Schlammverdickung mittels Flotation mit aufgelöster Luft (DAF)

• 1. Einführung in die Schlammeindickung
• 2. Eindickung von Klärschlamm
• 3. Schlammverdickung durch Sedimentation
• 4. Schlammeindickung mittels Dissolved-Air-Flotation (DAF)
• 5. Vergleich von Eindickungsverfahren
• 6. Zusammenfassung

1. Einführung in die Schlammeindickung

Als Folge der Aufbereitung von Abwasser, das bei industriellen Prozessen anfälltentsteht eine Konzentration von Rückständen in Form von Schlamm, der mehr oder weniger hydratisiert sein kann.

Die Verfahren zur Abwasserreinigung lassen sich im Wesentlichen in physikalische, chemische und biologische Verfahren unterteilen.

• Bei physikalisch-chemischen Verfahren handelt es sich bei den anfallenden Schlämmen um Frischschlamm, der in Form von im Wasser suspendierten Feststoffen (SST) vorliegt. Die bei physikalisch-chemischen Verfahren anfallenden Schlämme (Primärschlamm) bestehen in der Regel aus Materialien, die eine höhere Dichte aufweisen als die aus biologischen Verfahren stammenden Schlämme (Sekundärschlamm).
• Bei biologischen und chemischen Behandlungsverfahren hingegen finden Oxidationsprozesse und Reaktionen statt, die den Schlamm umwandeln. Biologischer Schlamm besteht aus organischen und mineralischen Stoffen sowie aus den Überresten der Bakterien, die sich davon ernähren (Belebtschlamm). Die Dichte dieses Schlamms ist geringer als die von Primärschlamm, und er lässt sich schwerer entwässern.

Kläranlagen verfügen über eine Wasseraufbereitungslinie und eine Schlammbehandlungslinie. Ziel ist es, Wasser zu gewinnen, das die in den geltenden Vorschriften geforderten Parameter erfüllt, und das Schlammvolumen so weit zu reduzieren, dass der Schlamm entweder auf eine Deponie gebracht oder zur Kompostierung bzw. zur Herstellung von Nebenprodukten verwendet werden kann.

Wie wir gesehen haben, besteht eines der Hauptziele darin, das Schlammvolumen so weit wie möglich zu reduzieren. Auf den meisten Deponien wird eine Mindestkonzentration an Feststoffen von 30 % verlangt, die nur durch mechanische Verfahren (Filterpressen, Bandfilter, Zentrifugen…) oder durch thermische Trocknungssysteme erreicht werden kann.

Ein Zwischenprozess, der den Umfang kostspieliger Schlammtrocknungsanlagen reduziert, ist die Eindickung oder Entwässerung.

2. Schlammeindickung im Abwasser

Die Schlammeindickung ist ein Verfahren, das dazu dient, das Schlammvolumen vor der Durchführung weiterer Entwässerungsmaßnahmen zu reduzieren. Die beiden Hauptquellen für die Schlammbildung sind die Vor- und die Nachbehandlung. Die sedimentierten Feststoffe, die vom Boden der Vor- und Nachklärbecken entfernt werden, sind eine wässrige Mischung, die die abgetrennten Schwebstoffe enthält. Diese Mischung bezeichnen wir als Schlamm.

Der bei der Vor- und Nachbehandlung der Wasserleitung einer Kläranlage anfallende Schlamm weist folgende Eigenschaften auf:

• Sie bestehen zu einem großen Teil aus Wasser (95–99 %), nehmen daher viel Platz ein und sind schwer zu handhaben.
• Sie enthalten viel organisches Material, weshalb sie leicht verrotten und dabei üble Gerüche verursachen.
• Sie enthalten eine große Menge an Krankheitserregern.

Aus diesem Grund müssen sie mit größter Sorgfalt verarbeitet werden. Die Aufbereitung erfolgt in drei Phasen, die darauf ausgelegt sind, die oben genannten Probleme so weit wie möglich zu reduzieren:

• Entwässerung des Schlamms zur Verringerung seines Volumens.                                         
• Stabilisierung der organischen Substanz, um Probleme durch Gärung und Fäulnis zu vermeiden.
• Eine geeignete Konsistenz erzielen, damit sie leicht zu handhaben und zu transportieren sind.

Die Menge und die Eigenschaften des in einer Kläranlage zu behandelnden Schlamms hängen von den Eigenschaften des anfallenden Abwassers sowie von der Art der Behandlung ab, der es unterzogen wird.

Die Herkunft und die wichtigsten Eigenschaften von Schlamm sind:

a) Primärschlamm

Sie entstehen bei der Vorabsetzung. Diese Schlämme wurden weder biologisch behandelt noch sind sie zersetzt, weshalb sie äußerst instabil und leicht verrottbar sind. Nach einer gewissen Zeit verursachen sie einen üblen Geruch. Etwa 60 % dieser Schlämme gelten als absetzbar.

Sie sind in der Regel grau und weisen einen hohen Anteil an biologisch abbaubaren Feststoffen und anderen Abfallstoffen auf. Sie geben ihr Bindewasser leicht ab und lassen sich gut verdicken. Ihr Feuchtigkeitsgehalt liegt zwischen 95 und 99 %.

b) Biologische Schlammablagerungen

Sie werden gemeinhin als Überschussschlamm bezeichnet und stammen aus dem Belebtschlammverfahren. Sie sind in der Regel dunkelbraun und ihr Gehalt an organischen Stoffen ist teilweise zersetzt.

Sie duften nach feuchter Erde, was nicht unangenehm ist, doch im weiteren Verwesungsprozess werden sie faulig und verursachen üble Gerüche. Ihr Feuchtigkeitsgehalt schwankt zwischen 98 und 99,5 % und sie lassen sich nur schwer konzentrieren.

Sie können direkt eingedickt oder zur Vorabsetzung geleitet werden, wo sie sich zusammen mit dem Vorabschlamm absetzen und so den Mischschlamm bilden.

c) Aerob abgebauter Schlamm

Es handelt sich um dunkelbraunen Schlamm. Er sieht flockig aus und riecht nicht besonders stark.

d) Schlamm aus der chemischen Fällung

Ihre Zersetzungsgeschwindigkeit ist etwas geringer als die der Primärschlämme. Sie sind dunkel, bei hohem Eisengehalt rötlich. Der Geruch kann unangenehm sein, wenn auch nicht so stark wie bei den Primärschlämmen.

3. Eindickung von Klärschlamm durch Sedimentation

Die Schlammeindickung durch Sedimentation, auch als mechanische Eindickung bezeichnet, ist ein Verfahren, das in ringförmigen Anlagen stattfindet, die eine langsam rotierende Brücke mit Bodenabstreifern enthalten. Die Brücke ist mit einer Reihe vertikaler Stacheln ausgestattet, die durch das Aufreißen von Rillen in der Schlammschicht die Entfernung flüchtiger Bestandteile erleichtern und so die Eindickung begünstigen.

Die Bodenräumer schieben den verdickten Schlamm zu einem Auslass, aus dem er regelmäßig abgelassen wird.

In der Regel ist am Antriebsmotor eine Drehmomentbegrenzung vorgesehen, um ein Blockieren der Drehbrücke und damit verbundene Schäden zu verhindern.

Die Gesamthöhe dieser Anlagen beträgt in der Regel nicht mehr als 3,5 Meter, und die Neigung der Rückwände liegt bei etwa 15 %.

Die Auslegung eines mechanischen Eindickers basiert auf der Sedimentationskurve des Schlamms gemäß der Kynch-Theorie, nach der die Sinkgeschwindigkeit eines Partikeltyps ausschließlich von der lokalen Konzentration dieses Partikels abhängt.  

Die_Zonet1–_{t2 entspricht}vertikalen hydraulischen Dekantierern mit festem Schlammbett. Ab dem Punkt_{t2 nimmt} die Sinkgeschwindigkeit der Feststoffpartikel allmählich ab, bis zum Punkt_{t3, an} dem sich die Feststoffe berühren und Druck auf die darunterliegenden Schichten ausüben. Diese Zone_t2 –_{t3 wird} für mechanische Schlammverdicker genutzt.

In einem mechanischen Schlammverdicker liegt die spezifische Beladung zwischen 25 und 70 kg^TS/m²·d. Während des Betriebs wird am Boden eine dicke Schlammschicht aufrechterhalten, um eine bessere Konzentration zu ermöglichen. Eine Betriebsgröße dieser Anlagen ist das Schlammvolumenverhältnis (RVF), das sich aus dem Volumen der Schlammschicht im Eindicker geteilt durch das täglich eingedickte Schlammvolumen ergibt. Die RVF-Werte schwanken zwischen 0,5 und 2 Tagen, wobei die niedrigsten Werte bei warmen Temperaturen auftreten.

4. Schlammeindickung mittels Flotation mit aufgelöster Luft (DAF)

Die Flotation mit gelöstem Luft (DAF) ist ein Verfahren, das zur Trennung von Feststoffen und Flüssigkeiten sowie zur Trennung und Eindickung von Schlamm eingesetzt wird.

Bei diesem Verfahren steigt der Schlamm wesentlich schneller auf als bei einer Sedimentation durch Schwerkraft. Dieser bereits eingedickte Schlamm wird mittels eines Schabersystems an der Oberfläche des Flotators aufgefangen. DAF-Anlagen erzielen in kommunalen und industriellen Kläranlagen sehr hohe Wirkungsgrade.

Im Vergleich zu anderen Schlammverdickungssystemen bietet die Flotation mit gelöstem Luft (DAF) mehrere Vorteile:

• Erstens ist der DAF-Prozess schneller als die Schwerkraftsedimentation, was in Kläranlagen zu einer höheren Leistung führt. 
• Zweitens ist die DAF-Flotation bei der Entfernung von Feinpartikeln und Kolloiden wirksamer als die Schwerkraftsedimentation. 
• Zudem können DAF-Anlagen höhere Feststofffrachten verarbeiten, was zu einer höheren Effizienz bei der Trennung von Feststoffen und Flüssigkeiten führt. 

DAF-Anlagen werden auch als physikalisch-chemische Abscheidesysteme für biologischen Schlamm eingesetzt, da sie bei gleicher Durchflussmenge etwa fünfmal weniger Platz benötigen als ein statischer Absetzbehälter. Darüber hinaus können sie zur Eindickung bereits abgeschiedenen Schlamms verwendet werden und ermöglichen in der Regel eine Erhöhung der Schlammkonzentration auf 8–10 % Trockensubstanz, je nach Herkunft des Schlamms.

Schematische Darstellung einer DAF-Schlammverdickungsanlage

Die Flotation mit gelöster Luft (DAF) ist ein Verfahren, das zur Abscheidung von Feststoffpartikeln aus den sie enthaltenden Flüssigkeiten eingesetzt wird. Bei diesem Verfahren haften die Feststoffpartikel an sehr feinen Luftblasen, wodurch sie sehr schnell aufsteigen. Die Luftblasen entstehen durch die Auflösung von Luft in Wasser unter hohem Druck und deren anschließende Druckentlastung und Freisetzung in einem Flotationstank.

SIGMADAF hat DAF-Anlagen zur Abscheidung von suspendierten Feststoffen in der Vor- und Nachklärung sowie zur Schlammeindickung installiert.

Eine vorherige Koagulation/Flockung verbessert die Effizienz der Flotationsanlagen und erhöht den Entwässerungsgrad des Schlamms.

SIGMADAF bietet für diese Anwendungen eine breite Palette an DAF-Schwimmern an:

• SIGMADAF FPAC Compact: Von 3 bis 200 m³/h, in Metallbehältern gefertigt.
• SIGMADAF FPAC-CW: Von 1000 bis 4000 m³/h in Betontanks.
• SIGMADAF FPHF Compact: Von 100 bis 1000 m³/h Kompakte Geräte aus Metall oder Kunststoff.

Alle diese Anlagen sind beständig gegen hohe Salzgehalte im Abwasser.

Auslegung des Schwimmers für gelöste Luft

Vergleicht man ein DAF-Flotationssystem mit dem Einsatz von Vor- und Nachklärbecken, so zeigt sich, dass Flotationsanlagen gegenüber herkömmlichen Sedimentationstechnologien erhebliche Vorteile bieten, da ihre Aufsteiggeschwindigkeit etwa fünfmal höher ist als die Absetzgeschwindigkeit in einem Schwerkraftklärbecken, was Zeit und Platz spart.      

Die Fläche der Anlage wird anhand von Parametern wie derFeststoffbelastungund derFlächenbelastung(auch als Aufsteiggeschwindigkeit bezeichnet) festgelegt. Die Feststoffbelastung wird inkgSS/(m²·d)und die Flächenbelastung inm³/(m²·h)angegeben.TypischeWertefür diese Parameter sind: 50–100 kgSS/(m²·d) und 3–5 m³/(m²·h).

Der Schwimmer mit gelöstem Sauerstoff kann je nach den spezifischen Anforderungen der Kläranlage mit oder ohne Rückführung ausgelegt werden.

Eindickung des Schwimmschlamms

Zur Entwässerung des Schwimmschlamms wird ein statisches System verwendet, das aufgeneigten Plattenund einem einfacher mit einfacher Bewegung. Dieses System erreicht einen Trockensubstanzgehalt, der 3- bis 4-mal höher ist als bei jedem herkömmlichen System. 

Die Druckluftflotation wird in der Regel zur Eindickung von Belebtschlamm und zur Rückgewinnung von Zellulosefasern eingesetzt, eignet sich aber auch für dickflüssigere Schlämme, wie beispielsweise das Gemisch aus Primärschlamm und Belebtschlamm.

Obwohl üblicherweise Flockungsmittel dosiert wird, um den Prozess zu unterstützen, ist eine Eindickung auch ohne Zugabe dieses Produkts möglich, allerdings bei niedrigeren Trockenmassekonzentrationen.

Die Dimensionierung der Flotationsbehälter für die Schlammeindickung erfolgt auf der Grundlage der folgenden Parameter:

Parameter	Design-Werte
Spezifische Last	5–10 kg Trockenmasse/m²·h
Geschwindigkeit	1–3m³/m²·h
Konzentration der schwimmenden Belüftungsschlämme	30 – 50 g/l
Primärschlamm + schwimmender Belebtschlamm	50 – 70 g/l
Dichte von Schwimmschichten	0,75 – 0,9 kg/l

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass ein DAF-System ein wirksames Mittel ist, um Schlamm in Kläranlagen zu konzentrieren, sein Volumen zu verringern und die anschließende Behandlung zu erleichtern.

5. Vergleich der Schlammeindickung mittels DAF-Technologie und mechanischer Sedimentationsanlagen

Die Flotation mit gelöstem Luft (DAF) und der Schwerkraftverdicker sind zwei Technologien, die zur Schlammeindickung in den Schlammaufbereitungsanlagen von Kläranlagen eingesetzt werden. Im Folgenden vergleichen wir ihre Vor- und Nachteile:

Dichtungsvorrichtung mittels Flotation mit aufgelöster Luft (DAF)

Vorteile:

• Effizienz der Eindickung: Der DAF erreicht durch die Bildung von Mikro-Luftblasen eine hohe Konzentration an suspendierten Feststoffen im Wasser. Dadurch wird das Schlammvolumen deutlich reduziert. Die erzielbare Konzentration im eingedickten Schlamm liegt in der Größenordnung von 4–6 %, bei Mischungen aus Primärschlamm und überschüssigem Belebtschlamm sogar bei ≥ 8 %. Durch den Einsatz von Polyelektrolyten als Schlammflockungsmittel lässt sich die Feststoffabscheidung von 85 % auf 98–99 % verbessern.
• Schnelle Trennung: Durch die Flotation lassen sich Feststoffe schnell abscheiden, was insbesondere bei hoher Schlammbelastung von Vorteil ist.                                                                       
• Geringerer Platzbedarf: Der DAF benötigt weniger Platz als Schwerkraftverdichter.

Nachteile:

• Anschaffungskosten: Die Technologie zur Einspritzung von Luftmikrobläschen und Umwälzsysteme können die Anschaffungskosten erhöhen.
• Energieverbrauch: Es wird mehr Strom benötigt, um Mikrobläschen zu erzeugen und den Schlamm umzuwälzen.

Schwerkraft-Eindicker:

Vorteile:

1. Geringe Anschaffungskosten: Schwerkraftverdicker sind hinsichtlich der Anfangsinvestition kostengünstiger.
2. Geringerer Energieverbrauch: Es sind keine Belüftungssysteme erforderlich, was die Betriebskosten senkt.
3. Robustheit: Es handelt sich um einfache und robuste Geräte.

Nachteile:

1. Absetzgeschwindigkeit: Die Absetzgeschwindigkeit des Schlamms ist deutlich geringer als beim DAF.
2. Größerer Platzbedarf: Sie nehmen mehr Platz im Raum ein.
3. Geringere Effizienz: Die Feststoffkonzentration ist nicht so hoch wie beim DAF.

Kostenvergleich

Das DAF-Verfahren ist eine effektive Option zur Schlammkonzentration in Kläranlagen. Es ist jedoch wichtig, die Kosten im Vergleich zu anderen Verfahren zu berücksichtigen. Im Folgenden stellen wir einige Überlegungen vor:

Anfängliche Investitionskosten

1. Das DAF-Verfahren erfordert eine Anfangsinvestition für die Anschaffung und Installation der Anlage. Im Vergleich zu anderen Verfahren, wie beispielsweise herkömmlichen Dekantierern, kann es aufgrund des Kompressions- und Dekompressionssystems sowie der Notwendigkeit von Rückführungssystemen kostspieliger sein.
2. Andere Verfahren, wie beispielsweise Dekanter, weisen zwar geringere Anschaffungskosten für die mechanische Ausrüstung auf, doch müssen auch die erforderlichen Bauarbeiten für größere Anlagen berücksichtigt werden.          

Betriebskosten

1. Zu den Betriebskosten der DAF gehören der Stromverbrauch für die Erzeugung von Mikrobläschen durch Kompression und Auflösung von Luft sowie für die Schlammrückführung. Diese Kosten können je nach Anlagengröße und Anlageneffizienz variieren.
2. Im Vergleich dazu verursachen herkömmliche Dekanter geringere Betriebskosten, da sie keine Belüftungssysteme benötigen.

Effizienz und Platzersparnis

1. Das DAF-System ermöglicht eine höhere Aufsteiggeschwindigkeit des Schlamms, wodurch in der Anlage Platz gespart wird. Dies kann in Bereichen mit begrenzten Platzverhältnissen von Vorteil sein.

Wartungs- und Reparaturkosten

1. Wartung und Reparaturen am DAF können aufgrund der Komplexität der Belüftungs- und Umluftsysteme teurer sein.
2. Mechanische Eindickungsanlagen und andere einfachere Verfahren können geringere Wartungskosten verursachen.

Schlammtrocknung Trotz seiner Effizienz eignet sich der DAF nicht dazu, extrem hohe Feststoffkonzentrationen zu erreichen. Er kann jedoch alternative Verfahren verbessern und dadurch den Umfang und die Kosten nachfolgender Entwässerungsanlagen reduzieren.

Um konzentriertere Schlammkonzentrate zu erhalten, werden andere Systeme wie Filterpressen oder Zentrifugen eingesetzt.

Art des Schlamms	% Trockenmasse, unverdickt	% Trockenmasse	Feststoffbelastung (kg/m²·h)
Getrennte Schlammfraktionen
Primärschlamm	2,5 – 5,5	8 – 10	4 – 6
Tropffilter	4 – 7	7 – 9	1,6 – 2
Modifizierte Belüftung	2 – 4	4,3 – 7,9	1,4 – 3,7
Aktiviert	0,5 – 1,2	2,5 – 3,3	0,8 – 1,6
Kombinierte Schlammbehandlungen
Vorfilter und Perkolator	3 – 6	7 – 9	2,4 – 4
Grundierung und modifizierte Belüftung	3 – 4	8,3 – 11,6	2,4 – 4
Primär und aktiviert	2,6 – 4,8	4,6 – 9	1,6 – 3,2

Konzentrationen von eingedicktem und nicht eingedicktem Schlamm sowie Feststofffrachten für mechanische Eindicker (Metcalf – Eddy. Ed. Labor)

In Belebtschlammkläranlagen, die mit Faulung arbeiten, empfiehlt es sich, den überschüssigen Belebtschlamm oder den vor der Faulung gemischten Rohschlamm einzudicken, um die Bau- und Betriebskosten zu senken.

Bei der Konstruktion eines Eindickers sind folgende Aspekte zu berücksichtigen:

• Ihm ausreichende Kapazität zur Verfügung stellen, um Spitzenlasten zu bewältigen.
• Vermeidung von Fäulnis und den damit verbundenen Geruchsproblemen, die während dieses Prozesses auftreten.

Art des Schlamms	Belastung inkg/m²·h
Aktiviert (Flüssigmischung)	1 – 3
Aktiviert (abgesetzt)	2 – 4
50 % primär + 50 % aktiviert	4 – 8
Nur Grundschule	Bis zu 10

Berechnungsgrundlage für die DAF-Anlagen unter Berücksichtigung verschiedener Schlammarten

Für die Druckrückführung sollte vorzugsweise das Abwasser aus der Anlage anstelle des Flotationsabwassers verwendet werden, da sonst die Gefahr einer Verschmutzung der dazugehörigen Anlagen besteht.

6. Schlussfolgerung

Der in Kläranlagen anfallende Schlamm muss konzentriert und so behandelt werden, dass er die erforderlichen Belastungs- und Inertisierungswerte erreicht, damit er auf zugelassene Deponien verbracht werden kann. Üblicherweise kommen dabei Systeme zum Absetzen und Eindicken durch Schwerkraft (mechanische Eindickung) oder Systeme zur Klärung und Eindickung mittels Flotationsanlagen mit aufgelöster Luft (DAF) zum Einsatz.

Das DAF-Verfahren ist hinsichtlich der Konzentration und Abscheidung von Feststoffen effizienter, kann jedoch höhere Investitions- und Energiekosten verursachen. Der Schwerkraftverdicker ist kostengünstiger und robuster, erfordert jedoch mehr Platz und umfangreichere Bauarbeiten. Die Wahl hängt von den spezifischen Anforderungen der jeweiligen Anlage und dem verfügbaren Budget ab.

Literaturhinweise und weiterführende Literatur

• Abwassertechnik/Schlammbearbeitung – Wikibooks (wikibooks.org)
• Technisches Handbuch zum Thema Wasser (Degrémont)
• Abwasseraufbereitung und -reinigung – Metcalf-Eddy (Hrsg. Labor S.A.)