DWA-Bayern – Lehrerbesprechung 2010 Stickstoffrückbelastung Quellen ● Relevanz ● Lösungsansätze Dr.-Ing. Dieter Schreff Dr- Schreff Gesamtschema Abwasser- und Schlammbehandlung Interne Kreislaufströme = Rückbelastung! VKB Biologie N (PS): 25 – 50 mg/goTR P (PS): 7 – 13 mg/goTR NKB N (ÜS): 90 – 120 mg/goTR P (ÜS): 25 – 80 mg/goTR Eindickung Fremdschlamm Co-Fermentation Faulung Entwässerung Trocknung Dr- Schreff Kläranlage mit Faulung Schlammalter tTS = 10 – 18 d Getrennte, anaerobe Schlammstabilisierung Dr- Schreff Rückbelastung! Kläranlage „ohne“ Faulung Simultane, aerobe Schlammstabilisierung Schlammalter tTS ≥ 25 d Dr- Schreff Interne Rückbelastung durch Schlammbehandlung Interne Rückbelastung durch Schlammbehandlung … 1.000 Trend: Bd,N (EW) = 0,0015 * EW - 53,08 R2 = 0,8634 Bd,N [kg NH4-N/d] 800 (1) zwischen 10 und 20 % bezogen auf den Zulauf beim Stickstoff und Phosphor 600 (2) Hydraulische Rückbelastung zu vernachlässigen (bei komm. KA) 400 (3) Abhängig von der Art der Schlammbehandlung (…) 200 0 0 Quelle: 200.000 400.000 600.000 Anlagengröße [EW] 800.000 Dr- Schreff Grömping, M., Haeske, J., Kolisch, G.: Separate Teilstrombehandlung von Prozesswasser der Schlammentwässerung kommunaler Kläranlagen in Deutschland - Vorstellung ausgeführter Anlagen. In: Stickstoffrückbelastung. Enviro Consult, Aachen, 1998 Interne Kreislaufströme – Relevanz Schlammeindickung (statisch oder MÜSE) • Wenig Stickstoff, bei statischer ED und bio-P: erhöhte Phospor-Rückbelastung • Größter Anteil an hydraulischer Rückbelastung Trübwasser aus Faulung (= anaerobe Schlammstabilisierung) • Nur bei diskontinuierlicher Betriebsweise Zentrat/Filtrat aus Schlammentwässerung • Kaum CSB, allerdings schwer-abbaubare Anteile • Hohe Stickstoffkonzentration (600 – 1.500 mg/l) abhängig von TR, hoTR, etc. • Ggf. unregelmäßiger Anfall (Entwässerungszeiten!) • Entfällt bei Niedertemperaturtrocknungssystemen Dr- Schreff Brüden aus Schlammtrocknung Auswirkungen auf die Abwassereinigung (Hauptstrom) Nitrifikation: - mehr Beckenvolumen wegen Stoßbelastungen bzw. erhöhtem Schwankungsfaktor (maximale/mittlere Fracht) - ebenso erhöhter Sauerstoffbedarf - ggf. erhöhte Ablaufkonzentrationen + Bewirtschaftung + 24h-SEW-Betrieb Denitrifikation: - mehr Beckenvolumen wg. schlechterem C/N-Verhältnis - ebenso erhöhte Rezirkulation (bei VDN) bzw. verlängerte anoxische Phasen - ggf. erhöhte Ablaufkonzentrationen + Dosierung C-Quelle Dr- Schreff + Teilstrombehandlung Bewirtschaftung der Prozessabwässer Mengenausgleich über 24 Stunden Primärschlamm Faulbehälter Polymerdosierung Schlammlagerung Zentrifugen (aus Vorklärung) ÜberschussSchlamm (vom Voreindicker) Alternativ: Zudosierung in den Nachtstunden, Achtung: N/C-Verhältnis! Regeleinheit Zulauf KA Dr- Schreff Pufferbehälter Verfahrensübersicht Biologische Verfahren Physikalische Verfahren Ziel: • N-Elimination (N/DN) • Nitrifikation (nur N) • Nitritation/Denitritation (Sharon) • Deammonifikation Verfahren: • Belebtschlamm (Belebung, SBR, Chemostat) • Biofilm (Tropfkörper, Wirbelbett) Ziel: • N-Elimination mit Wertstoffrückgewinnung Verfahren: • Luftstrippung mit saurer Wäsche • Dampfstrippung • MAP-Fällung • (pH-Wert-Verschiebung) + Temporärer Betrieb möglich + kein Reststoffanfall + geringere Investitionskosten Dr- Schreff + Akzeptanz Chemisch-physikalische Verfahren Dampfstrippung im Unterdruck - Wärmebedarf (T ca. 130°C) - hoher Laugebedarf (NaOH) - Produktverwertung („Starkwasser“) Luftstrippung mit saurer Wäsche - Wärmebedarf - hoher Laugebedarf (NaOH) und Säurebedarf (H2SO4) - Produktverwertung („Ammoniumsulfat“) Quelle: http://www.atemis.net/docs/referenzblaetter/ Spittal_Strippung_Saure_Waesche.pdf MAP*)-Fällung (bei bio-P-Anlagen) *) Magnesium-Ammonium-Phosphat Dr- Schreff - P-Rückgewinnung (Dünger!) - hoher Chemikalienbedarf (MgO bzw. MgCl2, H2PO4) - Trennung durch Hydrozyklon für Produktverwertung (MAP) Biologische Behandlung mit SBR-Verfahren („konventionell“, N/DN) Hilfsmitteldosierung (Methanol, Fällmittel, Entschäumer und Brauchwasserbesprühung) SBR 1 Druckbelüftung (3 Drehkolbengebläse) Trübwasser Ablauf Vorlage SBR 2 Zentrat Speicher SBR 3 Schlamm Dr- Schreff Biologie – alternativ: Nitritation - Denitritation 25% weniger Sauerstoff 40% weniger Kohlenstoff 1 mol NO3- 1 mol NO2CO2 → 2,9 g CSB (Biomasse) 1 mol NO2- 1,4 mol O2 1 mol NH4+ 34 g CSB (Substrat) → 10 g CSB (Biomasse) 0,5 mol N2 Dr- Schreff Umsetzung mit SBR-Verfahren, Steuerung über pH-Wert, z.B. ARA Strass (A) Biologie – alternativ: Deammonifikation Umsetzung mit Biofilmoder SBR-Verfahren, z.B. KA Hattingen (D), Heidelberg (D), Zürich (CH) 60% weniger Sauerstoff 100% weniger Kohlenstoff 1 mol NO3- 1 mol NO21,14 mol H+ CO2 60% Partielle Nitritation 0,8 mol O2 40% CO2 Anaerobe Ammoniumoxidation 0,03 mol H+ 0,44 mol N2 0,11 mol NO3- Dr- Schreff 1 mol NH4+ 1 mol NO2- Vergleich konventionelle – neue biologische Verfahren Neue biologische Verfahren: - Deutlich geringere Betriebskosten (Strom ca. 2,5-3,0 kWh/m³, keine C-Quelle erforderlich, kein/kaum ÜS) - Hohe Umsatzraten, dadurch reduzierte Reaktorvolumina - Vergleichbare Investitionskosten, ggf. erhöhte Anforderungen an die maschinellen Einrichtungen (Variationsbreite der Gebläse, etc.) und ggf. Isolation der Reaktoren - Sensitivität der Mikroorganismen gegenüber pH-Wert bzw. Pufferkapazität, Temperatur, etc. noch nicht ausreichend untersucht (Betriebsstabilität?) - maximal erreichbare Stickstoffelimination ca. 80% Dr- Schreff - allgemeine Verfügbarkeit (Bemessung/Betrieb, Lizenzen) Zusammenfassung (1) ►Interne Rückbelastung stammt aus unterschiedlichen Quellen, wurde und wird oft unterschätzt oder vergessen. ►Kritisch nur bei getrennter, (an)aerober Schlammstabilisierung. ►Vorwiegend gilt dies für Stickstoff (10 – 20 % der Zulaufbelastung), teilweise aber auch beim Phosphor (insbesondere bei bio-PAnlagen). ►Verbesserung durch verlängerte Entwässerungszeiten und/oder durch Bewirtschaftung der Prozesswässer (z.B. Q = konst.). ►Teilstrombehandlung sinnvoll, wenn a) hohe bzw. schwankende interne Rückbelastung vorhanden ist b) Kohlenstoffmangel im Hauptstrom (d.h. niedriges C/N-Verhältnis) Dr- Schreff c) umfangreiche Ausbaumaßnahmen im Hauptstrom dadurch zu vermeiden sind Zusammenfassung (2) ►Konventionelle - biologische Verfahren zur Teilstrombehandlung (z.B. N/DN mit SBR) laufen betriebsstabil ohne großen MSR-Aufwand; allerdings hohe Betriebskosten (Strom + C-Quelle) ►„Moderne“ - biologische Verfahren (über Nitrit bzw. Deammonifikation) weisen deutliche Vorteile hinsichtlich der Betriebskosten auf, hier allerdings (noch) erhöhter MSR-Aufwand. ►Chemisch-physikalische Verfahren (Luftstrippung mit saurer Wäsche) haben ebenfalls hohe Betriebskosten (Chemikalien), allerdings ist hier ein Kostenausgleich durch Wertstoffgewinnung (Dünger) möglich; darüber hinaus sind hier kurzfristige In- /Außerbetriebnahme möglich. Dr- Schreff ►Die Notwendigkeit und Wirtschaftlichkeit von Maßnahmen zur Prozesswasserbewirtschaftung bzw. –behandlung muss für jede Kläranlage im Einzelfall untersucht und bewertet werden, wobei i.d.R. eine Mindestgröße sinnvoll ist.
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