Oswald Schulze Stiftung

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1 Oswald Schulze Stiftung 1 Technische Innovationen bei der reinigung 27. September 2018 Münster Anaerobe Verfahren zur Vorbehandlung organisch hochbelasteter Abwässer - Einsatzchancen und Beispiele Prof. Dr. Karl-Heinz Rosenwinkel, Mariano Noack und Maike Beier Leibniz Universität Hannover; Eggert Osterloh aqua-consult Ing. GmbH Gliederung 2 Einleitung Biologische Grundlagen Anaerobe Reaktoren und Auslegung Anaerobe-Aerobe Behandlung Beispiel Hefe: Besonderheiten/Bilanzen CSB, Schwefel und Stickstoff autotrophe Deni, Geruch Zusammenfassung / Ausblick 1

2 Biologische Grundlagen 1. Mikroorganismengruppe (acidogene Bakterien) Polymere Substrate (Kohlenhydrate, Fette, Eiweiß) Bruchstücke und gelöste Polmere Hydrolyse- Phase Versäuerungs - Phase 3 Saure Gärung 2. Mikroorganismengruppe (acetogene Bakterien 3. Mikroorganismengruppe (methanogene Archaeen) H 2 CO 2 org. Säuren Essigsäure Essigsäure (Acetat) Alkohole Acetogene- Phase Methanogene- Phase Umsetzung der Zwischenprodukte zu Methan Methan Einflussfaktoren auf den anaeroben Prozess 4 Sulfat- und Sulfidschwefel Sulfatreduzierer nutzen gleiche Substrate wie methanogene Archaeen Störung, Verschlechterung Biogas Hohe H 2 S-Gehalte wirken hemmend auf methanogene Archaeen und Sulfatreduzierer Verhältnis CSB red /S red > 15 Durch H 2 S entstehen Korrosionsprobleme Biologische Entschwefelung; Zugabe Raseneisenerz Ammonium und Nitratstickstoff NH 4 -N: min. CSB/N/P = 800/5/1 NH 4 -N > mg/l bei ph = 7 keine Hemmung NH 4 -N ~ mg/l bei ph = 8 Hemmung Nitrat-N: O 2 -Quellenersatz 2

3 Anaerobe Reaktoren 5 Biogas zweite Stufe Schlammbett erste Stufe UASB-Reaktor IC -Raktor Biobed -Raktor R2S E2E EGSB-Verfahren Begasung Anaerobes Membranverfahren (AMBR) Anaerobes Belebungsverfahren Festbettreaktor Fließbettreaktor Anaerobe Reaktoren Belastungen großtechnischer Anaerobanlagen 6 Reaktortyp Raumbelastung [kg CSB/(m³ d)] Zulaufkonzentration C o,csb [mg/l] Aufstromgeschwindigkeit [m/h] Anaerobes Belebungsverfahren UASB EGSB i.d.r. 10 T = 20 C B R = 4-6 T = 35 C B R = 8-20 i.d.r. 20 T = 20 C B R = 7-13 T = 35 C B R = ,5-1, Festbettreaktor Fließbettreaktor inkl. 0,1-1 inkl inkl. 3

4 Beispiel der Anwendung der anaeroben Vorbehandlung mit autotropher N-Elimination 7 Sowohl Melasse als auch Rübendicksaft als Rohstoffe für die Hefeproduktion Wechselnde Einsatzverhältnisse schwankende zusammensetzung Quelle: aqua consult Zielsetzungen: Reduzierung des Energieverbrauchs für den aeroben C-Abbau auf der kommunalen KA Energiegewinn durch Anaerobtechnik N-Elimination ohne externe Kohlenstoffquelle Reduzierung des Schlammanfalls Vermeidung einer Anlagenerweiterung der kommunalen KA Beispiel der Anwendung der anaeroben Vorbehandlung mit autotropher N-Elimination 8 Fließschema der Hefeabwasserbehandlung: VVV ~1.020 m³ VCH4 ~860 m³ VDN ~490 m³ VN ~980 m³ VNB ~490 m³ Hefefabrik M+A VV K o CH4 Z K DN N NB S Kanalnetz B d, CSB ~ 14,5 t/d B d, N ~ 1,1 t/d Dampfkessel Heizkessel BHKW Stufenkonzept Anaerobstufe, nachgeschaltete Nitritation/ autotrophe Sulfidoxidation in der Denitritation Industrietage Wassertechnik: Anaerobtechnik/Deammonifikationam Bsp. Hefeindustrie / Lange, Osterloh, Rosenwinkel /

5 Grundlagen II -Der dritte Weg Quelle: Trautmann 9 Hydrolyse Versäuerung H 2 + CO 2 Acetogenese Acetat Methanogenese CH 4 Anaerobe Umsetzung von Betain nach Naumann (1983): C 5 H 11 NO 2 + 0,95 C 3 H 7 NO 3 => 1,66 CH 3 COOH + C 2 H 6 O + 0,97 C 3 H 9 NH + 0,95 NH 3 +CO 2 Betain + 0,95 L-Alanin => 1,66 Essigsäure + Ethanol + 0,97 Trimethylamin + Trimethylamin 0,95 Ammoniak + Kohlendioxid Reaktion der methylotrophen Methanogenese: 4 (CH 3 )3NH + 6 H 2 O => 9 CH CO H 2 O + 4 NH 3 Beispiel der Anwendung der anaeroben Vorbehandlung Abbau und äquivalent, Vergleich für Hefeabwasser 10 CSB-Abbau, Anaerob, Frachten und Energie 2017/ 2018 CSB-Bilanz Betain nicht als CSB erfasst reale CSB-Zulauffracht % höherer ertrag undbelastung Refraktärer CSB ca. 12% vom Zulauf 5

6 11 Biologische Entschwefelung des Biogases Zweistufiger Biowäscher 1. Übergang von H 2 S in die Flüssigphase, H 2 S + NaOH NaHS + H 2 O 2. Regeneration der Natronlauge mit Luftsauerstoff, NaHS + 0,5 O 2 NaOH + S Gesamtr.: H 2 S + 0,5 O 2 S 0 + H 2 O Oxidation durch autotrophe Mikroorganismen (susp. oder BF) Nährstoffzugabe N und P, exotherme Reaktion! Sulfothane Biogasentschwefelung (Veolia) Oxidation von Schwefelverbindungen aus Ablauf Anaerobstufe mit Nitrit, Nitrat und O2 12 chemische Oxidation mit O 2 z.b. 2HS - +2O 2 S 2 O H 2 O biol. Oxidation von H 2 S aerob mit Luftsauerstoff z.b. H 2 S + 0,5 O 2 S 0 + H 2 O Autotrophe Denitrifikation (H 2 S, HS -, S 2- ) mit NOx, z.b. S NO 2- SO N 2 verfügbare Menge an O 2 /NOxbestimmt Endprodukt (S 0 oder SO 4 ) schneller Umsatz, hoher Yield, hohe H 2 S- Konzentrationstoleranz (>> 100 mg/l H 2 S) durch z.b. Thiobacillusspp., Thiomicrospiraspp., Thiomonas spp. 6

7 Stickstoffnachbehandlungsmöglichkeiten/-vergleich Nitrifikation/ Denitrifikation NH 4 + NH 4 + NH + NH + 4 NO 4 N 2 CSB/KN: autotrophe Denitrifikation 2- S NO - NO N 2 autotroph N itritation / Denitritation autotroph Deam m onifikation autotroph NO NO autotroph heterotroph heterotroph autotroph N 2 SO N 2 CSB/KN: ~5,5 aerob/anoxisch CSB/KN: ~3,6 aerob/anoxisch aerob/anoxisch Nitrifikanten und Planctomyceten (z.b. Brocadia anammoxidans ) CSB/S: 0 anoxisch 13 Energiebedarf 3,5-5,7 kwh/kg N 2,5-3kWh/kg N 1,5 kwh/kg N 2,5-3kWh/kg N 14 Stickstoffbilanz nicht hydrol. org. N ca. 12% im Zulauf SK reicht für 94% Nitritation N-Eli 65-75% mit Rest abbaub. CSB Abl.anaer. + 7,5% Q Zul Autotrophe Deni Anteil ca. 1/3 von Gesamt_N_Eli Deammonifikation Langzeithemmung 7

8 Beispiel der Anwendung der Gesamtanlage CSB, N für Aerob 15 ɳ [%] ɳ N ges., Aerob Anlage [%] ɳ CSB, An- /Aerob [%] Wirkungsgrade Gesamtanlage, Aerobanlage und Teilstrom 2017/ 2018 Woche Kosten und Energiebilanzen: Vorbehandlung/Mitbehandlung Kommunal Spezifische Investition: 290 T je t CSB T je t N Energie-und CO 2 -Bilanzen (Trautmann 2015): Anaerobtechnik/Deammonifikationam Bsp. Hefeindustrie / Lange, Osterloh, Rosenwinkel / Verfahren: Mitbehandlung in kommunaler KA Energiebilanz 12,7 kwh/ m³ CO 2 -Bilanz 4,9 kg CO 2 eq/m³ Verdampfer und Anaerobie 86,1 kwh/ m³ 20,3 kg CO 2 eq/m³ Anaerob und Deammonifikation -42,4 kwh/ m³ -7,7 kg CO 2 eq/m³ Mögliche Ausbaustufe: Nachschaltung einer Ozonanlage zur Reduzierung des refraktären CSB Lachgas: Forschung hinsichtlich N 2 und N 2 O Emission 8

9 Zusammenfassung und Ausblick 17 großtechnisches Beispiel der Hefeindustrie: Anaerobe Vorbehandlung im EGSB mit nachfolgender N-Elimination Nitritation/ Denitritation (Sulfidoxidation in der Deni, autotrophe Deni) energieeffiziente und betriebssichere Elimination des Kohlenstoffs und des Stickstoffs (Biogasentschwefelung und Geruchsproblematik) besondere Beachtung: Kapazitätsreserven für behandlung und verwertung vorsehen Temperatur und Nährstoffvers. in biol. Entschwefelung beachten (hohe Sulfidkonzentrationen, Kühlung) Kapselung der Anlagenteile und mehrstufige Abluftbehandlung vorsehen (Photoionisation bzw. - oxidation) evtl. Fackelanlage mit Stützfeuerung für Inbetriebnahme Anaerobtechnik/Deammonifikation am Bsp. Hefeindustrie / Lange, Osterloh, Rosenwinkel / Zusammenfassung & Ausblick C-Elimination 18 Anaerobe Verfahren: Für unterschiedliche industrielle Abwässer erprobt Einflussparameter: T, ph, org. Säuren, S, N, P, Spurenelemente Unterschiedliche Verfahren im Einsatz, Trend: Hochlast-Reaktoren Vorteile: Biogasproduktion, geringe Schlammproduktion Nachteil: kein N-Elimination Besonders zu beachten: CSB-Bilanzen, S-Bilanzen, Geruch N-Elimination sinnvoller Einsatz: Deammonifikation, autotrophe N-Elimination geringec-quelle aus Rohabwasser, geringer E-Bedarf Zu beachten: CSB-Bilanzen und N-Bilanzen, Hydrolisierbarkeit Kombination Anaerob + autotrophe Deni zur N-Elimination wirtschaftlich und ökologisch! 9

10 19 ISAH Anaerobe-aerobe Industrieabwasserreinigung Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! 10