ARA rüsten um

Interessanterweise wiesen alle beobachteten Kläranlagen einen saisonal bedingten Rückgang des Anteils von granuliertem Schlamm auf. Dieser Anteil hatte zu Beginn des Jahres Spitzenwerte erreicht und war im Juni und Juli auf einen Tiefpunkt gesunken. Anschliessend erholte er sich wieder und erreichte etwa das vorherige Niveau. Der Grund für diese Beobachtung ist noch unklar. Ergebnisse einer Laborstudie, in der die Granulenbildung und -stabilität bei niedrigen und hohen Temperaturen verglichen wurden (10 °C und 25 °C), zeigten, dass die bei 10 °C gebildeten Granulen stabiler waren als die bei 25 °C gebildeten. Yuan et al. (2023) [7] kamen zu Schluss, dass dieser Effekt durch Veränderungen in der Zusammensetzung der Bakteriengemeinschaft verursacht wurde.

Ein weiterer Index für den Granulierungszustand, der ursprünglich vom inDENSE®-Verfahrenslieferanten stammt, bildet das TS-Verhältnis von Belebtschlamm aus dem Hydrozyklon-Unterlauf zum -Oberlauf. Die Messdaten zeigen, dass dieses Verhältnis bei Anlagen mit höheren Anteilen an verdichtetem Schlamm über 3 lag (Fig. 2). Mit zunehmender Granulierung steigt auch die Belebtschlammfracht an, die über die Hydrozykloneinheit im System zurückgehalten wird. Ein zu hoher Anteil an granuliertem Schlamm, wie er beispielsweise im Januar 2025 mit etwa 70% im Belüftungsbecken der ARA Blindei angetroffen wurde, kann zu Schwierigkeiten beim Abzug von Überschussschlamm über den Hydrozyklon führen. Um das TS-Verhältnis wieder zu reduzieren, muss der Überschussschlamm auf konventionelle Weise abgezogen werden, wodurch die Granulen aus dem System entfernt werden.

Insgesamt wurden in den Kläranlagen Verbesserungen des Schlammvolumenindexes als Reaktion auf höhere Anteile an verdichtetem Schlamm beobachtet (Fig. 3). Die grösste Verbesserung trat bei einem Anteil an granuliertem Schlamm ab ca. 40% auf. Bei niedrigem Granulenanteil (<20%) wurden erwartungsgemäss stark variierende SVI-Werte beobachtet (Fig. 3B). Ab einem Granulenanteil von 20–40% haben sich die SVI-Werte auf ca. 50–100 ml/g stark reduziert. Die Anlagen mit der höchsten Granulierung (> 40%) hatten die tiefsten und stabilsten Indices erreicht (deutlich < 80 ml/g; ARA Untermarch, ARA Gossau-Grüningen, ARA Blindei). Letzteres stellt eine Verbesserung um 50% gegenüber der üblichen Auslegung mit einem SVI von 120 ml/g dar [9]. Auf der ARA Blindei, wo die Absetzeigenschaften ohnehin gut sind, weist die Strasse mit granuliertem Schlamm in der Nebensaison weniger starke Schwankungen der SVI-Spitzen auf. Ähnliche Beobachtungen von stärkeren, relativen Verbesserungen des SVI bei widrigen Bedingungen wurden beispielsweise während der Pilotierung auf der ARA Neugut gemacht [10]. Hervorzuheben ist ausserdem, dass selbst ein Gleichgewichtszustand mit einem SVI von 100 ml/g, wie er auf der ARA Glarnerland beobachtet wurde, eine signifikante Verbesserung gegenüber einem SVI von >200 ml/g darstellt, der in Glarnerland ohne granulierten Schlamm regelmässig erreicht wurde.

Im Vergleich zu den Daten aus der Referenzstudie in der Wasseraufbereitungsanlage von Dijon [6] wurde insgesamt ein ähnliches Verhalten des Schlammvolumenindex in Abhängigkeit vom Granulierungsgrad beobachtet (Fig. 3B). Allerdings wurden auf der ARA Morgental Abweichungen bei hohem ausgewiesenem Granulierungsgrad festgestellt. Punktuell traten aber auch auf anderen ARA Abweichungen auf, unabhängig vom Granulierungsgrad. Dies hängt zum Teil mit der Methodik zur Fraktionierung des Schlamms in Kombination mit den anlagenspezifischen Schlammeigenschaften zusammen. Während der Schlamm an einigen Standorten gut fraktionierbar war und die Fraktion >200 µm fast ausschliesslich aus typischen Granulen bestand (Fig. 4A), wies der fraktionierte Schlamm anderer ARA, obwohl er bis zu einem gewissen Grad verdichtet war, ein flockenartigeres Aussehen auf (Fig. 4B). Er war enger mit anderen Partikeln verflochten, was zu einer weniger klar definierten Fraktion und letztlich zu einem höheren Granulenanteil im Vergleich zu den erstgenannten Schlämmen führte. Darüber hinaus tragen das saisonale Vorkommen und die unterschiedliche Verteilung von Fadenbakterien zu einer stärkeren Verflechtung der Schlämme bei. Es soll deshalb hervorgehoben werden, dass eine Gesamtbeurteilung des Granulierungszustandes nicht nur den Anteil an granuliertem Schlamm, sondern auch das mikroskopische Bild sowie das Verhältnis von TS-Unterlauf zu TS-Oberlauf betrachten sollte.

Zu den wesentlichsten Faktoren, die die Schlammgranulierung beeinflussen, gehört die Zuflusskonzentration von CSB, insbesondere biologisch leicht abbaubare Formen wie flüchtige Fettsäuren. Letztere können in den Granulenkern diffundieren und somit das Bakterienwachstum in dichten Aggregaten besser gewährleisten [11, 12]. Daten aus den untersuchten Kläranlagen zeigen, dass die Konzentrationen an CSBtot (gesamter CSB) ab der Vorklärung zwischen 170 und 284 mg/l lagen (Mittelwert: 238 mg/l; Fig. 5A). Überraschenderweise waren diese trotz der zuvor festgestellten Unterschiede im Granulierungsgrad in allen Kläranlagen vergleichbar. Detailliertere Analysen der verschiedenen CSB-Fraktionen ergaben, dass sich die Zusammensetzung im Zulauf verschiedener Schweizer ARA kaum unterscheidet [10]. Insgesamt entsprechen diese Werte den typischen Konzentrationen, die in kommunalen Abwässern in der Schweiz zu erwarten sind. Daher wird geschlussfolgert, dass in der Schweiz eine Kontrolle des CSB-Gradienten, dem granulierte Biomasse ausgesetzt wird, vor allem durch Anpassungen der Anlagenkonfiguration und der Prozessparameter erreicht werden muss.

Ein wichtiger Prozessparameter zur Steuerung der CSB-Konzentrationsgradienten in der ersten Zone der biologischen Behandlung bietet sich in der Rate, mit welcher der Rücklaufschlamm im Verhältnis zum kommunalen Zufluss gefördert wird. Da der Rücklaufschlamm an organischen Stoffen verarmt ist, führen hohe Rücklaufraten zu einer Verdünnung des CSB im Zufluss, wodurch sich der CSB-Gradient abschwächt. Um dem entgegenzuwirken, beinhaltet die Umsetzung dieses Verfahrens oft die Reduzierung der Rücklaufschlammrate auf das (Fig. 5B). Im Rahmen von Optimierungen wurde die Rate auf der ARA Glarnerland in Abhängigkeit der Zuflussmenge auf 0,6–0,75 eingestellt. Die ARA Höfe, die anfangs begrenzt erfolgreich granulierte, verzeichnete die höchste Rate. Insgesamt lässt sich in diesem Kontext allerdings nicht aufgrund eines bestimmten Verhältnisses auf den Granulierungsgrad des Schlamms schliessen.

Neben der Anpassung des RLS/Zulauf-Verhältnisses besteht zur Steuerung der CSB-Gradienten die Möglichkeit, die erste Zone der Biologie zu verkleinern oder Rücklaufschlamm und Zufluss aus der Vorklärung direkt zu vermischen. Mit einer kleineren ersten Zone wird der Zulauf insgesamt weniger verdünnt und somit der Gradient gegenüber den nachfolgenden Zonen verstärkt. Durch die Vermischung der beiden Ströme vor ihrer Einleitung in den Hauptreaktor kann dieser Effekt zusätzlich verstärkt werden. Ebenso wird es als förderlich erachtet, den Unterlauf der Hydrozykloneinheit nicht direkt in die Biologie zu leiten, sondern beispielsweise dem Zufluss aus der Vorklärung zuzuführen. Eine weitere Möglichkeit ist die Anbringung einer Einmischzone am Kopf des Reaktors. Dadurch verbessert sich die Exposition der granulierten Biomasse gegenüber dem leichter verfügbaren organischen Kohlenstoff weiter. Eine solche Konfiguration findet sich in der ARA Blindei sowie in Höfe (Fig. 6).

Fallstudie ARA Höfe

Von den seit Einführung des Verfahrens intensiver untersuchten Kläranlagen kann die ARA Höfe weitere Erkenntnisse darüber liefern, wie die Prozessparameter zur Unterstützung der Granulierung optimiert werden können. Nach dem oben beschriebenen anfänglichen Maximum wurde ein unerklärlicher Rückgang des Anteils an granuliertem Schlamm beobachtet (Fig. 1). Dies könnte auf mehrere sich gegenseitig nicht ausschliessende Faktoren zurückzuführen sein. Da der Rückgang mit dem Zeitraum des saisonalen Rückgangs in anderen Kläranlagen zusammenfiel, wurde eine saisonale Komponente angenommen. Darüber hinaus wies die ARA Höfe jedoch im Vergleich zu anderen Anlagen eine geringere CSB-Zulaufkonzentration (Fig. 2) in Verbindung mit einem höheren RLS/Zulauf-Verhältnis auf (Fig. 3). Um die beiden letztgenannten Probleme anzugehen, wurden drei wesentliche Optimierungsschritte in enger Zusammenarbeit mit dem Verfahrenshersteller durchgeführt (Tab. 2). Aus den bereits beschriebenen Gründen wurde das Verhältnis von RLS/Zulauf auf ca. 0,6-fache des Zuflusses gesenkt. Darüber hinaus wurde von einem kontinuierlichen auf ein intermittierendes Rühren in der unbelüfteten Zone umgestellt. Dadurch kann sich der Schlamm absetzen und die direktere Exposition gegenüber dem Zufluss aus der Vorklärung wird verbessert. Dieser wird aufgrund der Einlasskonfiguration zum Boden des Reaktors geleitet (Fig. 6). Es wird auch erwartet, dass der ungerührte Schlamm eine erhöhte Hydrolyse aufweist, wodurch die Verfügbarkeit an organischen Substanzen erhöht wird. Obwohl die gleichzeitigen Änderungen keine separate Bewertung der Auswirkungen der einzelnen Schritte zulassen, wuchs der Anteil des granulierten Schlamms nach deren Umsetzung rasch auf etwa 32% in der Biologie an und übertraf damit den bisherigen Höchstwert von ca. 18% (Fig. 1). Gleichzeitig wurde eine deutliche Verbesserung der Absetzbarkeit des Schlamms beobachtet (SVI im Herbst ca. 55 ml/g; Fig. 7).

Fazit

Zusammenfassend zeigt diese Studie, dass das Verfahren mit verdichtetem Schlamm in der Schweiz erfolgreich in verschiedenen Kläranlagen umgesetzt werden konnte. Nach einer Einlaufzeit von sechs bis zwölf Monaten kann bei erreichtem Gleichgewichtszustand mit einem Anteil von 20 bis 60% granuliertem Belebtschlamm gerechnet werden. Dabei ist wichtig zu beachten, dass die erzielten Gleichgewichtszustände relativ zu den Startbedingungen zu sehen sind, und dass innerhalb eines Jahres saisonale Schwankungen auf allen Anlagen beobachtet wurden. Aufgrund der präsentierten Daten lässt sich schlussfolgern, dass bei Granulenanteilen zwischen 20 und 40% ein SVI zwischen 50 und 100 ml/g erreicht wurde. Bei höheren Anteilen an verdichtetem Belebtschlamm nimmt die Variabilität im SVI ab, wodurch ein stabiler SVI von

Bibliographie

[1] Meyer, A.; Biermann, K. (2021): Bessere Schlammeigenschaften mit S::Select®, Entwicklung und Betriebserfahrungen des neuen Verfahrens auf der ARA Glarnerland. Aqua & Gas Nr. 9: 68-72

[2] Twerenbold, S. et al. (2024): Verfahren mit granuliertem Schlamm – ARA Blindei: Erkenntnisse aus der Projektausführung, Inbetriebnahme und Einfahrphase. Aqua & Gas Nr. 1: 40-45

[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 Nr. 1: 32-39

[4] Baggenstos, M.; Joller, N. (2024): Aerober granulierter Schlamm mit Nereda: ARA Sarneraatal hat fünf Jahre Betriebserfahrung. Aqua & Gas Nr. 4: 61–65

[5] Pons, M.N. et al. (2004): Wastewater Characteristics in Europe – A Survey. European Water Management Online

[6] Roche, C. et al. (2022): Biological process architecture in continuous-flow activated sludge by gravimetry: Controlling densified biomass form and function in a hybrid granule-floc process at Dijon WRRD, France. Water Environ. Res. 94: e1664

[7] Yuan, C. et al. (2023): Low-temperature-resistance granulation of activated sludge and the microbial responses to the granular structural stabilization. Chemosphere 311: 137146

[8] Rérolle, M. (2023): Retrofitting conventional sludge WWTPs with hydrocyclones to extend their lifetime by densifying sludge. Master’s thesis in Environmental Sciences and Engineering, EPFL und Eawag

[9] DWA-Regelwerk, Arbeitsblatt DWA-A 131, Bemessung von einstufigen Belebungsanlagen vom Juni 2016

[10] Derlon, N. et al. (2026): Boues densifiées - retour d’expérience de dix stations d’épuration suisses. Aqua & Gas Nr. 2: 39-45

[11] Layer, M. et al. (2019): Organic substrate diffusibility governs microbial community composition, nutrient removal performance and kinetics of granulation of aerobic granular sludge. Water Res. X. 4: 100033

[12] van den Berg, L. et al. (2022): Diffusion of Soluble Organic Substrates in Aerobic Granular Sludge: Effect of Molecular Weight. Water Res. X. 16: 100148