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G. Wandl:
"Möglichkeiten und Grenzen der Nitrifikation und Stickstoffentfernung in zweistufigen Belebungsanlagen";
Supervisor, Reviewer: H. Kroiss; E226, 2005.

In comparison to conventional activated sludge plants two-stage systems succeed in stable treatment efficiency concerning carbon removal and nitrification with far less reactor tank volume. In case of large treatment plants this can be of great importance.

Due to the very small specific volume of these two-stage treatment plants in comparison to low loaded single-stage plants internal cycles have to be applied to ensure sufficient nitrogen removal.
For the transfer of readily biodegradable substrate to the second stage a portion of the influent bypasses the first stage and is directly fed to the denitrification zone of the second stage
(BYPASS-mode) and highly loaded sludge from the first stage is delivered into the second stage (Hybrid-mode), respectively. Additionally, a recirculation line for final clarifier effluent
is installed which delivers nitrate containing water to the first stage. The nitrifying excess sludge of the second stage is recycled into the first stage. Therefore two stage activated sludge
plants offer many possibilities in terms of process management which lead to high requirements with regard to the operation of these plants in comparison to conventional low loaded single-stage treatment plants.

A pilot plant was operated in order to validate the proposed extension concept for the Main Treatment Plant of Vienna with regard to nitrogen removal. The pilot plant was designed to be operated in all of the above described operational modes and the concept proved to comply with the legal requirements.

The operation of the treatment plant can be applied to alternating conditions such as temperature and sludge volume index, espectively. Taking into consideration the sludge retention time in the second stage required for sufficient nitrification, the whole volume can
be utilized for the optimisation of nitrogen removal by means of the variation of the loading conditions within the two stages very well.
The investigations confirmed that the intended two-stage activated sludge concept is an economic possibility for the extension of large wastewater treatment plants in compliance with the Austrian legal requirements.

Another advantage of two stage activated sludge plants is the elimination of toxic substances within the high loaded first stage. This fact was taken into consideration when a concept for
the wastewater treatment of rendering plant effluent was developed. To study the usefulness of the two-stage concept pilot plant investigations were carried out and the concept proved to be a useful tool for treatment of inhibiting wastewaters. If the sludge retention time of the high loaded first stage was too high, the degradation of the inhibitors was not sufficient anymore.

Zweistufige Belebungsanlagen bieten eine stabile Reinigungsleistung hinsichtlich Kohlenstoffentfernung und Nitrifikation, und zwar beim nahezu halben Beckenvolumen im Vergleich mit einstufigen Systemen. Dieser wirtschaftliche Vorteil ist vor allem bei großen Kläranlagen in Ballungsräumen von großer Bedeutung für die Verfahrens wähl.

Demgegenüber besteht aber immer der gravierende Nachteil der bei diesem geringen Volumen sehr komplexen Betriebsweise zur Erlangung einer ausreichend hohen Stickstoffentfernung. Es müssen interne Kreisläufe implementiert werden, um die gesetzlichen Anforderungen für die Stickstoffelimination gewährleisten zu können. Dazu wird
ein Teil des Rohabwassers direkt in die 2. Stufe eingeleitet (Bypass) oder hochbelasteter Schlamm der 1. Stufe in die 2. Stufe zugegeben (Hybrid-Verfahren).

Außerdem finden die Rezirkulation von gereinigtem Ablauf in die 1. Stufe und die Überleitung des nitrifizierenden Überschussschlammes der 2. Stufe in die 1. Stufe Anwendung. Beim Betrieb dieser zweistufigen Anlagen stehen somit vielfältige Möglichkeiten der Prozesssteuerung zur Verfügung, die wegen der extremen gegenseitigen Beeinflussungen und Rückkopplungen, im Gegensatz zu schwachbelasteten einstufigen Belebtschlammsystemen oder zweistufigen AB-Anlagen mit deutlich größerem spezifischen Volumen, hohe Anforderungen an die Betriebsführung stellen.

In Pilotversuchen zur Erweiterung der Hauptkläranlage Wien wurden diese Verfahrensmöglichkeiten erprobt und es wurde nachgewiesen, dass das geplante Ausbaukonzept die geforderte Reinigungsleistung auch bei Bemessungsbelastung erfüllen kann.
Mittels der Variation der Belastung der beiden Stufen kann das sehr kleine Beckenvolumen optimal genützt werden. Einerseits ist es damit möglich, das für vollständige Nitrifikation erforderliche Schlammalter der 2. Stufe sehr genau einzustellen und andererseits wird eine Maximierung der Stickstoffentfernung auch bei niedriger Abwassertemperatur oder hohem Schlammindex erreicht. Damit ist ein derartiges Ausbaukonzept bei den in Österreich geltenden Anforderungen an die Ablaufqualität eine wirtschaftliche Alternative für die Erweiterung von großen Kläranlagen.
Ein weiterer Vorteil des zweistufigen Belebungsverfahrens besteht in der Elimination bzw. Abpufferung von toxischen Stößen durch die 1. Stufe. Diese Eigenschaft wurde für die Entwicklung eines Verfahrenskonzepts zur Reinigung von Abwasser einer Tierkörperverwertung genützt. Zur Überprüfung dieses Ausbaukonzepts wurden unter Betriebsbedingungen Pilotversuche durchgeführt.
Die Ergebnisse dieser Versuche haben gezeigt, dass ein zweistufiges Anlagenkonzept ein sehr brauchbares Werkzeug für die Behandlung von nitrifikationshemmenden Abwässern darstellt.

Für die Wirksamkeit dieses Konzepts darf aber ein gewisses Schlammalter in der Hochlaststufe nicht überschritten werden, weil sonst die Hemmstoffelimination nicht mehr ausreichend hoch ist.