Abwasserbehandlung (Wastewater Treatment) Dynamische Simulation der Kläranlage Gevelsberg mit dem Programmsystem STOAT

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1 Abwasserbehandlung (Wastewater Treatment) Dynamische Simulation der Kläranlage Gevelsberg mit dem Programmsystem STOAT 1

2 KA mit vorgeschalteter Denitrifikation: C-Bilanz 35 50% (in Form von CO 2 ) 100% 5 15% 10 30% 35 50% 2

3 KA mit vorgeschalteter Denitrifikation: O 2 /CSB-Bilanz Zulauf 100% Belüftung 30 50% Ablauf 5 15% 5 15% 30 40% 3

4 Erstellen Grundmodell KA Gevelsberg Öffnen Sie das Programmsystem STOAT, legen Sie eine neue Datenbank an und bilden Sie die KA Gevelsberg in einem Modell wie unten dargestellt ab! Anmerkungen: Die KA Gevelsberg ist zweistraßig ausgelegt. Zwecks Vereinfachung wird im Modell nur eine Straße mit den Beckenvolumina beider Straßen konfiguriert. Der Mischwasserzufluss wird aufgeteilt in einen Teilstrom für Schmutz- und einen für Niederschlagswasser. Mischwasserzuflüsse oberhalb eines Volumenstroms von m³/h werden via Drossel zunächst direkt in das Gewässer abgeschlagen. 4

5 Skizze KA Gevelsberg, maßgebliche Stufen BB BB VKB BioP DN N/DN fakultativ N NKB Anzahl V VKB Anzahl V BioP Anzahl V DN Anzahl V N/DN Anzahl V N Anzahl V VKB 2 x 850 m³ 2 x 340 m³ 2 x 760 m³ 4 x 1,190 m³ 4 x 2,400 m³ 2 x 12,900 m³ 6 x 1,190 m³ 680 m³ 8,660 m³ 4,760 m³ 9,600 m³ 2.9% 36.5% 20.1% 40.5% gewählt: 5% 35% 20% 40% 1,700 m³ 23,700 m³ 25,800 m³ Dr.-Ing. O. Sterger: Abwasserbehandlung Ü #05 5

6 KA Gevelsberg, Grundmodell, VKB & BB 6

7 KA Gevelsberg, Grundmodell, NKB Geometrie NKB: gegebene Werte aus der Beschreibung der KA Gevelsberg NKB Becken Anzahl V VKB 2 x m³ Beckenvolumen gesamt m³ Beckenoberfläche m² Geometrie NKB: mittl. Tiefe 4,0 m Beckentiefe 4,0 m Zulauftiefe 2,0 m 7

8 KA Gevelsberg, Grundmodell, NKB Im Zusammenspiel mit entsprechenden Einstellungen auf Run-Ebene bewirkt dies, dass Entnahme von ÜSS gesteuert wird nach dem TS-Gehalt in Stufe 4 des BB (TS BB )! 8

9 Konfigurieren Run 1 mit Grundmodell Konfigurieren Sie Run 1 mit dem Grundmodell der KA Gevelsberg! Zulaufdateien: Operation data Sandfang: Operation data Overflow: Operation data VKB: Beschreibung KA Gevelsberg 9

10 Grundsätzliche Voraussetzungen für C, N, DN (Wdhlg.) Voraussetzungen für Abbau/Eliminierung von Organika (C): Gelöstsauerstoffkonzentration 1,5 mg/l Ausreichend Kohlenstoffverbindungen vorhanden Ausreichend Heterotrophe vorhanden aerob Voraussetzungen für Nitrifikation (N): Gelöstsauerstoffkonzentration 1,5 mg/l Ausreichend Ammoniumstickstoff vorhanden Ausreichend Autotrophe vorhanden Ausreichend Pufferkapazität vorhanden aerob Voraussetzungen für Denitrifikation (DN): Gelöstsauerstoffkonzentration 0 Ausreichend Nitrat vorhanden Ausreichend leicht abbaubares Substrat (BOD) vorhanden Ausreichend Heterotrophe vorhanden anoxisch 10

11 Biochemische Reaktionen bei BioP (Wdhlg.) Biologische Phosphatelimierung (BioP): In der anaeroben Stufe nehmen die PAO s leicht abbaubare organische Stoffe unter Verbrauch von Polyphosphat auf und lagern diese als organische Speicherstoffe (Polysubstrat) innerhalb der Zellen ein. Dabei wird Polyphosphat im Inneren der Zellen abgebaut und als Phosphat ins Abwasser abgegeben. Diese Reaktion liefert die erforderliche Energie. In der anoxischen und in der aeroben Stufe werden die organischen Speicherstoffe abgebaut (veratmet), die daraus gewonnene Energie dient dazu, die Biomasse zu vermehren und wieder mehr Polyphosphate aufzubauen. Dabei wird dem Abwasser deutlich mehr Phosphat entzogen, als zum Aufbau der Biomasse nötig ist. Der Phosphorgehalt der PAO s kann hier bis zu 15% betragen (normal sind ca. 1-2%). anaerob anoxisch aerob Die mit Phosphor im Überschuss beladenen PAO s werden entweder mit dem Überschussschlamm ausgekreist oder mit dem Rücklaufschlamm zurück in die anaerobe Stufe gebracht, wo der Zyklus erneut beginnt. nach GUJER,

12 Grundsätzliche Voraussetzungen für BioP (Wdhlg.) Voraussetzungen für biologische Phosphatelimierung (BioP): Ausreichend Phosphor akkumulierende Organismen (PAO s) im Belebtschlamm vorhanden (erreichbar, indem der Belebtschlamm ständig wechselnden Sauerstoffbedingungen ausgesetzt wird) anaerobe Stufe: Gelöstsauerstoffkonzentration 0 Nitrat 0 Ausreichend leicht abbaubares Substrat (BOD) vorhanden anaerob anoxisch aerob anaerob anoxische Stufe: Gelöstsauerstoffkonzentration 0 Ausreichend Nitrat vorhanden Ausreichend Phosphat (o-po 4 ) vorhanden aerobe Stufe: Gelöstsauerstoffkonzentration 1,5 mg/l Ausreichend Phosphat (o-po 4 ) vorhanden anoxisch aerob 12

13 Belüftungskoeffizient k L a Zum Einfluss des Belüftungskoeffizienten k L a: c t = c S c S c 0 e k La t Wobei c t c S Gelöstsauerstoffkonzentration zum Zeitpunkt t Sättigungskonzentration des im Wasser gelösten Sauerstoffs c 0 Gelöstsauerstoffkonzentration zum Zeitpunkt t = 0 k L a t Belüftungskoeffizient / Sauerstoffübergangskoeffizient Abgelaufene Zeit in Minuten nach DROSTE,

14 Belüftungskoeffizient k L a Nebenrechnung zur Ermittlung des Belüftungskoeffizienten k L a: erforderliche Sauerstoffzufuhr (erf. αoc) = 423 kg O 2 /h mit α = 0,7 ergibt sich erf. OC 604 kg O 2 /h Min. k L a Minimum energy input required aerator efficiency max. Temperature C Oxygen Saturation C Oxygen Min k L a W/m³ kg O2/kWh C mg/l mg/l 1/h. k L a = e erg re re erat r eff c e c c at at c 3.0 W/m³ 2.0 kg O2/kWh 20.0 C 9.0 mg O2/l 2.0 mg O2/l 0.9 Max. k L a Max. Oxygen uptake Maximum oxygen supplied Volume of the tank max. Temperature C Oxygen Saturation Max k L a % kg/h m³ C mg/l 1/h a. k L a = a ge e 000 e f the ta k c at at 1. Berechnungsmethode: 30% kg O2/h 14,220 m³ 20.0 C 9.0 mg O2/l 6 2. Berechnungsmethode: 30% kg O2/h 14,220 m³ 20.0 C 9.0 mg O2/l 6.1 gewählt: Min. k L a = 1, 0 Max. k L a = 7, 0 14

15 KA Gevelsberg, Ü-Werte und maßgebliche Stufen BB Überwachungswerte behördlicher Überwachungswert, CSB C CSB,ÜW 65 mg/l behördlicher Überwachungswert, N anorg. S anorgn,üw 13 mg/l behördlicher Überwachungswert, P ges. C P,ÜW 1,5 mg/l BB: Stufe 1: anaerob (BioP) Stufe 2: anoxisch (DN) Stufe 3: fakultativ aerob oder anoxisch (N/DN) Stufe 4: aerob (N) Anzahl Anzahl Anzahl Anzahl V Becken BioP V Becken DN V Becken N/DN Becken V N 2 x 340 m³ 2 x 760 m³ 4 x m³ 4 x m³ 6 x m³ Volumen gesamt 680 m³ m³ m³ m³ proz. Vol.-Anteil 2,9% 36,5% 20,1% 40,5% gewählt 5% 35% 20% 40% Gesamtvolumen BB m³ 15

16 Konfigurieren Run 1 mit Grundmodell BB Stage data BB: Stufe 3 (fakultativ N oder DN) wird hier für N konfiguriert BioP DN N/DN N 16

17 Q ZB = Q t =.7 0 ³/h RF = 3 R = 0,75 Q ÜS,d = 529 ³/ 22 3 /h.7 0 ³/h Volumenstrombilanz Belebung für Q t = ³/h = /h Q RZ = 3 0, /h =.302 ³/h Q RS = 0, /h 22 ³/h Q RS = R Q ZB RF = Q RS + Q RZ Q ZB Q RZ = RF R Q ZB 17

18 Konfigurieren Run 1 mit Grundmodell - BB MLSS recycle data BB: Operation data BB: P-Fällung kg Fe/d mit b kg Fe/d = 10.0 kg Fe/h = 0.10 m³/h mit 100,000 mg Fe/l oder = 0.05 m³/h mit 200,000 mg Fe/l oder = 0.50 m³/h mit 20,000 mg Fe/l (gewählt) oder = 1.25 m³/h mit 8,000 mg Fe/l 18

19 Konfigurieren Run 1 mit Grundmodell - NKB Operation data NKB: RAS ratio (Rücklaufverhältnis) = 0,75 Sludge wastage flow (Überschussschlammentnahme) = 22 m³/h i. M. Eintrag hier ist Maximalwert, deshalb gewählt max. ÜSS = 25 m³/h MLSS set-point (TS BB ) = mg/l In Kombination mit der Einstellung des NKB auf Works-Ebene bewirkt die gewählte Einstellung, dass immer genauso viel ÜSS gefördert wird, um im BB, Stufe 4 eine Feststoffkonzentration von mg/l aufrecht zu erhalten. 19

20 Konfigurieren Run 1 mit Grundmodell - NKB Initial data NKB: Stage1 Stage2 Stage3 Stage4 Stage5 Stage6 Stage7 Stage8 1 Temperature: BOD of volatile fatty acids (mg/l): Soluble BOD (mg/l): at e v ab e heter tr + v ab e a t tr h + B P rga 4 Soluble inert COD (mg/l): Particulate BOD (mg/l): Particulate inert COD (mg/l): Volatile solids (mg/l): Non-volatile solids (mg/l): Ammonia (mg/l): Nitrate (mg/l): Soluble organic nitrogen (mg/l): Particulate organic N (mg/l): Phosphate (mg/l): Dissolved oxygen (mg/l): PolyP in viable P removers (mg/l): PolyP in non-viable P removers (mg/l): PHB in viable P removers (mg/l): PHB in non-viable P removers (mg/l): Viable autotrophs (mg/l): Non-viable autotrophs (mg/l): erforderlich für 21 Viable heterotrophs (mg/l): Initialisierung N 22 Non-viable heterotrophs (mg/l): Viable P removers (mg/l): Non-viable P removers (mg/l): erforderlich für erforderlich für Initialisierung DN Initialisierung BioP 20

21 Konfigurieren Run 1 mit Grundmodell - NKB Initial data NKB: 21

22 Run 1 ausführen, Resultate überprüfen 22

23 Resultate überprüfen Schlussfolgerungen? Abbau/Eliminierung von Organika (BSB/CSB): Nitrifikation (NH 4 -N): Denitrifikation (NO 3 -N): Phosphatelimierung (PO 4 ): 23

24 Resultate überprüfen Schlussfolgerungen? Abbau/Eliminierung von Organika (BSB/CSB): o.k. Nitrifikation (N): o.k. Denitrifikation (DN): unzureichend, weil Leicht abbaubares Substrat (BOD) in Stufe 2 nicht ausreichend vorhanden biologische Phosphatelimierung (BioP): völlig fehlgeschlagen, weil Nitratstickstoff in Stufe 1 im Mittel bei 13 mg/l 24

25 Konfigurieren Run 2 mit Grundmodell Konfigurieren Sie Run 2 mit dem Grundmodell der KA Gevelsberg (alle Einstellungen der STOAT- Bausteine beibehalten, lediglich Zulaufdatei für Niederschlagswasser ändern)! Zulaufdateien: 25

26 Run 2 ausführen, Resultate überprüfen Overflow springt häufig an und transportiert unbehandeltes Mischabwasser in den Vorfluter! 26

27 Grundmodell erweitern mit «Build»-Menü Bauen Sie das eben benutzte Grundmodell mit Hilfe des «Build»- Menüs so um, dass das unten abgebildete neue Modell der KA Gevelsberg - mit Regenüberlaufbecken - entsteht! 27

28 KA Gevelsberg, Works 2 Konfiguration des RÜB benötigt Angabe des Steuerteilstroms: 28

29 Konfigurieren Run 1 mit Works 2 Konfigurieren Sie Run 1 mit Works 2 der KA Gevelsberg! Zulaufdateien: Operation data Sandfang (wie gehabt): Operation data Overflow (wie gehabt): Operation data RÜB: Operation data VKB (wie gehabt): (Return pump rate, Control stream flow) = m³/h 29

30 Run 1 Works 2 ausführen, Resultate prüfen 30

31 Resultate überprüfen Schlussfolgerungen? Im Prinzip keine Änderungen im Vergleich zu Works 1, Run 1, d.h. Nitrifikation (N): o.k. Denitrifikation (DN): unzureichend biologische Phosphatelimierung (BioP): völlig fehlgeschlagen, weil (nach wie vor) Nitratstickstoff in Stufe 1 im Mittel bei 13 mg/l 31

32 Konfigurieren Run 2 mit Works 2 Konfigurieren Sie Run 2 mit Works 2 der KA Gevelsberg (alle Einstellungen der STOAT- Bausteine beibehalten, lediglich Zulaufdatei für Niederschlagswasser ändern)! Zulaufdateien: 32

33 Run 2 Works 2 ausführen, Resultate prüfen Hier offensichtlich Feststoffe im Ablauf Abhilfe??? RÜB bewirkt, dass deutlich weniger ungereinigtes Mischabwasser in den Vorfluter gelangt! 33

34 Konfigurieren Run 3 mit Works 2 Konfigurieren Sie Run 3 mit Works 2 der KA Gevelsberg (alle Einstellungen der STOAT- Bausteine beibehalten, lediglich NKB, Operation data ändern)! NKB - Operation data: Erhöhung der ÜSS-Entnahme 34

35 Run 3 Works 2 ausführen, Resultate prüfen Keine Feststoffe mehr im Ablauf des NKB! 35

36 Vergleich Works 1 Works 2 Ermitteln Sie die Frachten, die im Regenwetterfall nach Inbetriebnahme des Regenüberlaufbeckens vermieden werden (Gegenüberstellung von Works 1, Run 2 mit Works 2, Run 3)! Feststoffe CSB NH 4 -N NO 3 -N P 36

37 Works 2 erweitern mit «Build»-Menü Bauen Sie das eben benutzte Works 2 mit Hilfe des «Build»-Menüs so um, dass das unten abgebildete neue Modell der KA Gevelsberg - mit zusätzlicher C-Quelle - entsteht! 37

38 Konfigurieren Run 1 mit neuem Modell Schließen Sie das «Build»-Menü und konfigurieren Sie Run 1 mit dem neuen Modell der KA Gevelsberg! Zulaufdateien: C-Quelle kg BOD/d = kg BOD/h = 1.00 m³/h mit 125,000 mg BOD/l oder = 0.50 m³/h mit 250,000 mg BOD/l oder = 2.50 m³/h mit 50,000 mg BOD/l oder = m³/h mit 12,500 mg BOD/l (gewählt) (Operation data Overflow, Sandfang, VKB usw. beibehalten wie im vorhergehenden run) 38

39 Works 3 Run 1 ausführen, Resultate überprüfen Änderung der Ergebnisse??? 39

40 Konfigurieren Works 3, Run 4 Ändern Sie die Nitratkonzentration in der Datei für den Schmutzwasserzulauf durchgängig auf Null und speichern Sie die geänderte Datei unter einem neuen Namen ab (z. B. Sewage without nitrate.cod) und verwenden Sie die geänderte Datei als neuen Zulauf. Zulaufdateien: (Alle anderen Einstellungen beibehalten wie im vorhergehenden run) 40

41 Resultate überprüfen Schlussfolgerungen? Nitrifikation (N): o.k. Denitrifikation (DN): o.k. biologische Phosphatelimierung (BioP): noch nicht 100%ig o.k., aber deutlich besser Deutlich mehr PAO s vorhanden! 41

42 Literaturverzeichnis ATV-DVWK-A 131, 2000 ATV-DVWK-A 198, 2003 DROSTE, 1997 GUJER, 2007 HENZE et al., 1987 KUNZ, 1992 KREBS, 2007 LONDONG et al., 2009 SCHNEIDER, 2014 ATV-DVWK-A 131 Bemessung von einstufigen Belebungsanlagen Abwassertechnische Vereinigung e.v. / Deutsche Vereinigung für Wasserwirtschaft und Kulturbau e.v., Mai 2000 ATV-DVWK-A 198 Vereinheitlichung und Herleitung von Bemessungswerten für Abwasseranlagen Abwassertechnische Vereinigung e.v. / Deutsche Vereinigung für Wasserwirtschaft und Kulturbau e.v., April 2003 Droste, R. L.: Theory and Practice of Water and Wastewater Treatment John Wiley & Sons, Inc., New York, 1997 Gujer, W. Siedlungswasserwirtschaft Springer-Verlag Berlin Heidelberg, 2007 Henze, M.; Grady, C. P. L.; Gujer, W.; Marais, G. v. R.; Matsuo, T. Activated Sludge Model No. 1 IAWPRC Scientific and Technical Reports, No. 1, IAWQ, London, 1987 Kunz, P.: Umwelt-Bioverfahrenstechnik Vieweg, Braunschweig 1992 Krebs, P.: Vorlesung Grundlagen der Siedlungswasserwirtschaft TU Dresden, Institut für Siedlungswasserwirtschaft, 2007 Londong, J.; Lützner, K. u. a. Abwasserbehandlung Weiterbildendes Studium Wasser und Umwelt Bauhaus-Universität Weimar, 3. überarbeitete Auflage, September 2009 Schneider, F. Vorlesungsskript Entsorgung (Abfall & Abwasser) für Master Urbane Infrastrukturplanung, Abwasserreinigung Beuth-Hochschule für Technik, Berlin,