Schaumentwicklung in kommunalen Kläranlagen:
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| Format: | Thesis Book |
| Language: | German |
| Published: |
Aachen
Ges. zur Förderung der Siedlungswasserwirtschaft an der RWTH Aachen
2000
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| Series: | Gewässerschutz, Wasser, Abwasser
179 |
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| Online Access: | Inhaltsverzeichnis |
| Physical Description: | IX, 196 S. Ill., graph. Darst. |
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| adam_text | Titel: Schaumentwicklung in kommunalen Kläranlagen
Autor: Li, Hai-Qing
Jahr: 2000
Inhaltsverzeichnis______________________________________________Seite
Verzeichnis der Abbildungen IV
Verzeichnis der Tabellen XIII
1 Einleitung 1
2 Ziel der Arbeit 4
3 Grundlagen und bisherige Erkenntnisse zur Schaumentwicklung
in kommunalen Kläranlagen 6
3.1 Schaumentwickiung in kommunalen Kläranlagen und
Charakterisierung der Schäume 6
3.2 Bisher erkannte Einflußfaktoren der Schaumbildung 10
3.2.1 Einfluß der abwasser- und verfahrenstechnischen
Parameter auf die Schaumbildung 10
3.2.1.1 Einfluß der Abwasserbeschaffenheit 10
3.2.1.2 Einfluß der Verfahrenstechnik der Abwasserbehandlung 12
3.2.1.3 Abwassertemperatur 21
3.2.2 Biologische Zusammenhänge der Schaumbildung 23
3.2.2.1 Veränderungen der Biozönose in Abhängigkeit von der
Schlammbelastung 23
3.2.2 2 Übermäßiges Wachstum bestimmter Fadenbakterien als
Ursache für die Ausbildung von Schäumen 27
3.2.2.3 Beteiligung nicht-fädiger Bakterien an die Schaumbildung 30
3.2.3 Chemische Untersuchungen zur Erkennung der Ursachen
für die vermehrte Schaumbildung in kommunalen
Kläranlagen 31
3.3 Erkenntnisse zum Vorkommen und der Elimination anthropogener
und biogener Tenside in Kläranlagen 36
3.3.1 Vorkommen und Elimination anthropogener Tenside 36
3.3.2 Biogene Tenside 44
3.4 Schaumbekämpfungsmaßnahmen 52
3.4.1 Allgemeine Maßnahmen 53
3.4.2 Gezielte Maßnahmen der Schaumbekämpfung 55
Inhaltsverzeichnis_______________________________________________Seite
4 Untersuchungen zur Schaumentwicklung 61
4.1 Planung der Untersuchungen 61
4.2 Umfrage zum Vorkommen von Schäumen in kommunalen
Kläranlagen 62
4.2.1 Durchführung 62
4.2.2 Ergebnisse der Umfrage 63
4.3 Praktische Untersuchungen zum Vorkommen von Schäumen
in kommunalen Kläranlagen 67
4.3.1 Beschreibung der ausgewählten Anlagen 67
4.3.2 Auswertung der zur Verfügung gestellten Betriebsdaten 68
4.3.3 Bewertung eigener abwassertechnischer Untersuchungen 76
4.3.3.1 Allgemeine Anmerkungen zu eigenen praktischen
Untersuchungen 76
4.3.3.2 Ergebnisse der Untersuchungen allgemeiner
abwassertechnischer Parameter 79
4.3.4 Mikroskopische Differenzierungen der Belebtschlämme 82
4.3.4.1 Durchführung der Untersuchungen 82
4.3.4.2 Untersuchungsergebnisse 83
4.3.5 Anthropogene und biogene Tenside und deren Metaboliten
in schäumenden Anlagen 87
4.3.5.1 Beschreibung der analytischen Methoden zum Nachweis
oberflächenaktiver Substanzen 88
4.3.5.2 Ergebnisse der Tensidbestimmungen in realen Proben
(Summenparameterbestimmung entsprechend den
Deutschen Einheitsverfahren (DEV)) 93
4.3.5.3 Nachweis und Quantifizierung von Tensiden mittels
substanzspezifischer Untersuchungsverfahren 96
4.3.5.3.1 Semiquantitative und quantitative Bestimmung anthropoge-
ner Tenside mittels substanzspezifischer Verfahren 97
4.3.5.3.2 Nachweis und Identifizierung anthropogener Tenside 102
4.3.5 3.3 Anreicherung von Tensiden in Schäumen 106
4.3.5 3.4 Nachweis biogener Tenside im Abwasserreinigungsprozeß 109
Inhaltsverzeichnis______________________________________________Seite
4.4 Labortechnische Untersuchungen zur Schaumentstehung 126
4 4.1 Vorüberlegungen 126
4.4.2 Beschreibung der Versuchsanlagen 127
4.4.3 Versuchsdurchführung 127
4.4.4 Versuchsergebnisse 130
4.4.4.1 Einfluß von Oleaten auf das Wachstum von Microthrix
parvicella und die Schaumentwicklung 130
4.4.4.2 Einfluß von Tensiden unterschiedlicher Herkunft auf das
Wachstum von Microthrix parvicella bzw. auf die Schaum-
bildung 135
5 Vergleichende Gegenüberstellung eigener Ergebnisse mit Daten aus
der Literatur 142
5.1 Erklärungsversuche zur Schaumentstehung 142
5 2 Einflußfaktoren zur verstärkten Schaumbildung auf Kläranlagen 147
5.2.1 Betriebsbedingungen 147
5.2.2 Fadenförmige Bakterien 150
5.2.3 Zusammenhang zwischen Tensidgehalt und Schaum-
bildung 155
6 Planerische und betriebliche Maßnahmen bei übermäßiger Schaum-
entwicklung in kommunalen Kläranlagen 162
7 Zusammenfassung 164
Literaturverzeichnis 169
Anhang 182
Verzeichnis der Abbildungen________________________________________Seite
Abbildung 3-1: Querschnitt durch einen Schaum 7
Abbildung 3-2: Biologisch bedingte Schäume auf dem Belebungsbecken
einer kommunalen Kläranlage mit Nährstoffelimination 8
Abbildung 3-3: Abhängigkeit des Schlammvolumenindex von der Abwasser-
temperatur im Belebungsbecken der Kläranlage Gümmerwald 22
Abbildung 3-4: Konkurrierendes Wachstum zweier Organismenarten mit
unterschiedlichem Wachstumsverhalten in Abhängigkeit von
der Substratkonzentration 26
Abbildung 3-5: Mikroskopische Aufnahme eines typisch biologischen
Schaumes 28
Abbildung 3-6: Proteinkonzentrationen im durchmischten Schlamm bzw. im
Schaum einer kommunalen Kläranlage 33
Abbildung 3-7: Quotient aus BSB5-Schlammbelastung und Schlamm-
belastung durch Fette sowie Tensidkonzentrationen eines
ausgewählten Abwassers 34
Abbildung 3-8: Enzymatische Angriffspunkte beim Primärabbau von Tensiden 43
Abbildung 3-9: Struktur des Lipopeptid-Tensids „Surfactin , isoliert aus
Bacillus subtilis 45
Abbildung 3-10: Struktur eines Ornithin Lipids, produziert von Pseudomonas
rubescens 46
Abbildung 3-11: Allgemeine Molekülstruktur der aus Mikroorganismen
isolierten Phospholipide 50
Abbildung 3-12: Allgemeine Molekülstruktur aus Mikroorganismen isolierter
Corynomycolsäuren 51
Abbildung 4-1: Schaumbildung in Abhängigkeit vom Betriebsverfahren und
der Schlammbelastung 64
Abbildung 4-2: Einfluß der Jahreszeit auf die Schaumbildung in Kläranlagen 65
Abbildung 4-3: Zusammenhang zwischen der Schaumbildung und der
Schlammbelastung bzw. den pH-Werten in der Kläranlage
Niederkassel in Abhängigkeit von der Jahreszeit 70
Abbildung 4-4: Abhängigkeit der Absetzeigenschaften des Belebtschlamms
von der Temperatur des Abwassers im Belebungsbecken 71
Abbildung 4-5: Zeitlicher Verlauf der Nährstoffverhältnisse CSB/NH4-N und
CSB/PO4-P im Zulauf der Kläranlage Niederkassel 72
Abbildung 4-6: Der Einfluß der Schaumbildung im Belebungsbecken auf die
Stickstoffelimination in der Kläranlage Niederkassel 73
Abbildung 4-7: Der Einfluß der Schaumbildung auf die Kohlenstoff- und
Phosphorelimination in der Kläranlage Niederkassel 74
Abbildung 4-8: Vorgehensweise bei der Probenahme, Probenaufbereitung
und Untersuchung der Proben schäumender Kläranlagen 78
Abbildung 4-9: Mittelwerte und Schwankungsbereiche der Parameter CSB,
TOC und NgeS-N im Zulauf, Schaum und Ablauf 80
Abbildung 4-10: Mittelwerte und Schwankungsbereiche der oTS- und Nges-N-
Gehalte korrespondierender Schaum- und Belebtschlamm-
phasen 81
Abbildung 4-11: Typische Erscheinungsformen von Schlämmen und
Schäumen während (a) nicht-schäumender und (b-c)
chäumender Phasen 87
Abbildung 4-12: ESI-FIA/MS(-)-Übersichtsspektren der Eluate der Cia-Fest-
phasenextrakte (SPE) des Zulaufs (a) und des Ablaufs (b) der
KA Eilendorf 103
Abbildung 4-13: APCI-FIA/MS(+)-Übersichtsspektren der Eluate der Ci3-Fest-
phasenextrakte (SPE) des Zulaufs (a) und des Ablaufs (b) der
KA Eilendorf 104
Abbildung 4-14: APCI-FIA/MS(+)-Übersichtsspektrum des Eluats der Cia-Fest-
phasenextrakte (SPE) des durch Zentrifugation
erhaltenen Schaumwassers der KA Eilendorf 107
Abbildung 4-15: APCi-FIA/MS(-)-Übersichtsspektrum des Eiuats der C,8-Fest-
phasenextrakte (SPE) des durch Zentrifugation
erhaltenen Schaumwassers der KA Eilendorf 107
Abbildung 4-16: FIA/MS(+)-Übersichtsspektrum des Zentrifugats einer
Schaumprobe der Kläranlage Niederkassel mit Ionen von
nichtionischen Tensiden 112
Abbildung 4-17: APCI-LC/MS(+) Totalionenstromchromatogramrn (RIC) aus
dem Extrakt des Schaumes der Kläranlage Niederkassel
nach RP-Cia-Trennung 112
Abbildung 4-18: APCI-LC/MS(+) Massenspektren der Signale 1-3 aus dem TIC
des Schaumes der Kläranlage Niederkassel 113
Abbildung 4-19: LC/MS/MS-Spektrum des Elternions m/z 392 114
Abbildung 4-20: LC/MS/MS-Spektrum des Elternions m/z 554 114
Abbildung:4-21. Allgemeine Strukturformel anthropogener Alkylpolyglykoside 115
Abbildung 4-22: FIA/MS-Übersichtsspektrum der Polyglykosidhomologen nach
LC-Fraktionierung des Schaumextrakts aus der
Kläranlage Niederkassel 115
Abbildung 4-23: GC/MS Totalionenstromchromatogramm der oxidativen
Abbauprodukte (Carbonsäuren) des Primärabbauprodukts
„Alkanol aus dem biochemischen Abbau nichtionischer
Alkylpolyglykolether 117
Abbildung 4-24: FIA/MS(-)-Übersichtsspektrum mit vermuteten Primärabbau-
produkten des LAS aus dem Extrakt des Schaumes der Klär-
anlage Aachen-Brand 119
Abbildung 4-25: LC-Trennung mit UV-DAD und MS(-) Detektion der Primär-
abbauprodukte von LAS aus dem Extrakt des Schaumes der
Kläranlage Aachen-Brand 120
Abbildung 4-26: LC/MS/MS(-)-Tochterionen des ausgewählten LAS-
Abbauprodukts m/z 309 121
Abbildung 4-27: Tochterionensspektrum des LAS-Homologen mit m/z 311,
aufgenommen im FIA/MS/MS(-) Modus 121
Abbildung 4-28: Schematische Darstellung eines verwendeten
Versuchsreaktors 127
Abbildung 4-29: Zeitliche Aufgliederung des Abwasserreinigungsprozesses
nach dem SBR-Verfahrens Bitte Abbildungsnummer
überprüfen 128
Abbildung 4-30: Zeitliche Entwicklung des Schlammindex sowie Veränderung
der Gesamtfädigkeit und Häufigkeit des Vorkommens von
Microthhx pan/icelia im Reaktor ohne Zugabe von Oleaten 133
Abbildung 4-31: Zeitliche Entwicklung des Schlammindex sowie Veränderung
der Gesamtfädigkeit und Häufigkeit von Microthrix parvicella
im Reaktor 2 unter Zugabe von Oleaten 134
Abbildung 4-32: Zeitliche Entwicklung des Schlammindex sowie Veränderung
der Gesamtfädigkeit und Häufigkeit des Vorkommens von
Microthrix parvicella in dem als Referenzanlage betriebenen
Reaktor 1 139
Abbildung 4-33: Zeitliche Entwicklung des Schlammindex sowie Veränderung
der Gesamtfädigkeit und Häufigkeit des Vorkommens von
Microthrix parvicella im Reaktor 2 unter Zugabe von Tensiden 139
Abbildung 4-34: Zeitliche Entwicklung des Schlammindex sowie Veränderung
der Gesamtfädigkeit und Häufigkeit des Vorkommens von
Microthrix parvicella im Reaktor 3 unter Zugabe von
Textilabwasser 140
Abbildung 4-35:
Abbildung 5-1:
Abbildung 5-2:
Abbildung 5-3:
Abbildung 5-4:
Abbildung 5-5:
Schaumbildung bei der Zugabe von Textilabwasser im
Reaktor 3 141
Einflußfaktoren und ihr Zusammenwirken bei der Bildung
biologischer Schäume auf Belebungsbecken 143
Typische Mischbiozönose im Schaum einer zur Phosphoreli-
mination nach dem Bio-P-Verfahren ausgelegten Kläranlage 151
Fragmentierungsschema (a) und El-Massenspektrum (b) des
Trimethylsilylesters einer hypothetischen Mycolsäure aus
Nocardia-Zellen 153
Fotografische Darstellung der durch hydrophobe Bakterien
eingefangenen Gasbläschen 154
Gegenüberstellung der gram-gefärbten Biozönosen im
durchmischten Belebtschlamm und im Schaum der KA AC-
Soers; Links: Belebtschlamm; rechts: Schaumprobe mit
deutlicher Anreicherung von Microthrix parvicella 154
Verzeichnis der Tabellen
Seite
Tabelle 3-1: Durchschnittliche Fädigkeit und prozentualer Anteil der Anlagen
mit einer Fädigkeit 3,0 14
Tabelle 3-2: Repräsentative abwassertechnische Daten der Kläranlage
Dietikon (Schweiz) 19
Tabelle 3-3: Repräsentative abwassertechnische und mikrobiologische Daten
der Kläranlage Dietikon (Schweiz) 20
Tabelle 3-4: Leitorganismen unterschiedlich belasteter Belebungsanlagen
nach Schürmann 24
Tabelle 3-5: Häufig vorkommende fadenförmige Bakterien in Kläranlagen mit
Kohlenstoff- bzw. Nährstoffelimination 27
Tabelle 3-6: Wichtige Eigenschaften und Parameter von Microthrix parvicella 29
Tabelle 3-7: Schematische Darstellung der unterschiedlichen Tensidklassen 38
Tabelle 3-8: Verbrauchsmengen der WRMG-relevanten Tenside (Wasch-
und Reinigungsmitteigesetz) im Jahr 1997 in der Bundesrepublik
Deutschland 39
Tabelle 3-9: Abbaubarkeit anthropogener Tenside im kontinuierlichen
Kläranlagensimulationstest nach DIN38412, Teil 26 42
Tabelle 3-10 Wichtige Vertreter von Glycolipide 48
Tabelle 3-11: Möglichkeiten der Schaumbekämpfung durch Zugabe
chemischer und biochemischer Zusätze 60
Tabelle 4-1: Grundlegende Betriebsdaten der zur Untersuchung
ausgewählten vom Schaumereignis betroffenen Anlagen 68
Tabelle 4-2: Mittelwerte, Konzentrationsbereiche und Anzahl n der auf die
Parameter CSB, TOC und Nges-N untersuchten Proben des Zu-
laufs, Ablaufs und des Schaum der Kläranlagen Niederkassel,
AC-Eilendorf. AC-Brand, AC-Soers und Hürth 79
Tabelle 4-3: Einstufung der Fädigkeit in Schaum- und Schlammproben 83
Tabelle 4-4: Wachstum und Ausprägung der Fadenbakterienpopulationen
in den Kläranlagen Niederkassel, AC-Eilendorf, -Brand, -Soers
und Hürth während unterschiedlicher Phasen der
Schaumentwicklung 84
Tabelle 4-5: Tensidgehalte in schäumenden und/oder mit Schwimmschlamm
bedeckten Anlagen. Bestimmung mittels DEV H 23 und H 20 94
Tabelle 4-6: Semiquantitative, substanzspezifische Ergebnisse der
Bestimmung nichtionischer und anionischer Tenside in drei Klär-
anlagen mit Schaumprobiemen 98
Tabelle 4-7: Quantitative, substanzspezifische Ergebnisse der Bestimmung
nichtionischer und anionischer Tenside in drei Kläranlagen mit
Schaumproblemen 100
Tabelle 4-8: Mittlere Zulaufkonzentrationen x, Anzahl der Proben n und
Standardabweichungen s der untersuchten Parameter ohne
bzw. mit Oleat-Aufstockung 131
Tabelle 4-9: Mittelwerte der Betriebsparameterbestimmungen der Reaktoren
über einen Betriebszeitraum von 45 Tagen 131
Tabelle 4-10: Zu- und Ablaufkonzentrationen ausgewählter Parameter und
deren Eliminationsraten bei der Abwasserreinigung mit und ohne
Oleat-Zugabe 132
Tabelle 4-11: Übersicht über die Betriebsbedingungen bei Versuchen zur
Induzierung von Schaum 136
Tabelle 4-12: Mittlere Konzentrationen der Parameter CSB, NH4-N, Nges-N und
Pges-P im Zulauf, Anzahl der Proben n und Standard-
abweichungen s 136
Tabelle 4-13: C, N, P-Mittelwerte der Abläufe und Eliminationsleistungen bei
der Untersuchung des Einflusses von Tensiden bzw. Textilab-
wasser auf das Wachstum von Microthrix parvicella 137
Tabelle 5-1: Gegenüberstellung über das Vorkommen fädiger Bakterien in
den schäumenden Anlagen und in den Anlagen mit Kohlenstoff-
elimination 152
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