2004-02: Nachhaltige Wasserwirtschaft
Forschungsergebnisse
Vererdungsbeete werden in Dänemark für die Schlammbehandlung seit 1988 eingesetzt. In den mit Schilf bepflanzten Beeten wird das Schlammvolumen langsam reduziert, teilweise durch Wasserentzug (Versickerung, Evapotranspiration) und teilweise durch Mineralisierung der organischen Bestandteile im Schlamm.
Klärschlammbehandlung in Pflanzenbeeten
Der Schlamm wird aus einer Abwasserreinigungsanlage auf die Filteroberfläche der Beete beziehungsweise auf die vorhandene Schlammschicht gepumpt. Während die Feststoffe an der Oberfläche zurückbleiben, sickert das Wasser durch den schon abgelagerten Schlamm und die darunter liegende Filterschicht. Der Wassergehalt wird durch Evapotranspiration (Verdunstung von einer bewachsenen Oberfläche) weiter reduziert. Das Schlammvolumen nimmt durch Abbau der organischen Bestandteile zusätzlich ab.
Für die Reduktion des Schlammvolumens werden keinerlei Chemikalien und nur sehr wenig Energie für das Pumpen von Schlamm und Filterwasser benötigt. Die Erfahrungen aus über 100 Anlagen zeigen, dass dieses System in der Lage ist, ganz unterschiedliche Schlammarten mit Trockensubstanzgehalten von 0,5 bis 5% zu behandeln.
Systeme in Dänemark
Seit der Einführung der Schlammbehandlung mit Vererdungsanlagen hat sich die Technik in ganz Dänemark verbreitet (Abbildung 2). Das Interesse an dem System ist nach wie vor groß und für 2004 werden 105 neue Anlagen erwartet.
1998 wurden die beiden größten Anlagen "Skive" und "Kolding" (Abbildung 2) mit einer Kapazität von 2000 respektive 2168 t Trockenmasse pro Jahr in Betrieb genommen. Die Vererdungsanlage von Kolding wurde gemeinsam mit der Kläranlage errichtet, die für 125.000 EGW ausgelegt ist. Es werden Überschussschlamm aus der Belebtschlammstufe mit biologischer Phosphorelimination (65%) und Schlamm aus der Schlammfaulung (35%) behandelt. Das System besteht aus 13 bepflanzten Beeten und Betriebs- und Steuereinrichtungen mit einer Gesamtfläche von ca. 6,2 ha.
Laut dänischer Umweltbehörde entstehen in kommunalen Kläranlagen pro Jahr etwa 155.000 t Schlammtrockenmasse aus häuslichem Abwasser. Im Jahr 2003 wurden davon ungefähr 30.000 t oder 19% der Gesamtschlammmenge in Klärschlammvererdungsanlagen behandelt. Der Großteil des anfallenden Volumens kann landwirtschaftlich verwertet werden
Abbildung 1: Abwasserreinigungsanlage und Klärschammvererdungsanlage Kolding (September 2000)
Abbildung 2: Jährlich errichtete Systeme der Schlammbehandlung mit Vererdungsanlagen in Dänemark
Bemessung
Vererdungsanlagen werden im Mittel über 10 Jahre betrieben, wobei ein Trockenmassegehalt im Schlamm von 30 bis 40% erreicht wird. Nach der Inbetriebnahme wird das System in aufeinanderfolgenden 10-Jahresperioden betrieben, welche die Entleerung mit einschließen. Die Entleerung beginnt in Jahr acht in einem Beet und ist in Jahr 12 jeder Periode abgeschlossen.
Die Bemessung der Vererdungsbeete basiert auf Schlammproduktion und -qualität und den klimatischen Bedingungen. Die folgenden betrieblichen Erfordernisse wurden dafür erarbeitet:
- Fülldauer von 10 Jahren
- Betriebsdauer bis zur ersten Entleerung mindestens acht Jahre, womit der typischerweise vier Jahre dauernde Entleerungszyklus für alle Beete in den Jahren acht bis 12 stattfindet
- Nachwachsen der Vegetation ohne Neupflanzung
- volle Behandlungskapazität in den Jahren der Entleerung und darauffolgenden Wiederinbetriebnahme.
Systembeschreibung und Auslegung
Der Schlamm der Kläranlage wird schubweise aus den Absetzbecken, Schlammeindickern oder Faultürmen in die Vererdungsbeete gepumpt. Druckleitungen werden von einem zentralen Schieber- und Pumpenhaus zu den einzelnen Beeten gelegt und münden dort in einen Verteiler.
Jedes Beet bildet eine Einheit und besteht aus einer Folie, einem Filter, dem Verteilersystem und dem kombinierten Dränage- und Belüftungssystem. Das Schilf wird zur Effizienzsteigerung des Systems benötigt. Es trägt zur Schlammentwässerung durch erhöhte Evapotranspiration und durch mechanische Beeinflussung von Schlamm und Filter bei.
Die im Wind bewegten Schilfhalme und das dichte Wurzelsystem sichern die Durchlässigkeit von Schlamm und Filter und führen dem System über das Aerenchym des Schilfs Sauerstoff zu. Spross, Rhizome und Wurzeln erhalten durch ihr Wachstum die Durchlässigkeit des Substrats und verhindern ein Kolmatieren der Schlammschicht. Durch das spätere Absterben der Wurzeln entsteht ein dichtes Netz von feinen Poren, das die Entwässerbarkeit des Schlammes positiv beeinflusst. Letztlich trägt das Schilf durch die verbesserte Entwässerung auch zur Mineralisierung des organischen Materials bei, da der Schlamm dadurch besser durchlüftet ist, was wiederum das Wachstum von Mikroorganismen an den Wurzeln und im Schlamm anregt.
Die Drainage hat zwei Funktionen. Erstens sammelt sie das durchgesickerte und dabei gefilterte Wasser und leitet es zurück zur Kläranlage. Zweitens wird über die Drainage der Filter und der Restschlamm belüftet. Die Drainage wird überdimensioniert, um für ausreichend Zuluft zu sorgen. Luft wird über das Schilf, die Drainageschicht und die Oberfläche der Schlammschicht in den Filter und den Schlamm eingebracht.
Betrieb und Steuerung
Die Vererdungsbeete werden über die Steuerung der Kläranlage vollautomatisch betrieben. Das Steuer- und Regelungssystem, inklusive Software, besteht aus zwei Modulen, einem Steuer- und einem Datenerfassungsmodul. Das Steuermodul enthält Graphiken, die den Systemzustand darstellen. Das Abpumpen des Überschussschlamms aus der Kläranlage in die Vererdungsbeete wird automatisch gestartet.
Das Regelungssystem garantiert eine optimale Schlammbehandlung. Das Datenerfassungsmodul zeichnet auf, welche Schlammmengen auf die einzelnen Beete aufgebracht werden. Schlammdurchfluss und Trockenmasse werden dazu registriert. Die Beschickungsrate (Volumen, Trockenmasse, Trockenmasse/(m².Jahr)) wird laufend berechnet.
Diese Daten sind wichtig für die Überwachung des Umsetzungs- und Entwässerungsprozesses und bildet die Grundlage für die laufenden Beschickungspläne. Es werden laufend Vorhersagen für die Beschickung der einzelnen Beete aufgrund ihres Entwässerungsverhaltens gemacht.
Klärschlammvererdungsanlage Rudkøbing
Die Anlage wurde 1992 errichtet und hat acht Beete (Abbildung 3) mit einer Gesamtkapazität von 240 t Trockenmasse pro Jahr. Jedes Beet hat eine Filterfläche von ungefähr 500 m².
Abbildung 3: Klärschlammvererdungsanlage Rudkøbing (1998)
Seit der Inbetriebnahme 1994 wird die Anlage mit jährlich ca. 233 t Schlammtrockenmasse beschickt, was einer Beschickungsrate von 59 kg Trockenmasse/(m².a) entspricht.
Ursprünglich war geplant, die beiden ersten Beete im Jahr 2000 zu entleeren. Die Betriebsphase konnte aber bis August 2002 verlängert werden. Das entnommene Material konnte mit einem Miststreuer auf landwirtschaftlichen Flächen ausgebracht und eingeackert werden.
Die zweite Beschickungsphase der Beete begann in Oktober 2002. Die beiden Beete werden schrittweise wieder in Betrieb genommen. Sobald das Schilf nachgewachsen ist, haben die Beete ihre volle Abbauleistung wieder erreicht. Das Schilf ist von selbst in ausreichender Dichte aufgegangen (Abbildung 5), ein Nachsetzen scheint nicht nötig zu sein.
Schlussfolgerung
In Dänemark werden Klärschlammvererdungsanlagen für eine Betriebsdauer von im Mittel 10 Jahren ausgelegt. Die Anlagen haben eine Lebensdauer von mindestens 30 Jahren. Es ist darauf zu achten, dass für die Klärschlammvererdungsanlage in Abhängigkeit von der Schlammmenge und -art die nötige Fläche und Beetanzahl sowie die richtige Betriebsweise gewählt wird. Bei der Dimensionierung müssen das Klima und die unterschiedlichen Prozessphasen (Inbetriebnahme und Normalbetrieb) berücksichtigt werden.
Für eine optimale Schlammreduktion über die 10 Jahre müssen einzelne Beete zwischen Beschickungs- und Ruhephasen wechseln können.
Nach 10 Jahren Behandlung sind gefährliche organische Komponenten und pathogene Mikroorganismen so weit abgebaut bzw. reduziert, dass das Endprodukt, bei geeigneten Maßnahmen gegen Schwermetalleinträge ins Abwasser schon beim Verursacher, bestens für die landwirtschaftliche Verwertung geeignet ist.
*) Der Biologe M. Sc. Steen Nielsen ist Prozessmanager für Abwasser und Schlammbehandlung bei Hedeselskabet, Umwelt und Energie A/S, Diese E-Mail-Adresse ist vor Spambots geschützt! Zur Anzeige muss JavaScript eingeschaltet sein! [^]