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Die Regenwasserexperten

Fraktionierung des CSB

Fraktionierung des CSB für Simulationen mit den «Activated Sludge Modellen»

Mit dem «Activated Sludge Model #1» wurde eine Beschreibung der organischen Abwasserinhaltsstoffe etabliert, die von der bis dahin üblichen Betrachtung anhand der Summenparameter CSB und BSB abweicht. Danach werden die organischen Bestandteile in folgenden vier Gruppen erfasst:

SI – «Inert soluble organic matter»

SS – «Soluble readily biodegradable substrate»

XI – «Inert suspended organic matter»)

XS – «Slowly biodegradable substrate»

Sowohl «ASM#1», «ASM#2», «ASM#2D» als auch «ASM#3» erwarten den Input zur Beschaffenheit von Abwasserströmen im Modell in diesen vier Fraktionen.

Die «Activated Sludge Modelle» wurden für Kommunalabwasser entwickelt. Die Vorstellungen der “Väter” dieser Modelle zu Herkunft und Verhalten von organischen Bestandteilen im Abwasser gehen von normal verschmutztem häuslichem Abwasser aus. Deshalb sind die o.g. vier Fraktionen wie folgt zu interpretieren:

SI – inertes (persistentes/refraktäres) organisches Material in gelöster Form, das die Kläranlage ohne jeglichen Abbau oder Metabolisierung wieder verlässt. Nach HENZE et al., 1987 handelt es sich um jenen CSB, der trotz mindestens 10-tägiger intensiver Belüftung einer Abwasserprobe noch vorgefunden wird (Beispiele für schwer abbaubare Stoffe).

= CSBgelöst, inert

SS – sofort bioverfügbares lösliches Substrat, das vollständig abgebaut wird. HENZE et al., 1987 schlugen vor, diese Fraktion über die Änderung der Sauerstoffaufnahme zu bestimmen, die eintritt, wenn einer gut durchmischten, sauerstoffreichen Probe frisches Abwasser zugegeben wird.

= CSBgelöst, schnell abbaubar

XI – «Inert suspended organic matter». Für diese Größe schlugen HENZE et al., 1987 eine Abschätzung über die Schlammproduktion unter Berücksichtigung des Schlammalters vor.

= CSBpartikulär, langsam abbaubar

XS – Partikuläres, biochemisch abbaubares Substrat, das sich nach HENZE et al., 1987 aus der Differenz des Gesamt-CSB und den vorgenannten drei Fraktionen errechnen lässt.

= CSBpartikulär, schnell abbaubar

Mit zunehmender Verbreitung der «Activated Sludge Modelle» hat sich folgende pragmatische Vorgehensweise zur Ermittlung der CSB-Fraktionen aus den üblicherweise verfügbaren Labormessungen durchgesetzt:

Fraktion

Messung/Berechnung

CSBgelöst, schnell abbaubar

Biochemischer Sauerstoffbedarf in der Originalprobe nach 20 Tagen, gemessen in der filtrierten Probe (BSB20, filtriert)

CSBpartikulär, schnell abbaubar

Biochemischer Sauerstoffbedarf in der Originalprobe nach 20 Tagen, gemessen in der homogenisierten Probe (BSB20, homogenisiert), abzüglich BSB20, filtriert

CSBgelöst, inert

Chemischer Sauerstoffbedarf in der Originalprobe, gemessen in der filtrierten Probe (CSBfiltriert), abzüglich BSB20, filtriert

CSBpartikulär, langsam abbaubar

Chemischer Sauerstoffbedarf in der Originalprobe, gemessen in der homogenisierten Probe (CSBhomogenisiert), abzüglich der drei vorgenannten Fraktionen

 

HENZE et al., 1987 gingen davon aus, dass der prozentuale Anteil der verschiedenen Fraktionen am Gesamt-CSB im Allgemeinen – unabhängig von der Höhe der Belastung – konstant ist.

«For variable strength influents, it can generally be assumed that the various fractions stay in constant proportions to one another.»

Dementsprechend wird für Kommunalabwasser international folgende Standardfraktionierung angenommen:

CSBGesamt (= 100%)

CSBgelöst= 40%

CSBpartikulär= 60%

CSBgelöst, schnell abbaubar= 36%

CSBgelöst, inert= 4%

CSBpartikulär, schnell abbaubar= 54%

CSBpartikulär, langsam abbaubar= 6%

 

Von dieser Tabelle kann im Industrieabwasserbereich kein Gebrauch gemacht werden. Die Zusammensetzung der Abwässer unterliegt dort von Unternehmen zu Unternehmen – und innerhalb eines Unternehmens oft auch von Anlage zu Anlage – erheblichen Abweichungen. Ohne entsprechende Messungen ist keine Aussage möglich. Das Kernproblem lässt sich wie folgt beschreiben:

  • Definitionsgemäß wird der CSBgelöst, inert in den «Activated Sludge Modellen» rechnerisch nicht verändert, sondern vom Zulauf zum Ablauf direkt “durchgereicht”.
  • Wird der CSBgelöst, inert bei der Simulation falsch angesetzt, sind die Simulationsergebnisse somit auch von vornherein fehlerhaft (zu hoch oder zu niedrig).
  • CSBgelöst, inert kann leider nicht direkt gemessen werden.

Auch eine Fraktionierung auf der Grundlage der o.g. CSB- und BSB-Bestimmungen ist bei Industrieabwasser, insbesondere bei Abwasser aus der chemischen Industrie, nicht zu empfehlen. Dies wird durch das folgende Beispiel aus der Praxis verdeutlicht.

Unter Verwendung der folgenden Messwerte (allesamt statistisch gesicherte Mittelwerte)

CSBhomogenisiert = 1 605 mg/l

CSBfiltriert = 1 330 mg/l

BSB20, homogenisiert = 933 mg/l

BSB20, filtriert = 855 mg/l

ergibt sich eine Fraktionierung gemäß folgender Abbildung:

Danach würde der inerte Anteil des CSB fast 30% betragen. Das Ergebnis der Simulation mit einer Inputdatei, der diese Fraktionierung zugrunde liegt, zeigt die folgende Abbildung:

Die Ergebnisse dieser Simulation sind schlicht unbrauchbar. In der Realität wird das Chemieabwasser deutlich besser biochemisch abgebaut, als dies nach den Messungen und Interpretationen auf der Grundlage der für Kommunalabwasser üblichen Vorgehensweise zu erwarten war. Bei einer Gegenüberstellung der Kurven für Zulauf- und Ablauf-CSB zeigt sich, dass

  • trotz enormer Schwankungen der CSB-Konzentration im Zulauf der Ablauf-CSB relativ konstant bleibt

  • und dass selbst hohe Spitzen im Zulauf gut abgebaut werden.

Entgegen der von HENZE et al., 1987 für das Kommunalabwasser ermittelten Zusammenhänge, ist der Anteil des gelösten inerten CSB im oben untersuchten Chemieabwasser keineswegs konstant, sondern unterliegt großen Schwankungen. Dies trifft übrigens für alle Chemieabwässer zu, die bisher im Rahmen von STOAT-Simulationen untersucht wurden. Oft zeigt sich, dass der Anteil des gelösten inerten CSB am Gesamt-CSB umgekehrt proportional zum Gesamt-CSB ist: Je höher der Gesamt-CSB, desto geringer dessen gelöster inerter Anteil. Soweit dieser Zusammenhang statistisch genügend gesichert ist, kann die Fraktionierung auf der Grundlage empirisch ermittelter Trendfunktionen vorgenommen werden. Bei konsequenter Nutzung der DV hält sich auch der damit verbundene Aufwand in vertretbaren Grenzen. Auf diesem Wege wurde die CSB-Fraktionierung der Inputdateien im Beispiel für erreichbare Simulationsqualität vorgenommen.

Falls verfügbar, können auch parallele Onlinemessungen von CSB und BSB – nach entsprechender Umrechnung – herangezogen werden. Damit kann u.U. sogar eine noch bessere Übereinstimmung zwischen den Ergebnissen der Simulation und den Messwerten erzielt werden.

Literatur

HENZE et al., 1987: Henze, M.; Grady, C. P. L.; Gujer, W.; Marais, G. v. R.; Matsuo, T. Activated Sludge Model No. 1. IAWPRC Scientific and Technical Reports, No. 1, IAWQ, London, 1987.

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