Das Thema dieser kumulativen Dissertation ist die Untersuchung des Einflusses des Belüfterdesigns auf den Sauerstoffeintrag feinblasiger Druckbelüftungssysteme bei der Behandlung salzhaltiger Abwässer. Beim Belebungsverfahren, dem gängigen aeroben biologischen Behandlungsverfahren, werden heutzutage zur Deckung des Sauerstoffbedarfs der Mikroorganismen bevorzugt feinblasige Druckbelüftungssysteme eingesetzt. Dabei hat die Belüftung mit 50 % bis 80 % den größten Anteil am Gesamtenergieverbrauch des Belebungsverfahrens. Zur Sicherstellung einer hohen Energieeffizienz des Belüftungssystems und damit des gesamten biologischen Reinigungsprozesses müssen bei dessen Planung alle Prozessbedingungen berücksichtigt werden. Einer der maßgebenden Faktoren ist die Salzkonzentration, deren Anstieg zu einer Hemmung der Koaleszenz und damit zu einer Verringerung der Blasengröße führt. Mit der dadurch vergrößerten Gas-Flüssig-Grenzfläche geht ein massiver Anstieg des Sauerstoffeintrags einher.

Im Rahmen dieser Arbeit wurde der Sauerstoffeintrag verschiedener, konventioneller feinblasiger Belüfterelemente in Trink- und Salzwasser sowie in salzhaltigem Belebtschlamm gemessen. Ziel dabei war die Identifizierung und Bewertung wie Belüftermembrandesign, Belüftertyp, Belegungsdichte und Salzart bei unterschiedlichen Salzkonzentrationen den Sauerstoffeintrag beeinflussen. Parallel wurde in Trink- und Salzwasser mittels Bildanalyse die Blasengröße an verschiedenen Stellen des aufsteigenden Blasenschwarms gemessen. Die Untersuchungen in Trink- und Salzwasser fanden in einer 250 L Blasensäule sowie in einem 17.100 L Glasbecken statt. Für die Sauerstoffeintragsmessungen in salzhaltigem Belebtschlamm wurde eigens eine mit salzhaltigem Industrieabwasser beschickte Belebungsanlage im Pilotmaßstab mit einem belüfteten Beckenvolumen von 2.250 L über 269 d betrieben. Der Sauerstoffeintrag wurde dabei kontinuierlich mittels Abluftmethode erfasst.

Die Ergebnisse zeigen, dass in Trinkwasser der Sauerstoffeintrag vorwiegend von der Belegungsdichte und dem Belüftertyp sowie von der Einblastiefe abhängt. Hingegen hat das Belüftermembrandesign in Trinkwasser keinen Effekt auf den Sauerstoffeintrag, obwohl Blasengrößenvermessungen eine deutliche Abhängigkeit zwischen der Schlitzgröße und der Größe der Primärblasen zeigen. Ursache der fehlenden Einflussnahme ist die rasche Koaleszenz der Blasen während ihres Aufstiegs. Der Einsatz feingeschlitzter Belüfter führt also in Trinkwasser gegenüber dem Einsatz grobgeschlitzter Belüfter gleichen Typs nicht zu einer Veränderung oder gar zu einer Verbesserung des Sauerstoffeintrags. Vielmehr verschlechtert sich der Sauerstoffertrag infolge des höheren Druckverlustes der feingeschlitzten Belüfter.

Erhöht sich jedoch die Salzkonzentration, führt die zunehmende Hemmung der Koaleszenz dazu, dass die Blasengröße ab- und der Sauerstoffeintrag deutlich zunimmt. Erreicht die Salzkonzentration die sog. kritischen Koaleszenzkonzentration (engl. crictial coalescence concentration; CCC) ist die Koaleszenz gar vollständig gehemmt und der Sauerstoffeintrag erreicht sein Maximum. Die CCC ist dabei unterschiedlich für jedes Salz bzw. Salzgemisch. Mit einem eigens neu entwickelten Ansatz konnten erstmals für konventionelle feinblasige Druckbelüfter die CCC für verschiedene Salze bestimmt werden. Ist die Koaleszenz vollständig gehemmt entspricht die Blasengröße etwa dem der Primärblasen, wodurch mit feingeschlitzten Belüftern im Vergleich zu gröber geschlitzten Belüftern gleichen Typs ein höherer Sauerstoffeintrag erreicht wird. So wurde ein Anstieg des Sauerstoffeintrags um bis zu 23 % erreicht. Trotz des höheren Druckverlustes der feingeschlitzten Belüfter, stieg der Sauerstoffertrag um bis zu 17 %. Bei erhöhten Salzkonzentrationen kann die Effizienz des feinblasigen Belüftungssystems also durch eine Anpassung des Belüftermembrandesigns signifikant erhöht werden, ein Fakt, den es künftig auch bei der Bemessung zu berücksichtigen gilt. Ein optimierter Bemessungsansatz wird im Rahmen der Thesis vorgestellt, welcher eine bedarfsgerechte Bemessung feinblasiger Druckbelüftungssysteme bei erhöhten Salzkonzentrationen ermöglicht.