Untersuchungen zur Optimierung der Prozesswasserbehandlung der Abwasserreinigungsanlage Tobl

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1 Department für Wasser-Atmosphäre-Umwelt Institut für Siedlungswasserbau, Industriewasserwirtschaft und Gewässerschutz Univ. Prof. DI Dr. Raimund Haberl Bachelorarbeit zur Erlangung des akademischen Grades eines Bakkalaureus der Technischen Wissenschaften der Studienrichtung Kulturtechnik und Wasserwirtschaft an der Universität für Bodenkultur Wien Untersuchungen zur Optimierung der Prozesswasserbehandlung der Abwasserreinigungsanlage Tobl eingereicht bei: Univ. Prof. Dipl.-Ing. Dr. nat. techn. Ertl Thomas von: Dietrich Philipp Matr.Nr.: Zingerle Thomas Matr.Nr.: Wien am 27. Juni 2014

2 Vorwort Die hier vorliegende Bachelorarbeit wurde am Institut für Siedlungswasserwirtschaft, Industriewasserwirtschaft und Gewässerschutz unter der Leitung von Univ. Prof. Dipl. Ing. Dr. nat. techn. Ertl Thomas und Dipl. Ing. Dr. nat. techn. Weissenbacher Norbert durchgeführt. Ansprechpartner in fachlichen Fragen war Doz. Dipl.-Ing. Dr. techn. Wett Bernhard von ARA consult GmbH. An dieser Stelle möchten wir die Gelegenheit nutzen und dem gesamten Mitarbeiterteam der Ara Tobl in Pflaurenz danken, dass Sie uns so kräftig mit Rat und Tat zur Seite gestanden sind und unsere Arbeit mit den ihnen zur Verfügung stehenden Mitteln unterstützt haben. Vor Allen gilt der Dank dem Geschäftsführer Dr. Ing. Engl Konrad und dem Betriebsleiter Kirchler Wolfgang. Seite I

3 Einleitung Inhaltsverzeichnis 1. Einleitung Stickstoffrückbelastung Prozesswasserbehandlung Anaerobe Ammoniumoxidation (Anammox) Verfahrenstechnik Energiehaushalt Veranlassung zur Untersuchung Zielsetzung und Aufgabenstellung Allgemeine Grundlagen Ara Tobl Vorklärung Biologische Reinigung/Phosphorfällung Nachklärung Schlammbehandlung Prozesswasser Anaerobe Deammonifikation Demon-Verfahren Steuerungsparameter Verfahrensablauf Anammox-Bakterien Reaktionsgleichung der anaeroben Ammoniumoxidation Kalk-Kohlensäure-Gleichgewicht Material und Methoden Prozessleitsystem Laboranalysen Erhebung des Verbesserungspotentials Versuchsansatz Berechnung der benötigten Menge Kalk Erweitertes Messprogramm Versuchsdurchführung Materialien Versuchsaufbau Zeitlicher Ablauf des Versuchs Analyse eines Zyklus mit und ohne Kalkzugabe Erhebung der Auswirkungen auf die Energiebilanz Ergebnisse und Diskussion Ergebnisse des erweiterten Messprogramms Brüden und Trübwasser Bedarf an gebranntem Kalk Philipp Dietrich; Thomas Zingerle Seite 1

4 Einleitung 5.3 Wirkungsgrad des Demon-Reaktors Ergebnisse der Analyse des Zyklus ohne und mit Kalkzugabe Auswirkungen auf die Energiebilanz Interpretation und Diskussion Schlussfolgerungen und Ausblick Literatur...34 Philipp Dietrich; Thomas Zingerle Seite 2

5 Einleitung 1. Einleitung 1.1 Stickstoffrückbelastung Auf Abwasserreinigungsanlagen (Ara) entstehen durch bestimmte Verfahren interne Stoffkreisläufe, die einen erhöhten Energiebedarf bewirken. So muss das Prozesswasser, das bei der Entwässerung und Trocknung des Klärschlamms anfällt, in den Zulauf der Ara geleitet und erneut gereinigt werden. Dadurch entsteht eine beträchtliche Rückbelastung für die biologische Reinigung, da über 20% des gesamten, der Ara zufließenden Stickstoffs wiederholt abgebaut werden muss. Diese Stickstoff-Rückbelastung ist für eine Ara problematisch, da erhebliche Schwankungen des Abbaugrads der Stickstoffverbindungen auftreten und somit die Einhaltung, der gesetzlich vorgeschriebenen Ablaufwerte nur unter erhöhtem Aufwand erreicht werden kann. Um die Probleme, die diese Kreislaufführung des Stickstoffs bewirkt, zu unterbinden wurden Verfahren entwickelt, die das Prozesswasser in einen Seitenstrom führen und dort, getrennt vom Hauptabwasserstrom, behandeln. 1.2 Prozesswasserbehandlung Verfahren die angewendet werden um Ammonium aus dem Prozesswasser zu entfernen sind unter anderen das Strippen von Ammonium und die Nitritation/Denitritation. Beim Strippen wird Ammonium durch Einblasen von Luft ausgetrieben, wobei vor allem Ammoniak, die dissoziierte Form des Ammoniums in Wasser, entweicht. Die Nitrititaion/Denitiritaion ist das gleiche Verfahren wie die Nitrifikation/Denitrifikation, mit dem einzigen Unterschied, dass bei der Nitritation die Nitrifikation nach der Oxidation von Ammonium zu Nitrit abgebrochen und die Denitritation eingeleitet wird. Dadurch lässt sich ein Teil der Energie, die für die Belüftung notwendig ist, einsparen. Jedoch ist bei diesem Verfahren die Beigabe von externem organischem Kohlenstoff notwendig, da das Prozesswasser nicht genügend organischen Kohlenstoff, den Bakterien für die Denitritation benötigen, enthält. 1.3 Anaerobe Ammoniumoxidation (Anammox) Seit einigen Jahrzenten gibt es ein Verfahren zur Prozesswasserbehandlung, das eine Bakterienart nützt, die in den 90er Jahren durch Strous et al zum ersten Mal beschrieben worden ist. Das Besondere dieser Bakterien ist, dass sie unter anaeroben Bedingungen Ammonium mit Nitrit als Elektonenakzeptor zu molekularem Stickstoff oxidieren können. So besteht dieses Verfahren aus einer Kombination von Nitritation und anaerober Ammoniumoxidation. Dieses Verfahren wurde in den letzten Jahrzenten eingehend erforscht und in verschiedensten Ausführungen auf über 100 Ara weltweit angewandt. Der Vorteil dieses Verfahrens besteht darin, dass bis zu 60% des Kohlenstoffs und 40% der Energie für die Belüftung, im Vergleich zur Nitritation/Denitritation, eingespart werden können. Wett et al 1.4 Verfahrenstechnik Prinzipiell können bei der Anwendung der anaeroben Ammoniumoxidation zwei grundsätzliche Anordnungen unterschieden werden. Zweistufige Anordnungen bestehen aus zwei räumlich getrennten Becken. Im ersten wird die Nitritation betrieben und im zweiten die anaerobe Ammoniumoxidation. Der Vorteil dieser Anordnung liegt darin, dass die zwei Prozesse unabhängig voneinander geregelt werden können. Einstufige Anordnungen bestehen aus nur einem Becken in welchem zeitlich getrennt beide Teilschritte, Nitritation und anaerobe Ammoniumoxidation, durchgeführt werden. Es gibt zurzeit verschiedene patentierte Verfahrensanordnungen die im folgenden aufgelistet sind: Philipp Dietrich; Thomas Zingerle Seite 3

6 Einleitung - SHARON-Verfahren: Zweistufiges Verfahren ohne Biomasserückhalt in der Nitritation (Single reactor for High activity Ammonia Removal Over Nitrite) - DEMON-Verfahren: Einstufiges Verfahren mit ph-wert Regelung der Belüftung - CANON: Einstufiges Biofilmverfahren (Completely Autotrophic Nitrogen removal Over Nitrite) - OLAND: Einstufiges Verfahren mit sauerstoffgeführter Belüftung (Oxygen-limited autotrophic nitrification/denitrification) Auf der Ara Tobl wird das angeführte Demon-Verfahren eingesetzt. 1.5 Energiehaushalt Durch die getrennte Prozesswasserbehandlung kann auf einer Ara viel Energie eingespart werden. Dadurch, dass der Stickstoff nicht mehr in der konventionellen biologischen Reinigung abgebaut wird können hohe Stoßbelastungen vermieden werden. Dies bedeutet stabilere Prozessbedingungen für die biologische Reinigung und damit bessere Werte im Ablauf. Auch kann die Prozesswasserbehandlung den Klärschlamm dahingehend beeinflussen, dass eine erhöhte Gasausbeute bei der Faulung erreicht werden kann. Die Reduzierung des Energieverbrauchs bei der Belüftung durch getrennte Prozesswasserbehandlung und der Energiegewinn durch vermehrte Gasproduktion wirken sich positiv für die Energiebilanz einer Ara aus. Dies geht soweit, dass eine Energieautarkie angestrebt werden kann. 1.6 Veranlassung zur Untersuchung Auf der Ara Tobl weist die Prozesswasserbehandlung im Demon-Verfahren seit den Sommermonaten 2013 instabile Prozessverhältnisse auf. Dies hat große Auswirkungen auf den Wirkungsgrad, hinsichtlich Ammoniumabbau und Energiebilanz, des Verfahrens. Im Rahmen dieser Arbeit soll versucht werden die Gründe für die instabilen Prozessverhältnisse zu erkennen, und mögliche Lösungsansätze zu finden. Dazu wurden in den Monaten August, September und Oktober Untersuchungen durchgeführt und anschließend ausgewertet. Die Ergebnisse dieser Untersuchungen werden in dieser Arbeit dargestellt und interpretiert. Philipp Dietrich; Thomas Zingerle Seite 4

7 Zielsetzung und Aufgabenstellung 2. Zielsetzung und Aufgabenstellung Das Ziel der hier vorliegenden Arbeit ist zum einen die Auswirkungen der Prozesswasserbehandlung auf den Energiehaushalt der Ara Tobl zu untersuchen und darzustellen. Dadurch soll das Potential (Energieeinsparung) für andere Kläranlagen abgeschätzt werden können. Zum anderen soll untersucht werden ob eine Steigerung der Abbauleistung der Prozesswasserbehandlung möglich ist und welche Maßnahmen dafür getroffen werden müssen. Die Untersuchungen des Energiehaushalts sollen die Vorteile der Prozesswasserbehandlung im Demon-Verfahren gegenüber dem vormaligen, auf der Ara Tobl angewandten Verfahren einer einfachen Strippung und Rückleitung der Prozesswässer in den Zulauf der Anlage aufzeigen. Dabei steht im Vordergrund, wie sich der Energiebedarf der Belüftung für die Stickstoffelimination durch eine getrennte Behandlung des Prozesswassers verändert. Die im folgenden aufgelisteten Punkte können als Aufgabenstellung dieser Arbeit angesehen werden: Beschreibung der energetischen Situation der Ara Tobl hinsichtlich der Prozesswasserbehandlung Darstellung der Steigerung/Abnahme des Energiebedarfs durch die Installation der Prozesswasserbehandlung im Demon-Verfahren Untersuchung zu den Prozessbedingungen des Demon-Reaktors Berechnung der nötigen Menge Alkalinität, die zugegeben werden muss um die Prozessbedingungen zu verbessern Beobachtung der Veränderung der Abbauleistung durch Alkalinitätzugabe Philipp Dietrich; Thomas Zingerle Seite 5

8 Allgemeine Grundlagen 3. Allgemeine Grundlagen 3.1 Ara Tobl Bild 1: Dieses Bild ist eine Ansicht der Betriebsgebäude der Ara Tobl, die rechts unten im Bild zu sehen sind. Die Ara Tobl ist eine von fünf Anlagen die von der ARA Pustertal AG geführt werden. Sie liegt in Pflaurenz bei St. Lorenzen im mittleren Pustertal. Das Einzugsgebiet umfasst 900 km². Auf der Ara werden die Abwässer von 13 Gemeinden gereinigt und in die Rienz, der örtlichen Vorflut, eingeleitet. Es ergeben sich die Dimensionierungsgrundlagen von: Hydraulische Belastung Spez. Abwasseranfall Trockenwetteranfall QTWA Regenwetteranfall QRWA Tägliche Abwassermenge Biologische Belastung Stickstofffracht Rückbelastung Einwohnergleichwerte 300 l/e.d 570 l/s 1140 l/s m³/d Einwohnergleichwerte kg Nges/d Ca. 20% der Stickstofffracht (ca.312 kg Nges/d) Tab. 1: In der Tabelle sind die Ausbaugrößen der Ara Tobl angegeben. Die biologische Belastung setzt sich zusammen aus 33% ständiger Einwohner, 47% Tourismus und 20% Industrie Vorklärung Das zu reinigende Abwasser durchläuft in der angeführten Reihenfolge eine Grobrechenanlage, einen belüfteten Sandfang kombiniert mit einem Fettabscheider und eine Feinrechenanlage. Anschließend wird das gesamte Abwasser aufgeteilt auf vier gleich ablaufende Behandlungslinien. Jede dieser einzelnen Linien besteht aus zwei Vorklärbecken, einem Belebungsbecken und zwei Nachklärbecken. Philipp Dietrich; Thomas Zingerle Seite 6

9 Allgemeine Grundlagen Jedoch sind derzeit nur drei der vier Linien in Betrieb, da die geforderte Abbauleistung mit drei Linien erreicht werden kann. Die vierte Linie wird zur Prozesswasserbehandlung genutzt, indem ein Nachklärbecken als Vorlagebehälter, das zweite Nachklärbecken als Sequencing Batch Reactor und die zwei Vorklärbecken als Auslauf dienen. Im Vorklärbecken der Abwasserreinigung wird eine physikalische Reinigung, Sedimentation durchgeführt. Der dabei entstehende Primärschlamm wird abgezogen und der Schlammeindickung zugeführt Biologische Reinigung/Phosphorfällung Im Belebungsbecken wird das Abwasser einer weitergehenden biologischen Reinigung unterzogen, was bedeutet, dass dort der Großteil des Kohlenstoffs, mit Hilfe von eingebrachtem Sauerstoff, zum Aufbau der Körpersubstanz von Bakterien und einzelligen Lebewesen dient. Daneben wird auch der im Abwasser enthaltene Stickstoff durch Nitrifikation und Denitrifikation in molekularen Stickstoff umgewandelt und kann somit schadlos in die Atmosphäre entweichen. Außerdem wird im Belebungsbecken eine chemische, simultane Phosphorfällung mit Hilfe von Eisensulfat vorgenommen Nachklärung Nach der Belebungsanlage ist eine Nachklärung angeordnet. Diese Nachklärbecken durchfließt das Abwasser sehr langsam, dadurch kann die im Wasser enthaltene Bakterienmasse, die im Belebungsprozess keine Verwendung mehr findet, auf den Grund des Beckens absinken und als sogenannter Überschussschlamm abgezogen werden. Das gereinigte Abwasser wird schlussendlich in die Vorflut eingeleitet Schlammbehandlung Der abgezogene Primär- und Überschussschlamm wird einer Voreindickung zugeführt. Dabei wird der Primärschlamm über eine Siebtrommel und der Überschussschlamm über ein Siebband dynamisch entwässert und anschließend der gesamte Schlamm in einem Behälter gespeichert und dort statisch eingedickt. Der behandelte Schlamm wird weitergeleitet und durch zwei Wärmetauscher, die mit Abwärme von drei Gasmotoren und der rückgewonnen Wärme des Faulschlamms betrieben werden, auf 38 C erwärmt. Mit dem erwärmten Schlamm werden nun die zwei Faultürme beschickt. Dort entsteht unter anaeroben Bedingungen Methangas, das in einem Gasometer zwischengespeichert werden kann und zum Betreiben von den drei Gasmotoren und einem Heizkessel benutzt wird. Nach Tagen, wenn der Schlamm ausgefault ist, wird er aus den Faultürmen abgezogen und über einen Wärmetauscher, zur Energierückgewinnung, geführt. Der auf 18 C abgekühlte Schlamm wird in Behältern eingedickt und dann einem Zwischenspeicher zugeführt, der als Vorlagebehälter für die Schlammentwässerung dient. Aus dem Vorlagebehälter werden drei Schneckenpressen beschickt. Der entwässerte Schlamm erreicht einen Trockensubstanzgehalt von ca. 25%. Das bei diesem Prozess anfallende Schlammwasser, Trübwasser genannt, wird in einem Speicherbehälter aufgefangen und von dort kontinuierlich der Prozesswasserbehandlung zugeführt. Der entwässerte Schlamm wird von Transportschnecken weitergeleitet und einer Trocknung unterzogen. Mit Hilfe eines Bandtrockners kann ein Trockensubstanzgehalt von ca. 95% erreicht werden. Das durch die Trocknung abgetrennte Wasser, bezeichnet als Brüden, wird aufgefangen und in den Speicherbehälter für Trübwasser geleitet. Der getrocknete Schlamm, das Granulat, wird nun zum Teil in einem Behälter gespeichert und von dort zu einer Kompostierungsanlage transportiert. Der weitaus größere Teil wird jedoch der internen Verbrennungsanlage zugeführt. Dabei wird das Granulat im ersten Teil einer Drehtrommel bei C verschwelt und im zweiten Teil der Drehtrommel bei C mineralisiert. Durch die Verbrennung entsteht Pyrolyse- und Rauchgas, welche in einer Nachbrennkammer bei 850 C verbrannt werden. Das Rauchgas wird zur Energierückgewinnung über einen Wärmetauscher geführt. Dann wird das abgekühlte Gas in einer trockenen Rauchgasanlage behandelt. Das bei der Verbrennung entstehende ascheartige inerte Material, das Endprodukt Philipp Dietrich; Thomas Zingerle Seite 7

10 Allgemeine Grundlagen der Schlammbehandlung, wird zu einer Recyclinganlage transportiert und unter anderem zu Deponieabdeckungen verarbeitet. Abb.1: Diese Abbildung zeigt einen Übersichtsplan der Ara Tobl. Schema 1: Mit diesem Schema wird versucht die Verfahren, die auf der Ara Tobl ablaufen grob darzustellen. Philipp Dietrich; Thomas Zingerle Seite 8

11 Allgemeine Grundlagen Prozesswasser Das Trübwasser und die Brüden die als Prozesswasser bezeichnet werden, weißen eine sehr hohe Konzentration an Ammoniumstickstoff auf. Das führte zu einer starken Rückbelastung in der Abwasserbehandlung der Ara Tobl, als das Prozesswasser direkt in den Zulauf der Vorklärbecken geleitet wurde. Der Reinigungsaufwand in den Belebungsbecken stieg, da die stoßweise Einbringung von großen Mengen Stickstoff zu einer Hochbelastung der Biologie in der Belebung führte und somit mehr Luft eingeblasen werden musste, was einen erhöhten Energieaufwand bedeutete. Durch die verlängerten Belüftungszeiten wurde die Fähigkeit der Bakterien, Phosphor aufzunehmen, reduziert und es traten vermehrt auch fadenbildende Organismen wie Microthrix parvicella auf, die zu erhöhter Schwimmschlammbildung beitrugen. Um die Probleme zu beseitigen, die bei der Stickstoffrückbelastung entstanden sind, entschloss sich die Führung der Ara Tobl eine Prozesswasserbehandlung zu installieren. Die Wahl fiel auf ein neuartiges Verfahren, die anaerobe Ammoniumoxidation. Dies ist ein Belebtschlammverfahren bei dem durch Belüftung, Ammonium von Bakterien, z.b. Nitrosomonas, zu Nitrit oxidiert wird und weiters, spezielle Bakterien aus der Gattung Planktomyceten, die Anammoxbakterien, unter Luftausschluss Ammonium mit Nitrit zu molekularem Stickstoff umwandeln. Im Vergleich zu anderen Behandlungsmethoden kann bei diesem Prozess viel Energie eingespart werden, da nur ca. die Hälfte des Ammoniums zu Nitrit oxidiert wird, daher viel weniger Luft eingeblasen werden muss. Daneben braucht es auch keine größeren Mengen organischen Kohlenstoffs, da die genutzten Bakterien lithoautotroph sind. Ihr Bedarf an Reduktionsmitteln und Baustoffen wird demnach von anorganischem Kohlenstoff und Ammonium gedeckt. Nachdem diese Prozesswasserbehandlung im DEMON -Verfahren, nach Nhyus und Wett, auf der Ara Tobl in Betrieb genommen wurde, stellte die Betriebsleitung fest, dass nach ca. neun Monaten, in denen der gewünschte Wirkungsgrad der Anlage erreicht werden konnte, die Abbauleistung zurückging. Daher versuchten wir, in einem dreimonatigen Zeitraum dem Leistungsrückgang auf den Grund zu gehen und mögliche Lösungsansätze zu erörtern. Bild 2: Abgelichtet ist der Demon-Reaktor links und der abgedeckte Vorlagebehälter rechts. Philipp Dietrich; Thomas Zingerle Seite 9

12 Allgemeine Grundlagen Schema 2: Gezeigt wird der Demon-Reaktor mit den unmittelbar angeschlossenen Speicherbecken und dem Vorlagebehälter. 3.2 Anaerobe Deammonifikation Die Leitziele des 21. Jahrhunderts beeinflussen sehr stark auch die Arbeitsweiße auf Ara `s, so sollen die verwendeten Ressourcen optimal eingesetzt werden und wenn möglich Energierückgewinnung betrieben werden. In Belebungsanlagen müssen Unmengen von Luft eingeblasen werden um den biologischen Abbau von Stickstoffverbindungen zu ermöglichen. Um, die für diesen Prozess nötige Energie zu reduzieren, wird viel Forschung betrieben. So wurde in den 90er Jahren in den Niederlanden ein Prozess entdeckt der die nötige Luftmenge reduziert und somit viel Energie einspart. Dieser Prozess wurde schon in den 70er Jahren von dem Wiener Chemiker Broda vorausgesagt. Er fand nämlich, aufgrund von thermodynamischen Berechnungen und evolutionstheoretischen Überlegungen, dass es einen Organismus geben muss, der Ammonium mittels Nitrit oxidieren kann. An der University of Delft fanden 1999 die Forscher M. Strous, J. G. Kuenen und M.S.M. Jetten Bakterien, die diesen Abbau beherrschen. Diese Bakterien bilden eine bis dahin unbekannte Gattung und sie werden der Ordnung der Planktomycetales, einer gut abgrenzbaren Abteilung in der Domäne der Bakterien zugeordnet. Ebenso beschrieb diese Forschergruppe die Physiologie dieses Bakteriums und legte somit seine weitreichenden Einsatzmöglichkeiten in der Abwasserreinigung dar. So wird versucht diese Bakterien zu nutzen, da sie, das im Abwasser vorhandene Ammonium mit Hilfe von Nitrit abbauen können, das heißt ein Teil des Ammoniums muss nicht bis zum Nitrat aufoxidiert werden und somit gelingt es viel Energie, die für die Belüftung notwendig wäre, einzusparen. Im Gegenteil versucht man die Nitratation möglichst vollständig zu hemmen, damit möglichst viel vom Stickstoff in der richtigen Form, Ammonium und Nitrit, den Bakterien zur Verfügung steht. Auch versucht man diesen letzten Teilschritt der Nitrifikation zu unterdrücken, da die Bakterien, die für diesen Schritt zuständig sind, wie Nitrobacter, in Konkurrenz zu den Planktomyceten stehen, da sie beide Nitrit als Substrat nutzen. Um den Vorteil, den die Planktomyceten bieten, nutzen zu können, muss also als erstes ein Teil des Ammoniums zu Nitrit oxidiert werden und dazu nutzt man Bakterien wie Nitrosomonas. Philipp Dietrich; Thomas Zingerle Seite 10

13 Allgemeine Grundlagen Abb.2: In dieser Abb. ist zu erkennen, dass die Deammonifikation eine Abkürzung im Stickstoffmetabolismus darstellt. Um diese Art der Stickstoffelimination zu nutzten wurden verschiedene Anordnungen und Kombinationen von Verfahren angewandt und untersucht, die bis jetzt vor allem zur Behandlung von Prozesswasser genutzt wurden. Bezahlt gemacht haben sich dabei vor allem zwei Anordnungen. Zum einen der zeitlich getrennte Abbau von Stickstoff, das heißt in einem Sequencing Batcht Reactor wird zuerst Ammonium zu Nitrit oxidiert und dann Ammonium mit Nitrit zu molekularem Stickstoff umgewandelt(canon,demon). Zum anderen der räumlich getrennte Abbau von Stickstoff bei dem in einem Behälter Ammonium zu Nitrit oxidiert wird und der Auslauf von diesem Behälter in den zweiten Behälter geleitet wird, in welchem dann Ammonium mit Nitrit zu molekularem Stickstoff umgewandelt wird (SHARON). 3.3 Demon-Verfahren Steuerungsparameter Um diese Verfahren steuern zu können werden verschiedene Parameter verwendet. So ist das DEMON-Verfahren ein ph-gesteuertes Verfahren, bei dem die einzelnen Prozessschritte über den ph-wert verfolgt werden und damit gezielt Vorgänge angepasst werden können. Da sich bei diesem Verfahren die einzelnen Prozessschritte in einem Reaktor abspielen, sind von den jeweiligen gerade ablaufenden Vorgängen immer alle Bakterien im Reaktor betroffen. Da die Planktomyceten bestimmte Toleranzen für Nitrit besitzen, bei deren Überschreiten sie irreversibel gehemmt werden, ist der ph-wert ein sehr wichtiger Parameter, da durch die Produktion von Nitrit Wasserstoffprotonen frei werden und damit also der ph-wert kontinuierlich abnimmt. Außerdem ist die online Messung des ph-werts auf Ara `s einfach und damit günstig für die Integration in ein Betriebsleitsystem. Vom ph-wert abhängig ist daneben noch ein weiterer Prozess. Bei diesem nutzt man die unterschiedlichen Toleranzbereiche der Bakterien die für die Nitritation und derer die für die Nitratation zuständig sind. Die Bakterien die Nitrit zu Nitrat umwandeln werden bei höheren ph-werten stärker gehemmt als die Bakterien der Nitritation. Durch diese Hemmung erreicht man indirekt, dass mehr Substrat, also Nitrit den Planktomyceten zur Verfügung steht. Ein anderer Parameter der für die Steuerung im DEMON-Verfahren herangezogen wird ist die Konzentration des Sauerstoffs im Reaktor, da diese auch über online Messsonden aufgenommen werden kann. Sauerstoff ist deshalb ein wichtiger Steuerparameter, da die Philipp Dietrich; Thomas Zingerle Seite 11

14 Allgemeine Grundlagen Planktomyceten von einer zu hohen Konzentration an Sauerstoff reversibel gehemmt werden und gleichzeitig Bakterien der Nitratation daraus einen Vorteil ziehen und ihr Wachstum zunimmt, damit also wieder weniger Nitrit als Substrat zur Verfügung steht. Weitere wichtige Parameter sind die Temperatur, das Schlammalter und die Alkalinität. Die Temperatur ist deshalb wichtig da das Optimum der Anammox-Bakterien zwischen 20 C und 43 C liegt und diese Bakterien eine sehr lange Verdopplungszeit, ca. 11 Tage, haben versucht man die Temperatur hoch zu halten und ein sehr großes Schlammalter zu erreichen. Durch die Alkalinität kann erfasst werden ob den Anammox-Bakterien und den Bakterien der Nitritation genügend anorganischer Kohlenstoff zur Verfügung steht. Diese beiden Bakterienarten können nur anorganischen Kohlenstoff als Substrat für ihren Körperbau nutzen, deshalb sollte ausreichend davon im Wasser vorhanden sein. Organischer Kohlenstoff sollte dagegen so wenig wie möglich im Wasser sein, da dadurch Bakterien gefördert werden, die die Nitratation vollziehen und somit Nitrit verbrauchen. Die Kohlenstoffquelle wird indirekt auch über den ph- Wert beeinflusst, da das Dissoziationsgleichgewicht der Kohlensäure im Wasser mit der Änderungen des ph-werts verschoben wird. Neben den genannten Parametern ist das Verfahren auch abhängig von der Größe des zur Verfügung stehenden Reaktors und der zu reinigenden Menge an Prozesswasser. Bild 3: Die Sonden zur Bestimmung der Parameterwerte sind auf einer schwimmenden Messstation befestigt Verfahrensablauf Grundsätzlich läuft dieses Verfahren so ab, dass der Reaktor zu einem Teil mit Prozesswasser gefüllt wird. Anschließend wird Luft in den Reaktor eingeblasen wodurch der erste Teilschritt der Stickstoffelimination vollzogen wird, also ca. die Hälfte des Ammoniums im Reaktor wird von den Bakterien zu Nitrit umgewandelt. Damit nicht zu viel Sauerstoff im Reaktor ist, wird die Belüftung durch einen oberen Wert geregelt. Nachdem durch die Freisetzung von Wasserstoffprotonen, durch die Umsetzung von Ammonium zu Nitrit, ein unterer ph-wert erreicht ist, wird die Belüftung abgebrochen. Anschließend wird das Wasser im Reaktor durch Rührwerke umgewälzt und der Reaktor weiter gefüllt. Vor allem bei diesem Schritt aber auch beim vorigen läuft der zweite Teilschritt der Stickstoffelimination ab. Ammonium wird von den Anammox-Bakterien mit Nitrit zu molekularem Stickstoff umgewandelt, dabei werden Wasserstoffprotonen verbraucht und damit Alkalinität zurückgewonnen. Weitere Alkalinität wird bei diesem Schritt durch den Zulauf von Prozesswasser gewonnen. Die aufgezählten Schritte wiederholen sich so oft bis der Reaktor gefüllt ist. Dabei werden die einzelnen Schritte neben den Parametern auch über die Zeit gesteuert, d.h. für die einzelnen Schritte wird eine bestimmte Zeit vorgegeben die sie dauern können, wenn sie nicht vorher durch Überschreiten eines Parameters, wie den unteren ph-grenzwert, abgebrochen werden. Sobald der Reaktor gefüllt ist wird noch einmal kurz belüftet und dann lässt man den belebten Schlamm auf den Boden absinken. Dieser Schritt der Sedimentation sollte so lange dauern bis sichergestellt ist, dass die gesamte Trockensubstanz, bestehend aus Bakterien, unter das Niveau der Auslassöffnung abgesunken ist. Wenn die nötige Zeit für die Sedimentation vergangen ist wird der Auslass geöffnet und das gereinigte Wasser kann über einen Dekanter in die umgestalteten Philipp Dietrich; Thomas Zingerle Seite 12

15 Allgemeine Grundlagen Vorklärbecken auslaufen. Das Niveau im Reaktor wird soweit abgesenkt bis es das Anfangsniveau erreicht hat. Nach Ablaufen dieses Schrittes kann der gesamte Prozess von neuem beginnen. Die Zeit die für die einzelnen Schritte zur Verfügung steht wird beeinflusst durch die Menge an Prozesswasser, die gereinigt werden soll. Der Prozess soll kontinuierlich laufen und deshalb kann das Prozesswasser auch in einem Vorlagebehälter gespeichert werden und aus diesem kann dann der Prozessreaktor mit konstanten Mengen beschickt werden. Daneben wird die Dauer einzelner Schritte auch davon beeinflusst wie lange die Bakterien brauchen um das vorhandene Substrat zu verwerten. Deshalb ist es auch wichtig die Stickstoffkonzentration im Prozesswasser und die Raumbelastung im Prozessreaktor zu kennen. Zur Überwachung des Prozesses werden einzelne Parameter mit Hilfe von online Messsonden bestimmt und direkt dem Prozessleitsystem übermittelt. Andere Parameter können nicht so leicht von online Messsonden bestimmt werden, deshalb werden diese manuell im Labor analysiert und anschließend kann der Prozess an die Ergebnisse angepasst werden. Parameter die im Labor bestimmt werden sind die Konzentrationen der verschiedenen Stickstoffverbindungen, der chemische Sauerstoffbedarf und die Alkalinität. Dadurch wird auch der Wirkungsgrad des Prozesses überwacht und sollte der Abbau nicht den gewünschten Wert erreichen kann somit sofort nach möglichen Ursachen gesucht werden. 3.4 Anammox-Bakterien Die Anammox-Bakterien, die dieses neuartige Verfahren überhaupt ermöglichen wurden nun schon von mehreren Forschern eingehend untersucht und deren Aufbau, Stoffwechsel, im Allgemeinen ihre Eigenschaften beschrieben. Eine Art dieser Anammox-Bakterien wurde von der oben erwähnten Forschergruppe beschrieben und auf den Namen candidatus Brocadia anammoxidans getauft. Neben diesen Forschern der University of Delft gelang es auch an der Universität Stuttgart einer Forschergruppe um Schmid eine andere Art der Anammox-Bakterien zu isolieren und zu untersuchen. Dieser Art wurde der Name candidatus Kuenenia stuttgartiensis gegeben, da sie nur 91-prozentige Übereinstimmung mit candidatus Brocadia anammoxidans aufweist und somit als nur entfernt verwandt angesehen wird. Diese beiden Arten zeigen aber viele Ähnlichkeiten in ihrem Zellbau und Stoffwechsel. Dadurch, dass schon zwei Arten von Anammox-Bakterien identifiziert werden konnten, scheint es eine Vielzahl von Bakterien zu geben, die anaerob Ammonium oxidieren und zu den Planktomyceten gehören. Die Zellphysiologie und der Metabolismus dieser Bakterien zeichnen sich dadurch aus, dass die charakterisierenden Reaktionen von einem ähnlichen Enzym wie Nitrosomonas europaea es besitzen durchgeführt werden. Das Enzym um das es dabei geht ist die Hydroxylamin- Oxidoreductase (HAO), welche die Reaktion von Hydrazin zu molekularem Stickstoff katalysiert. Eben diese Reaktion wird in verschiedenen Publikationen als jene angesehen bei der die erforderlichen Elektronenäquivalente für die Reduktion von Nitrit zu Hydroxylamin gewonnen werden. Hydroxylamin wird gebildet, da es als der wahrscheinlichste Elektronenakzeptor für die Oxidationsreaktion des Ammoniums angesehen wird. Diese Teilreaktionen können auf verschiedenen Seiten desselben Enzyms ablaufen oder sie werden von verschiedenen Enymsystemen, die durch eine Elektronen-Transport-Kette miteinander verbunden sind, katalysiert. Die Ähnlichkeit des Enzyms, das in Anammox-Bakterien isoliert werden konnte, zu der HAO der Nitrosomonas europaea besteht darin, dass beide etliche Proteine, c-type cytochrome, enthalten. Durch den Gehalt dieser speziellen cytochrome ist ein alternativer Mechanismus für die Bildung von Hydroxylamin vorstellbar, welcher eine unvollständige Reduktion von Nitrit durch eine cytochrom c-typ Nitrit Reduktase darstellt. Der Cytochromgehalt weist einen charakteristischen Peak bei 468 nm im reduzierten Cytochromspektrum auf und darauf lässt sich die rötliche Verfärbung der Anammox-Bakterien in angereicherten Kulturen zurückführen. Philipp Dietrich; Thomas Zingerle Seite 13

16 Allgemeine Grundlagen Bild 4: Hier sieht man die typische Rotfärbung der Anammox- Bakterien. 3.5 Reaktionsgleichung der anaeroben Ammoniumoxidation Für den Anammox-Prozess der Bakterien wurde folgende Reaktionsgleichung von Strous 2000 postuliert: Aus dieser Reaktionsgleichung geht hervor, dass circa 10% des Stickstoffs zu Nitrat umgesetzt wird. Vermutungen schließen darauf, dass die Oxidation von Nitrit zu Nitrat die benötigten Reduktionsäquivalente für eine CO2-Fixierung der Bakterien liefert. In einem stabilen Reaktorbetrieb wurden bei einer Anreicherung von 74% der Anammox-Bakterien, folgende physiologische Parameter bestimmt: Temperaturbereich C (Optimum bei 40 C) ph-bereich 6,7 8,3 (Optimum bei ph 8) Biomasse-Ertragskoeffizient 0,07g Protein / g Ammonium-N 0,12g TS / g Ammonium-N bei 0,6 g Protein / gts max. spez. Ammoniumumsatzrate 1,10g Ammonium-N / (g Protein x d) 0,66g Ammonium-N / (g TS x d) max. spez. Wachstumsrate Hohe Substrataffinität für Ammonium und Nitrit 0,0027 / h (Verdopplungszeit von 11 Tagen) (Affinitätskonstante < 0,1 mg N / l) Tab. 2: In Tab.2 sind die physiologische Parameter der Anammox-Bakterien angegeben. Die Ammoniumoxidierenden Bakterien (AOB) ebenso wie die Anammox-Bakterien nutzen anorganischen Kohlenstoff als Substrat für den Aufbau ihrer Biomasse. Dabei ist im speziellen Hydrogencarbonat die Form des anorganischen Kohlenstoffs, die die Bakterien verwerten können. Hydrogencarbonat ist aber auch der Stoff, der, die bei der Nitritation entstehende Säure puffert. Daher ist bei diesem Verfahren essentiell, dafür zu sorgen, dass ausreichend Alkalinität(Säurekapazität) vorhanden ist um den Bakterien ausreichend Substrat zur Verfügung zu stellen und um ein zu starkes Absinken des ph-werts zu verhindern. Als Alkalinität wird die Menge Hydrogenkarbonat in mol/l verstanden, die im Prozesswasser vorhanden ist. Diese Menge ist stark vom Kalk-Kohlensäure-Gleichgewicht abhängig. 3.6 Kalk-Kohlensäure-Gleichgewicht Im Rahmen des Versuchs, der weiter unten beschrieben wird, soll eine Verschiebung des Kalk- Kohlensäure-Gleichgewichts, durch Absinken des ph-werts, in Richtung Kohlendioxid weitestgehend verhindert werden, da ansonsten weniger Hydrogencarbonat im Wasser gebunden ist und somit weniger Substrat für die Bakterien zur Verfügung steht. Daneben wird Kohlendioxid bei niedrigen ph-werten und einsetzender Belüftung leicht ausgestrippt und somit würde eine anorganische Kohlenstoffquelle ungenutzt an die Atmosphäre verloren gehen. Philipp Dietrich; Thomas Zingerle Seite 14

17 Allgemeine Grundlagen Ausgehend von den Reaktionsgleichungen des Kalk-Kohlensäure-Gleichgewichts werden die weiter unten folgenden Berechnungen zur Abschätzung der benötigten Kalkmenge durchgeführt. Reaktionsgleichungen: Dissoziationsgleichungen: ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) Löslichkeitsprodukt: ( ) ( ) ( ) Abb. 3: Angegeben sind die Anteile der Kohlensäureformen in Abhängigkeit vom ph-wert. Die Berechnung des Kalk-Kohlensäure-Gleichgewichts, oder auch Calcitsättigung genannt, wurde mit Hilfe der Internetseite durchgeführt. Philipp Dietrich; Thomas Zingerle Seite 15

18 Material und Methoden 4. Material und Methoden 4.1 Prozessleitsystem Am ging die Anlage zur Prozesswasserbehandlung auf der Ara Tobl in Betrieb. Um die Abläufe zu überwachen wurden von Beginn an, anhand von optischen Sonden der Firma WTW, folgende Parameter in Echtzeit ermittelt und an die Betriebsleitzentrale weitergeleitet: ph-wert [/] Temperatur [ C] Elektrische Leitfähigkeit [ms] Sauerstoffkonzentration [mg/l] Abb. 3: Abb. 3 zeigt ein Prozessleitbild der automatisch aufgezeichneten Kurven der Parameter. 4.2 Laboranalysen Zusätzlich zu den Parametern die voll automatisiert erhoben werden, wurden im Labor folgende Parameter ermittelt, die zur Beurteilung der Ammonium-Abbauleistung und zur Beobachtung der Stoffumsätze benötigt wurden: [mg/l] - [mg/l] - - [mg/l] - - [mg/l] [mg/l] [g/l] Philipp Dietrich; Thomas Zingerle Seite 16

19 Material und Methoden Für die Analysen dieser Parameter im Labor wurden Messkuvetten von der Firma Macherey- Nagel verwendet, die mit Hilfe des Photometers, derselben Firma ausgewertet werden konnten. Bild 5: Labor der Ara Tobl Bild 6. Arbeitsplatz und - Mittel im Labor Zur Bestimmung der Alkalinität (Säurekapazität) wurde eine Titration mit Salzsäure (HCl) bis zum ph-wert von 4,3 durchgeführt. Diese ergibt die Alkalinität in der Einheit mmol Hydrogenkarbonat pro Liter. Die Trockensubstanz wurde wie üblich im Trockenschrank bei 105 C bestimmt. 4.3 Erhebung des Verbesserungspotentials Da die Betriebsbedingungen mit der Zeit schwankten und die Abbauleistung nicht konstant gehalten werden konnte, wurde zuerst versucht über das Prozessleitsystem die Bedingungen wiederherzustellen, in dem an den Zeitphasen der einzelnen Prozessschritte sowie an der zugeleiteten Prozesswasserfracht, gefeilt wurde. Diese Maßnahmen zeigten aber nicht den gewünschten Erfolg. Darum wurde vermehrt daran gearbeitet die Gründe für die Probleme ausfindig zu machen und wenn möglich zu beheben. Dabei stellte man fest, dass die Bakterien ein schlechtes Wachstum aufwiesen, da der Trockensubstanzgehalt (TS) kaum angehoben werden konnte. Dies konnte darauf zurückgeführt werden, dass zu wenig Substrat, Ammonium und/oder Kohlenstoff vorhanden war oder im Wasser Stoffe vorkamen, die für die Bakterien toxisch sind. Da eine Bestimmung von toxisch wirksamen Stoffen im Labor der Ara Tobl nicht möglich war, entschloss man sich zu untersuchen ob eine Anhebung des Substrats, also Ammonium oder Kohlenstoff, die Abbauleistung erhöhen würde. Die Ammonium-Konzentration im Prozesswasser konnte mit den gegebenen Mitteln nicht vergrößert werden. Darum wurde entschieden zu versuchen die Menge des anorganischen Kohlenstoffs im Reaktor zu vergrößern. 4.4 Versuchsansatz Es wurde ein Konzept ausgearbeitet, welches vorsieht gebrannten Kalk in Form von Kalkmilch (Ca(OH) 2 ) dem Prozesswasser beizumischen um mehr anorganischen Kohlenstoff darin zu binden und somit den Aufbau von Biomasse zu fördern. Dabei wird davon ausgegangen, dass der beigemischte Kalk das Kalk-Kohlensäure-Gleichgewicht dahingehend beeinflusst, dass mehr Kohlensäure in Form von Hydrogenkarbonat im Wasser gebunden wird. Da bei der Nitritation Wasserstoffprotonen freigesetzt werden, also der ph-wert absinkt, würde sich das Gleichgewicht in Richtung Kohlendioxid verschieben und das soll verhindert werden in dem die freigesetzten Wasserstoffprotonen von der zugegebenen, basisch reagierenden Kalkmilch Philipp Dietrich; Thomas Zingerle Seite 17

20 Material und Methoden gebunden werden. Dadurch wird Hydrogenkarbonat nachgebildet und steht den Bakterien als Substrat zur Verfügung. 4.5 Berechnung der benötigten Menge Kalk Um die benötigte Menge an gebranntem Kalk abschätzen zu können wurde von den Reaktionsgleichungen der Nitritation und der anaeroben Ammoniumoxidation ausgehend, die Bildung von Wasserstoffprotonen bestimmt und abgeschätzt wie viel Hydrogenkarbonat für die Bakterien bereitzustellen ist. Element Atommasse[/]([g/mol]) Molekül Molare Masse[/]([g/mol]) Faktor Stickstoff N NH NH 4 -N Wasserstoff H NO NO 2 -N Sauerstoff O NO NO 3 -N Calcium Ca CaCO CO 3 Magnesium Mg HCO H + Kohlenstoff C H 2 CO Ca 2+ CaO Ca 2+ H Tab. 3: Die in dieser Tabelle aufgelisteten Elementeigenschaften wurden als Ausgangswerte der Berechnung verwendet. Reaktionsgleichung der aeroben Nitritation: Daraus folgend: Produktion an Wasserstoffprotonen = 2,64 mol Reaktionsgleichung der anaeroben Ammoniumoxidation: Daraus folgend: Verbrauch an Hydrogenkarbonat = 0,066 mol Verbrauch an Wasserstoffprotonen = 0,13 mol Um die Reaktionen ab zu puffern und damit gleichzeitig sicher zu stellen, dass ausreichend Hydrogenkarbonat in gelöster Form vorhanden ist, ergibt sich die folgende Menge Hydrogenkarbonat: Da aber nicht Hydrogenkarbonat zugegeben werden soll, sondern gebrannter Kalk, in Form von Kalkmilch, muss noch umgerechnet werden auf die Meng Kalk die nötig ist. Dabei wird davon ausgegangen, dass anstatt 1,288 Mol Hydrogenkarbonat, 1,288 Mol Hydroxidionen zugegeben werden, welche die Reaktionen genauso puffern, da sie gleich wie Hydrogenkarbonat einwertig negativ geladen sind. Dabei ergibt sich: Philipp Dietrich; Thomas Zingerle Seite 18

21 Material und Methoden ( ) ( ) Da diese Angaben in der Einheit Mol vorliegen wird nun mit den Werten aus der oben angeführten Tabelle umgerechnet in die benötigten Einheiten wie Gramm und Milligramm und bezogen auf Ammoniumstickstoff. Denn bei den Analysen im Labor wird direkt Ammoniumstickstoff ermittelt. Ebenso wird die Rechnung anschließend doch wieder auf Hydrogencarbonat bezogen, da im Labor bei der Bestimmung der Alkalinität das Ergebnis in - der Einheit herauskommt und somit der Vergleich des vorhandenen mit dem nötigen Hydrogencarbonat leichter fällt. Aus folgt: Rückrechnung in Hydrogenkarbonat pro Ammoniumstickstoff: Erweitertes Messprogramm Im Rahmen der Untersuchungen zu den Prozessbedingungen wurde auch das Messprogramm erweitert. Es wurden die einzelnen Prozesswasserströme, Brüden und Trübwasser, auf maßgebende Parameter wie Alkalinität und ph-wert untersucht um besser abschätzen zu können wie die Mischung der Beiden sich auf die Prozessbedingungen auswirkt. Dies wurde gleichzeitig auch dadurch kontrolliert, dass umfangreichere Untersuchungen des Prozesswassers, das im Vorlagebehälter gespeichert wird, durchgeführt wurden. Dabei wurden die Parameter Alkalinität, ph-wert, elektrische Leitfähigkeit, Temperatur, Härte, Calcitlösevermögen und die Konzentrationen der Ionen Calcium und Magnesium bestimmt. Auf die gleichen Parameter wurde auch das behandelte Prozesswasser nun häufiger untersucht. Dadurch wurde zum einen ersichtlich ob genügend Alkalinität vorhanden ist und wie viel davon im Prozess verbraucht wird und zum anderen, dass durch das schlechte Calcitlösevermögen des Prozesswassers im Vorlagebehälter, eine Zugabe von Kalk in dieses Wassers sich als problematisch erweisen würde, da der zugegeben Kalk nicht in Lösung gehalten werden könnte. Deshalb auch wurde die Entscheidung getroffen das Wasser im Behandlungsbecken selbst mit Kalk anzureichern. 4.7 Versuchsdurchführung Die Zugabe des Kalks sollte möglichst ohne großen Personalaufwand betrieben werden können, darum entwickelte man eine Vorrichtung die den Kalk halbautomatisch aufbereitet und mit dem Prozesswasser des Behandlungsbeckens vermischt. Der gebrannte Kalk wurde in 20 kg Säcken angeliefert. Die Zugabevorrichtung besteht aus einem Vorlagebehälter in den der Kalk gefüllt wird. Vom Behälterboden führt eine Schneckenförderung in einen größeren Philipp Dietrich; Thomas Zingerle Seite 19

22 Material und Methoden Behälter, den Mischbehälter. In diesem Mischbehälter ist ein Mixer angebracht und am oberen Rand eine Auslauföffnung. Wenig über dem Behälterboden ist ein Schlauch fixiert, der mit einer Tauchpumpe verbunden ist die im Behandlungsbecken sitzt. Es wird also mit Hilfe der Tauchpumpe Prozesswasser aus dem Becken in den Mischbehälter gepumpt und gleichzeitig Kalk mit Hilfe der Schneckenförderung in den Behälter eingebracht. Durch den Mixer werden beide Komponenten kräftig durchmischt. Dann läuft das kalkhaltige Wasser durch die Auslassöffnung zurück ins Becken. Bei dieser Anordnung kann nur über die Umdrehung der Transportschnecke reguliert werden wie viel Kalk dosiert wird, da die Tauchpumpe mit konstantem Förderstrom arbeitet. Die Leistung der Transportschnecke wurde durch Versuche ermittelt, bei denen, der in einer bestimmten Zeit geförderte Kalk gewogen wurde. Ebenso wurde auch die Leistung der Tauchpumpe bestimmt. Der Vorlagebehälter fasst ca. drei 20kg Säcke, deshalb ist es nötig, dass manuell Kalk nachgefüllt wird. Die Zugabe Vorrichtung ist gekoppelt mit den Phasen des Demon-Beckens, das heißt die Kalkzugabe ist nur in Betrieb, wenn der Zyklus gerade beim Schritt Füllen ist Materialien Die Materialien, die für den Versuch verwendet wurden, waren allesamt auf der Ara Tobl schon vorhanden, mussten somit nicht zugekauft werden. Es handelt sich hauptsächlich um Behälter und Rohre, die aus rostfreiem Stahl gefertigt sind. Daneben wurden auch Kunststoffschläuche sowie eine Tauchpumpe und zwei Elektromotoren verwendet Versuchsaufbau Der Versuch wurde direkt am Beckenrand, wo genügend Platz vorhanden war, durchgeführt. Bild 7: Dieses Bild zeigt den Versuchsaufbau, wobei links der Kalkvorlagebehälter und rechts der Mischbehälter zu sehen ist. Schema 3: Dargestellt ist im speziellen der Versuchsaufbau. Philipp Dietrich; Thomas Zingerle Seite 20

23 Material und Methoden Zeitlicher Ablauf des Versuchs Der Versuch wurde Mitte September, nach anfänglichen Schwierigkeiten, gestartet und lief bis Anfang Oktober durch. Wobei nicht immer konstant gleich viel Kalk zugegeben wurde. Während den ersten zwei Wochen wurden begleitend auch die erweiterten Messungen im Labor durchgeführt um Verbesserungen erheben zu können. Jedoch danach wurden nur noch die Standardmessungen durchgeführt und mit Hilfe dieser und der automatisierten Messungen der Sonden Veränderungen erhoben Analyse eines Zyklus mit und ohne Kalkzugabe Zur Untersuchung ob die Zugabe sehr schnelle Auswirkungen auf die Ammonium- Abbauleistung zeigt wurde ein Zyklus genau beobachtet, das heißt es wurden nach jeder Phase des Prozesses Proben gezogen und die Parameter Ammoniumstickstoff und Nitritstickstoff bestimmt. Daneben wurden auch die Parameter die über die echtzeit Messsonden erhoben werden genauer beobachtet um mögliche plötzliche Änderungen zu bemerken und darauf reagieren zu können. Die Auswirkung die sich erst nach einigen Tagen einstellt sollte anhand der üblichen Messprogramme, vor allem durch die Erhebung der Ammonium-Abbauleistung ersichtlich werden. Es waren keine zusätzlichen Analysemethoden vorgesehen. 4.8 Erhebung der Auswirkungen auf die Energiebilanz Die Betrachtung und Darstellung der Energiebilanz der Prozesswasserbehandlung wurde mit Daten durchgeführt, die uns von der Ara Tobl zur Verfügung gestellt wurden. Dabei betreffen die Daten hauptsächlich den Stromverbrauch der einzelnen Behandlungslinien, der biologischen Reinigung und des Demon-Reaktors. Daneben enthalten sie auch den Stromverbrauch von, in den Becken installierten Rührwerken. Angegeben ist auch wie viel Luft zur Sauerstoffversorgung der Bakterien in die Becken eingeblasen hat werden müssen. Die Daten sind monatliche Summenwerte aus den Jahren 2012 und Also aus einem Jahr ohne Prozesswasserbehandlung und aus dem ersten Jahr mit Prozesswasserbehandlung. Bei der Aufarbeitung dieser Daten wurde versucht augenfällige Unterschiede hervorzuheben und zu erklären. Philipp Dietrich; Thomas Zingerle Seite 21

24 [mmol/l] Ergebnisse und Diskussion 5. Ergebnisse und Diskussion Im folgenden sollen nun die Ergebnisse grafisch dargestellt und kurz diskutiert werden. 5.1 Ergebnisse des erweiterten Messprogramms Im Rahmen des erweiterten Messprogramms wurde vor allem darauf Wert gelegt, zu analysieren ob genügend Alkalinität im Reaktor vorhanden ist. Dabei wurde die Alkalinität im Vorlagebehälter und im Demon-Reaktor durch Titration bestimmt. Gleichzeitig wurde berechnet wie viel Alkalinität nötig ist um den vorhandenen Ammonium-Stickstoff ab zu bauen. Die Ergebnisse dieser Messung sind in Abb. 5 und Abb. 6 dargestellt. Der abgebildete Zeitraum erstreckt sich über etwas mehr als ein Monat von Anfang September 2013 bis Anfang Oktober In diesem Zeitraum fällt auch der Versuch der Kalkzugabe. Dies ist ersichtlich in Abb. 6, da sich dort in der letzten abgebildeten Woche der Bedarf mit dem Dargebot an Alkalinität deckt. Im Vorlagebehälter ist der Bedarf an Alkalinität in der selben Zeit jedoch um einiges höher als das Dargebot. Dies lässt sich dadurch erklären, dass der Bedarf an Alkalinität ausgehend vom vorhandenen Ammonium-Stickstoff berechnet wurde. Dieser ist im Demon- Reaktor natürlich um einiges niedriger, da er ja dort zum Teil schon abgebaut worden ist. Die Alkalinitätabnahme wird jedoch durch die Zugabe von Kalk kompensiert. Im Allgemeinen ist fest zu stellen, dass ohne Kalkzugabe ein leichtes Defizit an Alkalinität im Prozess herrscht. Dadurch wird das Wachstum der autotrophen Bakterien erschwert Alkalinitätmessungen im Vorlagebehälter Alkalinität Bedarf Alkalinität pro mg NH4-N Differenz Abb. 5: Dargestellt ist die erhobene Alkalinität des Prozesswassers im Vorlagebehälter und der potentielle Bedarf an Alkalinität, der für den Abbau des gesamten Ammoniums nötig wäre. Philipp Dietrich; Thomas Zingerle Seite 22

25 [mmol/l] Ergebnisse und Diskussion 12 Alkalinitätmessung im Demon-Reaktor Alkalinität Bedarf Alkalinität pro mg NH4-N Differenz -2 Abb. 6: Dargestellt ist die erhobene Alkalinität des Prozesswassers im Demon-Reaktor und der potentielle Bedarf an Alkalinität, der nötig wäre um das gesamte Ammonium ab zu bauen Brüden und Trübwasser Die Schwankungen der Alkalinität des Prozesswassers in den Abb.5 und 6 ist dadurch zu erklären, dass es aus Brüden und Trübwasser zusammengesetzt ist. Diese weißen unterschiedliche Konzentrationen an Ammonium-Stickstoff und Alkalinität auf. Für den Prozess ist entscheidend, in welchem Verhältnis zueinander sie eingebracht werden. In Tab. 4 sind Mittelwerte angegeben, die Brüden und Trübwasser charakterisieren. NH4-N [mg/l] Alkalinität [mmol/l] Menge [m³/d] Trübwasser Brüden 52 5, Tab. 4: Die für den Demon-Prozess wichtigen Parameter von Brüden und Trübwasser, die während dem Sommer 2013 erhoben wurden. 5.2 Bedarf an gebranntem Kalk Der berechnete Bedarf an Kalk weißt ebenso Schwankungen auf, die auf das Mischverhältnis von Trübwasser und Brüden zurück zu führen sind. In Abb. 7 ist zu erkennen, dass mit Start des Versuchs der Kalkzugabe Ende September 2013 der Bedarf kontinuierlich vermindert werden konnte. Philipp Dietrich; Thomas Zingerle Seite 23

26 [kg/d] [kg/d] Ergebnisse und Diskussion 140 Berechneter Bedarf an gebranntem Kalk CaO 20 0 Abb. 7: Dargestellt ist der Bedarf an gebranntem Kalk, ausgehend von der vorhandenen Alkalinität und dem vorhandenen Ammonium-Stickstoff im Demon-Reaktor. 5.3 Wirkungsgrad des Demon-Reaktors Durch die im Labor bestimmten Konzentrationen des Ammonium-Stickstoffs im Zu - und Ablauf des Demon-Reaktors und mit dem automatisch erhobenen Durchfluss konnte der Abbau von Ammonium-Stickstoff im Demon-Reaktor bestimmt werden. Dieser Abbau, in Prozent angegeben stellt den Wirkungsgrad der Prozesswasserbehandlung dar. 450,00 Frachten in NH4-N 70,00% 400,00 350,00 300,00 250,00 200,00 150,00 100,00 50,00 0,00 60,00% 50,00% 40,00% 30,00% 20,00% 10,00% 0,00% Zulauf Ablauf Abbau Abbau in Prozent Abb. 8: Diese Abbildung zeigt die Ammonium-Stickstoff-Frachten im Zu und Ablauf des Demon-Reaktors, sowie den Abbau desselben. Philipp Dietrich; Thomas Zingerle Seite 24