis Nitrit zu Ammonium 

• Nitrat- Produktion (Nitratation) muss verhindern werden – Hemmung, Konkurenz 

• Ausreichende Quelle anorganischer Kohlenstoff (Alkalinität – Bikarbonat) 

• Anammoxbiomass im System halten (hohe Schlammalter) 

• Nitritoxidierer auswaschen (niedriges Schlammalter) 

• Ansätze zur Umsetzung: 

• 2 Reaktoren: zuerst Nitritation und dann Anammox 

• 1 Reaktor: abwechselnd Nitritation und Anammox 

• Prozessregelung mithilfe von Sauerstoff oder pH-Wert 


12

ANAMMOX – Umsetzung 

• Anwendungsfall: Prozesswasser aus Schlammbehandlung (nach 

Faulung, aus Kammerfilterpresse) 

• AW – Charakteristik: NH 4 ca. 1700 mg/L, hohe Alkalinität, wenig org. 

C, T=30°C; bei 150.000 EW – Anlage ca. 160 m 3 /d d.s. 270 kg/d 

• Deammonifikationskonzept als einstufige Anlage im Aufstaubetrieb 

(SBR) und pH-Wert-Regelung 

• Pilotierungen und Umbau der Hochlaststufe (500 m3 + Speicher) 

• Betrieb seit ca. 5 Jahren 


13

Implementierung– Betrieb beim AIZ 


14

Implementierung– Betrieb beim AIZ 


15

Temperatur- Nitritakkumulation 


16

O 2 - Nitritakkumulation 


17

DEMON – SBR: pH, Sauerstoff und Menge 


18

ANAMMOX- Zusammenfassung: Check-List 

• Richtiges Verhältnis Nitrit zu Ammonium – pH-Wert, Sauerstoff, Belüftung 

• Nitrat- Produktion (Nitratation) muss verhindern werden – Hemmung, Konkurenz – 

hohe Temperatur und niedriges Sauerstoffniveau 

• Ausreichende Quelle anorganischer Kohlenstoff (Alkalinität – Bikarbonat) – im 

Prozesswasser ausreichend vorhanden 

• Anammoxbiomass im System halten (hohe Schlammalter) - Zyklon 

• Nitritoxidierer auswaschen (niedriges Schlammalter) – ‚Schwere‘ 

Anammoxgranulen setzen schneller ab (getrennte Schlammalter) 


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DEMON – Zusammenfassung: Leistung 

• NH 4 und NO 2 als Substrate 

• bei Behandlung von Schlammwasser: 

• N - Elim: 0,5-1,5 kg N / m³ * d 

• Vorteil gegenüber klassicher Nitri / Deni: 

• 60% verminderter O 2 - Bedarf 

• 100% verminderter Bedarf an org. C 

• 90% verminderte Überschussschlammproduktion 

• N-Elimination um ca. 90% 

• Rückbelastung aus Schlammbehandlung stark reduziert 

• Kapazitätserhöhung der Gesamtanlage 


20

Ausblick 

• Vermehrte Anwendung Prozesswasser 

• Kompaktanlagen für kleiner KAs 

• Hauptstromdeammonifikation 

• Berücksichtigung Klimarelevanz (N 2 O vs 

Energieeinsparung) 

• CO 2 -Footprints 

• Energie-netto-positiver Anlagenbetrieb 

• Weitere Anwendungsbereiche: Industrie, 

Deponiesickerwässer… 


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skriptum 811.300 kapitel 4 abwasserreinigung / 27.01.2012

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