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Die alternde Infrastruktur, das Bevölkerungswachstum und die allmählich steigenden Anforderungen an die Qualität der Einleitungen stellen grosse Herausforderungen für die Modernisierung der Kläranlagen (ARA) in der Schweiz dar. Derzeit sind 58% der Schweizer ARA konventionelle Belebtschlammanlagen, die im Durchlaufverfahren betrieben werden [1]. Die Kapazität dieser Anlagen wird häufig durch die Absetzleistung des Schlamms begrenzt, die in der Regel starke saisonale Schwankungen aufweist. Der Einsatz von Technologien mit verdichtetem respektive granuliertem (Belebt-)Schlamm (DAS, für Densified Activated Sludge) ist eine attraktive Option, um die Aufbereitungskapazitäten ohne Vergrösserung des Beckenvolumens zu erhöhen. Die Granulierung verbessert die Absetzbarkeit des Schlamms und ermöglicht so den Betrieb mit höheren Konzentrationen an Schwebstoffen (SSM).
In Durchlaufanlagen wird die Granulierung sowohl durch die Anpassung der Betriebsbedingungen, die die Verdichtung der Aggregate begünstigen, als auch durch eine physikalische Selektion der dichtesten Aggregate mithilfe von Hydrozyklonen erreicht. Der Überlaufschlamm mit schlechter Absetzbarkeit wird abgepumpt, während der Unterlaufschlamm mit guter Absetzbarkeit in den Kopf der Anlage zurückgeleitet 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 Anlaufphase. Die Granulierungsleistung dieser 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 Datenerhebungen ergänzt wurden. Während die ARA Glarnerland bereits 2015 die ersten Hydrozyklone in Betrieb genommen hat (Pilot), befinden sich einige andere Anlagen noch in einem frühen Stadium der Pilotierung. Die ARA Werdhölzli hatte im Frühjahr 2025 noch keine Hydrozyklone in Betrieb genommen, aber bereits Betriebsbedingungen geschaffen, die die Granulierung fördern sollten.
Der Grad der Schlammverdichtung wurde mit Hilfe stereomikroskopischer Beobachtungen und durch Quantifizierung des Anteils an Feststoffen mit einer Grösse von mehr als 200 µm (Schwebstoffmessungen) 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 ARAs Blindei, Gossau, Morgental und Untermarch gemessen, wobei letztere den höchsten Wert (60 ± 8%) aufwies. Im Gegensatz dazu wiesen die ARA Schönau, ARA Neugut, ARA Laufäcker und ARA Höfe geringe, aber dennoch nicht zu vernachlässigende Granulenanteile auf (< 20%).
Der Einfluss der Granulierung auf die Sedimentation wurde durch die Überwachung des 30-Minuten-Schlammvolumenindex (SVI30) und der behinderten Sedimentationsgeschwindigkeit (Fig. 3) bewertet. Ein Schlüsselergebnis ist, dass die Absetzeigenschaften von verdichtetem Schlamm von der Granulenfraktion des Schlamms abhängen. Je höher diese Fraktion ist, desto besser ist die Absetzbarkeit (niedrigere SVI30 und höhere gehinderte Sedimentationsgeschwindigkeiten).
Niedrige SVI30-Werte von 40 bis 70 ml/gGUS wurden bei Granulenanteilen von über 40% gemessen. Ebenso stieg die gehinderte Sedimentationsgeschwindigkeit proportional zum Granulenanteil an, von etwa 2 bis 4 m/h bei 20% Granulen 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 dieser Schwelle schöpft das Potenzial der Technologie 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 bzw. 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, die die höchsten anfänglichen SVI30-Werte aufwiesen. Auf der ARA Morgental war der in verdichtetem Schlamm gemessene SVI30 höher als der in Belebtschlamm, wobei die Vorher-Nachher-Daten aus unterschiedlichen Jahren stammten. Die ARA Blindei zeigte ebenfalls keine Verbesserung des SVI30, was auf die hervorragende anfängliche Absetzbarkeit des Schlamms zurückzuführen ist (SVI30 ≈ 50 ml/gGUS).
Doch wird die Klärleistung einer Nachklärung von den ungünstigsten Absetzbedingungen bestimmt, da das System hydraulische Spitzen und hohe Feststofffrachten während der kritischsten Zeiten des Jahres verkraften muss. Daher ist es von entscheidender Bedeutung, die Absetzgewinne durch verdichteten Schlamm während der ungünstigsten Jahreszeiten 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 Frage ist, die Faktoren zu identifizieren, die die beobachteten markanten Unterschiede in der Verdichtung zwischen den verschiedenen ARA erklären.
Die Verdichtung beruht darauf, dass der Schlamm aufeinanderfolgenden Überfluss- und Hungerphasen ausgesetzt wird (Feast/Famine-Regime). In der Überflussphase soll die Substrataufnahme (CSB, chemischer Sauerstoffbedarf) auf Kosten des Bakterienwachstums maximiert werden, was optimiert wird, wenn das Abwasser unter anaeroben Bedingungen (ohne Sauerstoff und Nitrate) per Kolbenströmung 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 Hungerphase (aerob) wachsen diese Mikroorganismen aus den gespeicherten Verbindungen und werden so selektiert. Die Auswahl 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, was durch kumulierte relative Abundanzen < 10% angezeigt wurde. 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 Auswahl akkumulierender Mikroorganismen in den meisten untersuchten Anlagen nicht etabliert wurden. Diese Ergebnisse stimmen mit der Überwachung der Nitratkonzentrationen innerhalb der Selektoren überein, aus der sich ablesen 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 mit löslichem CSB belastet ist und im Selektorvolumen nur wenig verdünnt wird.
Die CSB-Fraktionen des Abwassers am Ausgang der Vorklärung wurden charakterisiert, um zwischen nicht diffusionsfähigem CSB (partikulär > 1,5 µm und kolloidal 0,45-1,5 µm) und diffusionsfähigem CSB (echt löslicher 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 wirklich löslichem 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 sehr geringen Massenfrachten in den Selektoren (0,16 bis 0,60 gCSBfiltriert,löslich /(gSGV ⋅ j); SGV: flüchtige Stoffe in Suspension) sehr ungünstig für die Granulierung.
| CSBtotal | CSBpartikulär (>1,5µm) |
CSBkolloidal (0,45-1,5µm) |
CSBgefiltert,löslich (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 verschiedenen untersuchten ARA begünstigt oder eingeschränkt haben könnten. Es mag der Eindruck entstehen, dass die für eine robuste Granulierung in Durchflusssystemen 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 Einspeisung 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 Wettbewerbsvorteil 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 Referenzlinien 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 kolbenähnliche Bedingungen, während Neugut und Schönau ohne diese Konfigurationen nur eine begrenzte Granulierung zeigten.
| Vormischung Abwasser - RAS vor dem Separator biologisch |
Abwasser-Vormischung - Hydrozyklon-Unterlauf |
Abwasser-Injektion am Boden des Selektors biologisch |
Abwassermischung - Rücklauf Schlamm am selben Einspeisepunkt in den Selektor |
Kolbenfluss 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 Pilotstudien, um die Übertragung der Schlüsselprinzipien sequentieller Systeme (SBR) auf kontinuierliche Systeme (CF) zu bewerten, einschließlich: (i) Vormischen des Abwassers mit Rücklaufschlamm oder Granulen, (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 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 in der Blindei ARA beobachtet wurde, aber noch bestätigt werden muss. Eine solche Robustheit der Nitrifikation ist besonders relevant für die Reduzierung der Lachgasemissionen (N2O), die eng mit der Nitritakkumulation verbunden sind und etwa zwei Drittel der betrieblichen CO2-Äq-Emissionen von Schweizer ARAs ausmachen. Darüber hinaus erhöht eine erhöhte Nitrifikationskapazität die betriebliche Flexibilität, indem sie beispielsweise die Anpassung des aeroben/anoxischen Volumenverhältnisses oder die Optimierung intermittierender Belüftungsstrategien ermöglicht. Diese Hebel könnten die Entfernung von Gesamtstickstoff (NT) 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 GUS-Konzentrationen betrieben als konventionelle Belebtschlammsysteme, da das Hauptziel häufig darin bestand, eine robuste Absetzbarkeit des Schlamms zu gewährleisten, und die vorhandenen Aufbereitungskapazitäten als ausreichend erachtet wurden. Der Betrieb von DAS mit hohen GUS-Werten ist jedoch unerlässlich, um das Potenzial der Technologie voll auszuschöpfen. Wir empfehlen daher die Durchführung dedizierter Pilotstudien in Anlagen, in denen ein Betrieb mit höheren GUS-gehalten in Frage kommt, um die tatsächlichen Vorteile der DAS unter intensivierten Belastungsbedingungen zu quantifizieren und um betriebliche Rückmeldungen zu generieren, die bislang noch fehlen.
[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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