Untersuchungen zur Zusammensetzung und zum Abbau von Schwarzwasser mittels des Belebungsverfahrens sowie zur Kinetik des heterotrophen und autotrophen Stoffwechsels

  • Rd. 30 % bis 40 % des durchschnittlichen Trinkwasserverbrauchs in deutschen Haushalten entfällt auf die Toilettenspülung. Das dabei anfallende Abwasser, das sogenannte Schwarzwasser, enthält neben dem Spülwasser die Fäkalien Urin und Fäzes sowie Toilettenpapier. Es ist durch eine vergleichsweise hohe organische Verschmutzung sowie sehr hohe Gehalte an Nährstoffen gekennzeichnet. Aufbauend auf dem Grundgedanken, den häuslichen Schmutzwasserkreislauf zu schließen, um den Bedarf an hochwertigem Trinkwasser nachhaltig zu senken, wurde in der vorliegenden Arbeit die Anwendung des Belebungsverfahrens zur biologischen Behandlung von Toilettenabwasser erforscht. Um den mangelnden Kenntnisstand hinsichtlich der Schwarzwasserzusammensetzung zu verbessern, wurde zunächst die Quantität und chemisch-physikalische Qualität von Schwarzwasser an drei unterschiedlichen Versuchsstandorten mit unterschiedlicher Nutzung (Wohnen, Arbeitsplatz) eingehend untersucht. Hierdurch konnten eine Vielzahl neuer Erkenntnisse zur Charakteristik von Schwarzwasser gewonnen werden und spezifische Frachten für Parameter CSB, BSB5, TKN, Pges und AFS abgeleitet werden. Mit den erarbeiteten Kennwerten wird eine deutlich verbesserte und durch die umfangreichen Messungen abgesicherte Datengrundlage zur Abschätzung des Nutzungspotenzials von Schwarzwasser und zur Bemessung von Schwarzwasserbehandlungsanlagen möglich. Im Hinblick auf die Erforschung der Eliminationsmechanismen der im Schwarzwasser enthal-tenen Kohlenstoff-, Stickstoff- und Phosphorverbindungen unter Betriebsbedingungen wurden zwei Versuchsanlagen (SBR, MBR) an den drei Versuchsstandorten betrieben. Neben der biologischen Behandlung von Roh-Schwarzwasser und von mechanisch gereinigtem Schwarzwasser wurde die biologische Behandlung von Schwarzwasser bei Kreislaufführung untersucht. Es wurde festgestellt, dass Schwarzwasser nach biologischer Behandlung sehr hohe Gehalte an gelöst inertem CSB aufweist. Zudem wurde ein Zusammenhang zwischen der Schwarzwasserquelle und den erreichbaren Rest-CSB-Gehalten abgeleitet. Demnach ist der bei maximalem biologischem Reinigungseffekt erreichbare CSB-Gehalt für Schwarzwasser häuslicher Herkunft etwa doppelt so hoch wie bei Schwarzwasser gewerblicher Herkunft. Mit Hilfe von Sauerstoffzehrungsmessungen, die durch Substratzehrungsmessungen ergänzt wurden, wurden abschließend kinetische und stöchiometrische Parameter des heterotrophen und autotrophen Stoffwechsels sowie die CSB-Fraktionen von Schwarzwasser experimentell ermittelt. Die Versuche wurden unter Verwendung von mechanisch gereinigtem Schwarzwasser und SBR-Belebtschlamm durchgeführt, welcher zwei verschiedene Schlammalter aufwies. Hierdurch konnte der Einfluss der Betriebsparameter Schlammalter und Schlammbelastung auf den Stoffwechsel der jeweils gewachsenen Schwarzwasser-Belebtschlammbiozönose ermittelt werden. Bei der Fraktionierung der organischen Verbindungen konnte u.a. ein Zusammenhang zwischen den abbaubaren CSB-Fraktionen und dem Schlammalter abgeleitet werden. Die in den Praxisversuchen gewonnen Erkenntnisse hinsichtlich der Rest-CSB-Gehalte konnten damit bestätigt werden. Darüber hinaus konnte gezeigt werden, dass bei der aeroben biologischen Behandlung von Schwarzwasser eine Entkopplung von Ammonium- und Nitritoxidation auftritt. Zur Bestimmung der kinetischen und stöchiometrischen Kenngrößen der Nitrifikation wurde zudem eine modifizierte Methode vorgestellt, die es erlaubt die momentane Nitritations- und Nitratationsrate in einem Versuch zu ermitteln. In stickstoffhaltigen Abwässern oder bei hohen Abwassertemperaturen liefert die Methode einen vertiefenden Einblick in die Prozesse der Nitrifikation und wird daher zur weiteren Umsetzung empfohlen.
  • About 30 % - 40 % of the daily drinking water demand in German households is used for toi-let flushing. The resulting toilet wastewater, the so called blackwater, consists of a mixture of feces, urine, toilet paper and transportation water. It contains high amounts of organic matter, nitrogen, phosphorus and potassium. Based on the fundamental idea of closing the domestic watercycle, the application of the activated sludge process for biological treatment of blackwater was examined within this work. In order to improve knowledge regarding the blackwater composition, in a first step the quantity and physical-chemical quality of blackwater originating from three different experimental sites, were examined. Hereby a lot of new insights regarding the blackwater characteristics as well as specific loads concerning the parameters COD, BOD5, TKN, TP and TSS were gained. The identified characteristics significantly improved the database for estimat-ing the utilization potential of blackwater and for the design of blackwater treatment plants. To investigate the biological elimination mechanism of carbon, nitrogen and phosphorous compounds in blackwater under operating conditions two different pilot plants (SBR, MBR) were operated on the three experimental sites. Beside the biological treatment of raw blackwater and mechanically treated blackwater the biological treatment process of black-water in a closed blackwater cycle (reuse of purified blackwater for toilet flushing) was investigated. The investigations showed, that blackwater contains high concentrations of inert COD, which is not treatable by biological means. In addition, a correlation between the blackwater source and the attainable residual COD content after biological treatment was derived. By maximum biological treatment efficiency the achievable COD concentration of biological treated blackwater of domestic origin is as twice as high as of commercial origin. Finally, kinetic and stoichiometric parameters of heterotrophic and autotrophic metabolism as well as the COD fractions of blackwater were determined experimentally by using respiration measurement. Additionally, ammonium and nitrite utilization rates were determined in the aerobic batch tests. The experiments were carried out by using mechanically treated blackwater and activated sludge from the SBR pilot plant, which was adapted at two sludge ages. Hereby the kinetic and stoichiometric parameters and COD fractions and the metabolism of the heterotrophic and autotrophic biocenosis could be determined based on the influence of the operating parameters sludge age and sludge loading. Among other results, a correlation between the biodegradable COD fractions and the sludge age was observed. Hence, the results gathered in operating conditions concerning the achievable maximum biological carbon elimination were confirmed. Furthermore it could be shown, that within the biological treatment process of blackwater the oxidation of nitrite is basically inhibited. Hence, the ammonium utilization rate in blackwater is higher than the nitrite utilization rate. Furthermore, a modified method for the determination of kinetic and stoichiometric parameters of nitrification was developed. With the presented method it is possible to determinate the current nitrite utilization rate, which provides a deeper insight into the processes of nitrification and is therefore recommended for further implementation, especially for wastewaters containing high nitrogen contents.

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Metadaten
Author:Henning Knerr
URN (permanent link):urn:nbn:de:hbz:386-kluedo-31665
Advisor:Theo G. Schmitt
Document Type:Doctoral Thesis
Language of publication:German
Publication Date:2012/06/06
Year of Publication:2012
Publishing Institute:Technische Universität Kaiserslautern
Granting Institute:Technische Universität Kaiserslautern
Acceptance Date of the Thesis:2012/04/24
Number of page:336
Faculties / Organisational entities:Fachbereich Bauingenieurwesen
DDC-Cassification:627 Wasserbau

$Rev: 12793 $