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Die alternde Infrastruktur, das Bevölkerungswachstum und die steigenden Anforderungen an die Reinigungsleistung stellen grosse Herausforderungen für die Modernisierung der Abwasserreinigungsanlagen (ARA) in der Schweiz dar. Derzeit sind 58% der Schweizer ARA konventionelle Belebtschlammanlagen, die kontinuierlich durchflossen werden [1]. Die Kapazität dieser Anlagen wird häufig durch die Absetzleistung des Schlamms begrenzt, die in der Regel starken saisonalen Schwankungen unterliegt. Der Einsatz von Technologien mit verdichtetem bis hin zu granuliertem (Belebt-)Schlamm (DAS, für Densified Activated Sludge) ist eine attraktive Option, um die Anlagenkapazität ohne Vergrösserung der Beckenvolumina zu erhöhen. Die Granulierung verbessert die Absetzbarkeit des Schlamms und ermöglicht so den Betrieb mit höheren Trockensubstanz-Konzentrationen (TS).
In kontinuierlich durchflossenen ARA wird die Granulierung sowohl durch die Anpassung der Betriebsbedingungen, welche die Verdichtung des Schlamms begünstigen, als auch durch eine physikalische Selektion der dichtesten Schlammanteile mithilfe von Hydrozyklonen erreicht. Dabei wird der schlecht absetzbare Schlamm aus dem Überlauf des Zyklons aus dem System abgezogen, während der gut absetzbare Schlamm aus dem Unterlauf in die Belebung zurückgeführt wird.
Seit 2015 haben mehrere ARA in der Schweiz eine DAS-Technologie (inDENSE® oder S::Select®) implementiert. Während einige Anlagen bereits vielversprechende Ergebnisse bei der Verdichtung aufweisen, befinden sich andere noch in der Startphase. Der Granulierungsfortschritt der verschiedenen ARAs sowie die Betriebsbedingungen, die zur Bildung von Granulen geführt haben, sind jedoch noch weitgehend unbekannt. Ziel der vorliegenden Studie ist es daher, eine Bestandsaufnahme der Verdichtung auf diesen ARA zu erstellen. Folgende Fragen wurden behandelt:
Im Frühjahr 2025 wurden Messkampagnen auf den ARA Blindei, Glarnerland, Gossau, Höfe, Laufäcker, Morgental, Neugut, Schönau, Untermarch und Werdhölzli durchgeführt, die durch zusätzliche Betriebsdatenerhebungen ergänzt wurden. Während die ARA Glarnerland bereits 2015 die ersten Hydrozyklone in Betrieb genommen hat (im Rahmen einer Pilotierung), befinden sich einige andere Anlagen noch in einem frühen Stadium der Pilotierung. Die ARA Werdhölzli hatte im Frühjahr 2025 noch keine Hydrozyklone in Betrieb, aber bereits Betriebsbedingungen geschaffen, welche die Granulierung fördern sollten.
Der Grad der Schlammverdichtung wurde einerseits visuell mit Hilfe von Mikroskopie, andererseits durch Quantifizierung des Anteils an Feststoffen mit einer Grösse von mehr als 200 µm beurteilt. Die visuellen Beobachtungen zeigten bei allen untersuchten ARA runde, dichte Granulen (Fig. 1). In einigen Anlagen (Neugut, Höfe) wiesen die Granulen glatte Oberflächen auf, während in anderen (Morgental) eine heterogenere Oberflächenstruktur zu beobachten war. Fadenartige Strukturen oder dunkelbraune Aggregate wurden zusammen mit Granulen in mehreren Anlagen (Neugut, Schönau und Untermarch) beobachtet.
Die Feststofffraktion > 200 µm, definiert als «Granulenfraktion», variierte stark zwischen den einzelnen ARA (Fig. 2). Hohe Anteile (> 50%) wurden auf den ARA Blindei, Gossau, Morgental und Untermarch gemessen, wobei letztere den höchsten Wert (60 ± 8%) aufwies. Im Gegensatz dazu wiesen die ARA Schönau, Neugut, Laufäcker und Höfe geringe, aber dennoch nicht zu vernachlässigende Granulenanteile auf (< 20%).
Der Einfluss der Granulierung auf die Sedimentation wurde durch die Überwachung des Schlammvolumenindex nach 30 Minuten (SVI30) und der Absetzgeschwindigkeit während der gehemmten Sedimentation bewertet (Fig. 3). Ein wesentliches Ergebnis ist, dass die Absetzeigenschaften von verdichtetem Schlamm vom Granulenanteil des Schlamms abhängen. Je höher dieser Anteil ist, desto besser sind die Absetzeigenschaften (niedrigere SVI30 und höhere Absetzgeschwindigkeiten).
Niedrige SVI30-Werte von 40 bis 70 ml/gTS wurden bei Granulenanteilen von über 40% gemessen. Ebenso stieg die Absetzgeschwindigkeit proportional zum Granulenanteil an, von etwa 2 bis 4 m/h bei 20% Granulenanteil bis zu 6 m/h bei höheren Anteilen. Diese Ergebnisse zeigen, dass ein Granulenanteil von mehr als 40% erforderlich ist, um optimale Absetzeigenschaften des Schlamms zu erreichen. Der Betrieb von Systemen mit verdichtetem Schlamm unterhalb dieses Schwellenwertes schöpft das Potenzial der Technologie somit nicht voll aus.
Die SVI30-Werte von verdichtetem Schlamm wurden mit denen von konventionellem Belebtschlamm jeder ARA verglichen (nach/vor Hydrozyklon; Fig. 4 links). Die durchgezogenen und gestrichelten Linien zeigen keine Verbesserung beziehungsweise eine 25%ige und 50%ige Verringerung des SVI30 an. Es wurden nur Daten von 2024 oder früher berücksichtigt.
Im Durchschnitt wurde der SVI30 um etwa 20% gesenkt. Die deutlichsten Reduktionen wurden bei der ARA Glarnerland (-45%) und der ARA Neugut (-32%) beobachtet, denjenigen Anlagen mit den höchsten anfänglichen SVI30-Werten. Auf der ARA Morgental war der in verdichtetem Schlamm gemessene SVI30 höher als derjenige in Belebtschlamm, wobei die Vorher-Nachher-Daten aus unterschiedlichen Jahren stammten. Die ARA Blindei zeigte ebenfalls keine Verbesserung des SVI30, was aber auf die hervorragende anfängliche Absetzbarkeit des Schlamms zurückzuführen ist (SVI30 ≈ 50 ml/gTS).
Zu beachten ist, dass nicht die mittleren, sondern die saisonal schlechtesten Absetzeigenschaften massgebend für die Kapazität der Nachklärung sind, da das System hydraulische Spitzen und hohe Feststofffrachten während den kritischsten Zeiten im Jahr verkraften muss (oft im Winter). Daher ist es von entscheidender Bedeutung, die Verbesserung der Absetzeigenschaften durch verdichteten Schlamm im Jahresverlauf zu bewerten, wie bei der ARA Neugut (Fig. 4 rechts). In Neugut, Laufäcker und Glarnerland wurden winterliche SVI30-Reduktionen von rund 70%, 45% bzw. 55% beobachtet.
Eine zentrale Fragestellung ist die Identifikation der Faktoren, die zu den beobachteten markanten Verdichtungsunterschieden zwischen den einzelnen ARA führen.
Die Verdichtung beruht darauf, dass der Schlamm aufeinanderfolgenden Phasen mit wechselndem Nährstoffangebot von Überfluss und Mangel ausgesetzt wird (Feast/Famine-Regime). In der Überflussphase soll die Substrataufnahme (CSB für chemischer Sauerstoffbedarf) auf Kosten des Bakterienwachstums maximiert werden, was optimiert wird, wenn das Abwasser unter anaeroben Bedingungen (ohne Sauerstoff und Nitrat) per Pfropfenströmung eingeleitet wird. Unter diesen Bedingungen sind die Bakterien hohen CSB-Konzentrationen ausgesetzt, die sie in Form von intrazellulären Polymeren anreichern, ohne die Möglichkeit zum Wachstum. In der Mangelphase (aerob) wachsen diese Mikroorganismen aus den gespeicherten Verbindungen und werden so selektiert. Die Präsenz von Mikroorganismen, die Polyphosphat (Polyphosphate-Accumulating Organisms, PAO) oder Glykogen (Glycogen-Accumulating Organisms, GAO) akkumulieren, wird daher oft als notwendige Bedingung für die Verdichtung dargestellt. Im Mai 2025 wurde der Zusammenhang zwischen Verdichtung und Abundanz von PAO und GAO mikrobiell untersucht (Fig. 5).
In der Mehrzahl der ARA wurde keine Anreicherung von PAO oder GAO beobachtet mit kumulierten relativen Häufigkeiten von unter 10%. PAO und GAO waren insbesondere im Schlamm der ARA Blindei, Untermarch und Morgental nicht vorhanden, obwohl diese die höchsten Granulenanteile (> 49%) aufwiesen. Im Gegensatz dazu wurden die höchsten Abundanzen in Neugut beobachtet, wo die Granulierung begrenzt war (13%). Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass streng anaerobe Bedingungen und die gezielte Anreicherung akkumulierender Mikroorganismen in den meisten untersuchten Anlagen nicht erreicht wurde. Diese Ergebnisse stimmen auch mit der Überwachung der Nitratkonzentrationen innerhalb der Selektoren überein, aus welchen sich ableiten lässt, dass strikt anaerobe Bedingungen im Laufe des Jahres nur vorübergehend erreicht werden, insbesondere im Sommer [2, 3].
Diese Beobachtungen deuten darauf hin, dass die Anwesenheit von PAO und GAO zwar die Granulenbildung erleichtern kann, ihre Selektion für die Schlammverdichtung jedoch nicht zwingend erforderlich ist. Aerobe heterotrophe oder denitrifizierende Bakterien können die Granulenbildung ebenfalls unterstützen. In einer Studie aus den USA [4] wurde mit aeroben Selektoren eine signifikante Verdichtung (44%) beobachtet, sofern der CSB effektiv in die Aggregate diffundieren konnte. Das wird begünstigt, wenn das Abwasser einen hohen Anteil an gelöstem CSB aufweist und im Selektor nur wenig verdünnt wird.
Die CSB-Fraktionen des Abwassers im Ablauf der Vorklärung wurden charakterisiert, um zwischen nicht diffusionsfähigem CSB (partikulär > 1,5 µm und kolloidal 0,45-1,5 µm) und diffusionsfähigem CSB (echt gelöster CSB, nach Flockung auf 0,45 µm gefiltert) zu unterscheiden. Alle ARA wiesen eine sehr ähnliche CSB-Zusammensetzung auf (Tab. 1), mit einem Gesamt-CSB von 305 ± 45 mgCSB/l, der überwiegend aus partikulärem CSB (141 ± 20 mgCSB/l) bestand, gefolgt von echt gelöstem CSB (91 ± 17 mgCSB/l) und kolloidalem CSB (72 ± 17 mgCSB/l). Flüchtige Fettsäuren (VFA), die die Verdichtung begünstigen, waren in sehr geringen Konzentrationen (0 bis 32 mgCSB/l) vorhanden. Insgesamt war die Zusammensetzung des Abwassers in Kombination mit den TS-Konzentrationen in den Selektoren (0,16 bis 0,60 gCSBgelöst/(oTS ⋅ d); oTS: organische Trockensubstanz) sehr ungünstig für die Granulierung.
| CSBtotal | CSBpartikulär (>1,5µm) |
CSBkolloidal (0,45-1,5µm) |
CSBgelöst (geflockt und über 0,45µm gefiltert) |
Flüchtige Fettsäuren | |
| mgCSB/l | mgCSB/l | mgCSB/l | mgCSB/l | mgCSB/l | |
| Blindei | 236 | 116 | 56 | 64 | 1 |
| Glarnerland | 335 | 172 | 73 | 90 | 2 |
| Höfe | 248 | 112 | 60 | 76 | 0 |
| Laufäcker | 282 | 152 | 53 | 77 | 2 |
| Morgental | 323 | 144 | 70 | 109 | 10 |
| Neugut | 332 | 143 | 79 | 110 | 32 |
| Schönau | 307 | 141 | 74 | 92 | 9 |
| Untermarkt | 382 | 154 | 110 | 118 | 14 |
| Werdhölzli | 297 | 134 | 76 | 87 | 16 |
Unsere Ergebnisse liefern erste Erkenntnisse darüber, welche Faktoren die Verdichtung in den untersuchten ARA begünstigt oder eingeschränkt haben könnten. Es mag der Eindruck entstehen, dass die für eine robuste Granulierung in kontinuierlich durchflossenen Systemen erforderlichen Betriebsbedingungen nicht eindeutig identifiziert werden konnten. In Wirklichkeit sind die für die Granulierung in kontinuierlichen Systemen notwendigen Bedingungen gut bekannt, sofern die in SBR (Sequencing Batch Reactors) etablierten Schlüsselprinzipien teilweise übertragen werden.
In SBR führt die Beschickung des Abwassers am Reaktorboden direkt in das abgesetzte Schlammbett zu schnellen Verdichtungskinetiken (Fig. 6). In einem Labor-SBR stieg der Granulenanteil innerhalb von zwei Monaten auf über 60%, während er nach über einem Jahr Pilotbetrieb auf der ARA Neugut nur 13% erreichte.
Einige ARA dieser Studie werden unter Bedingungen betrieben, die teilweise denen eines bodenbeschickten SBR ähneln (Tab. 2). In Morgental, Untermarch und im Glarnerland wird der Unterlauf des Hydrozyklons vor dem Selektor mit frischem Abwasser vermischt, was den Granulen einen Selektionsvorteil verschafft. In Blindei, Höfe und Werdhölzli begrenzt die Vermischung von Abwasser und Schlamm vor dem Selektor die Verdünnung und fördert die CSB-Diffusion (Fig. 7). So wurden in den Referenzstrassen Blindei (21%) und Werdhölzli (15%) trotz fehlender Hydrozyklone beachtliche Granulenanteile beobachtet; in Blindei erhöhte sich dieser Anteil durch den Einbau eines Hydrozyklons auf 50%. In Gossau begünstigt ein hohes Längen-Breitenverhältnis des Selektors ebenfalls pfropfenähnliche Strömungsbedingungen, während Neugut und Schönau ohne diese Konfigurationen nur eine begrenzte Granulierung zeigten.
| Einmischung Abwasser und RLS vor dem Selektor biologisch |
Direkte Zugabe Hydrozyklon- |
Abwasser-Injektion am Boden des Selektors biologisch |
Zugabe Abwasser und RLS am selben Einspeisepunkt in den Selektor |
Pfropfenströmung entlang des Selektors |
|
| Blindei | Ja | Nein | Ja | Ja | Nein |
| Glarnerland | Nein | Ja | Nein | Nein | Nein |
| Gossau | Nein | Nein | Nein | Nein | Ja |
| Höfe | Ja | Nein | Ja | Ja | Nein |
| Laufäcker | Nein | Nein | Ja | Nein | Nein |
| Morgental | Nein | Ja | Nein | Ja | Nein |
| Neugut | Nein | Nein | Nein | Nein | Nein |
| Schönau | Nein | Nein | Nein | Nein | Nein |
| Untermarch | Nein | Ja | Nein | Nein | Nein |
| Werdhölzli | Ja | n.z. | Ja | Ja | Nein |
Viele weitere Vorteile, die mit verdichtetem Schlamm verbunden sind, müssen noch genauer untersucht werden.
Um eine robuste Verdichtung zu erreichen, empfehlen wir Pilotierungen, um die Übertragung der Schlüsselprinzipien sequenzieller Systeme (SBR) auf kontinuierliche Systeme zu untersuchen, einschließlich: (i) Einmischen des Abwassers mit Rücklaufschlamm und Selektor-Unterlauf, (ii) Zugabe dieser Mischung am Boden des Selektors und (iii) Kombination mit intermittierendem Rühren
Die Auswahl nitrifizierender Bakterien (Ammonia-and Nitrite-Oxidizing Bacteria, AOB und NOB) ist ein weiterer Aspekt, der bewertet werden muss. Unsere ersten Messungen zeigen deutlich höhere relative Häufigkeiten von AOB und NOB in Systemen mit verdichtetem Schlamm (3,7 ± 1,2% bzw. 8,9 ± 4,3%) im Vergleich zu den Werten, die in konventionellem Belebtschlamm auf Schweizer ARA gemessen wurden (0,5% bzw. 1,3%) [5]. Kleine Granulen im DAS könnten einen günstigeren und stabileren Lebensraum für nitrifizierende Bakterien bieten, indem sie die saisonalen Übergänge zwischen Nitrospira und Nitrotoga spp. (zwei NOB-Bakterienarten, die für die Oxidation von Nitrit zu Nitrat verantwortlich sind) einschränken und das Risiko eines teilweisen Versagens der Nitrifikation verringern.
Eine höhere und stabilere Abundanz nitrifizierender Bakterien könnte auch die winterliche Nitrifikation stärken, indem sie die saisonale Ansammlung von Nitrit begrenzt - ein Vorteil, der bereits auf der ARA Blindei beobachtet wurde, aber noch bestätigt werden muss. Eine robuste Nitrifikation ist besonders relevant für die Reduzierung der Lachgasemissionen (N2O), die eng mit der Nitritakkumulation verbunden sind und etwa zwei Drittel des betrieblichen CO2-Fussabdrucks von Schweizer ARAs ausmachen. Darüber hinaus erhöht eine gesteigerte Nitrifikationskapazität die betriebliche Flexibilität, indem sie beispielsweise die Anpassung des aeroben/anoxischen Volumenverhältnisses oder die Optimierung intermittierender Belüftungsstrategien ermöglicht. Diese Hebel könnten die Stickstoffelimination im Einklang mit künftigen gesetzlichen Anforderungen verbessern und gleichzeitig zur Reduzierung der N2O-Emissionen beitragen.
Nur wenige ARAs haben ihre DAS-Systeme mit signifikant höheren TS-Konzentrationen betrieben als konventionelle Belebtschlammsysteme, da das Hauptziel häufig darin bestand, eine robuste Absetzbarkeit des Schlamms zu gewährleisten, und die vorhandenen Anlagenkapazitäten als ausreichend erachtet wurden. Der Betrieb von DAS mit hohen TS-Konzentrationen ist jedoch unerlässlich, um das Potenzial der Technologie voll auszuschöpfen. Wir empfehlen daher die Durchführung gezielter Pilotierungen in Anlagen, in denen ein Betrieb mit höheren TS-Gehalten in Frage kommt, um die tatsächlichen Vorteile der DAS unter intensivierten Belastungsbedingungen zu quantifizieren und um weitere betriebliche Erfahrungen zu sammeln.
[1] VSA (2023): Kosten und Leistungen der Abwasserentsorgung
[2] Shilyaeva, E. et al. (2026): Boues densifiées: Retour d'expérience de la STEP de Neugut. Aqua & Gas 2 /2026: 46-51
[3] Fumasoli, A et al. (2024): InDense®-Verfahren für granulierten Schlamm - Erfahrungen und Erkenntnisse aus einem einjährigen Pilotversuch auf der ARA Gossau-Grüningen. Aqua & Gas 1/2024: 32-39
[4] Wei, S. P. et al. (2020): Flocs in disguise? High granule abundance found in continuous-flow activated sludge treatment plants. Water Res 179. DOI:
[5] Dueholm, M. K. D. et al. (2022): MiDAS 4: A global catalogue of full-length 16S rRNA gene sequences and taxonomy for studies of bacterial communities in wastewater treatment plants. Nat Commun 13(1): 1908
Wir danken allen Mitarbeitenden der ARA Neugut, Laufäcker, Schönau, Blindei, Untermarch, Höfe, Glarnerland, Morgental, Gossau und Werdhölzli herzlich für die Unterstützung dieser Studie und die ausgezeichnete Zusammenarbeit. Für weitere Informationen zu den Messmethoden können Sie sich gerne an die Eawag wenden (nicolas.derlon@eawag.ch).
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