Erläuterungen zur Aufgabenstellung

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2 Erläuterungen zur Aufgabenstellung Erläuterungen zur Aufgabenstellung II 1. Problem- und Zielstellung Angesichts der steigenden Bedeutung der Energieeffizienz auf Kläranlagen insbesondere bei der Behandlung industrieller Abwasserströme mit hoher organischer Belastung, gewinnt die Anaerobtechnik zunehmend an Bedeutung. Trotz jahrzehntelanger Entwicklung in diesem Bereich ist der Betrieb von Anaerobanlagen, bedingt durch die hohe Raumumsatzleistung und die spezialisierte Biozönose, im Vergleich zur Behandlung im konventionellen Belebungsverfahren anfälliger gegenüber den Betriebsgegebenheiten im Kläranlagenalltag. Auf der Kläranlage Arnsberg-Neheim betreibt der Ruhrverband seit nunmehr 3 Jahren Anaerobreaktoren zur Vorbehandlung der Abwässer einer Papierfabrik. Das Papierabwasser wird der Kläranlage separat in einer Druckrohrleitung zugeführt, zur Konditionierung und Vorversäuerung zunächst in Vorversäuerungstanks zwischengespeichert und anschließend durch Methanreaktoren (IC-Reaktoren) geleitet. Das so vorbehandelte Papierabwasser wird anschließend in die Denitrifikationsstufe der Kläranlage eingeleitet. Das in den Methanreaktoren produzierte Gas wird nach einer Gaswäsche in BHKW s verstromt. Zur Vermeidung von Geruchsemissionen ist der Betrieb einer leistungsfähigen Abluftbehandlung erforderlich. Bis Ende 2007 konnten durch einen Engpass bei der Gaswäsche sowie durch verschiedene Betriebsstörungen der Methanreaktoren nur rd % des Papierabwassers stabil anaerob behandelt werden. Der unbehandelte Anteil wurde über einen Bypass in die kommunale KA abgefahren. Anfang 2008 wurde bereits die Kapazität der Gaswäsche erhöht. Außerdem wurde ein weiteres BHKW zur Verstromung der zusätzlich erwarteten Gasmenge installiert. Wesentliche Zielstellung ist somit die stabile anaerobe Vorbehandlung von möglichst 100% des Papierabwassers. Dazu ist zum einen eine Optimierung der anaeroben Vorbehandlungsanlage hinsichtlich Ausnutzung der Anlagenkapazität sowie Erhöhung der Prozessstabilität erforderlich. Zum anderen ist ein System zu entwickeln, welches ein frühzeitiges Erkennen von Betriebsstörungen ermöglicht. Durch die Optimierung der IC-Reaktoren wird eine erhöhte Gasausbeute und damit verbunden eine erhöhte Eigenstromversorgung angestrebt. Zudem wird durch die organische Entlastung der biologischen Stufe der kommunalen Kläranlage eine weitere Reduktion der Belüftungsenergie sowie eine verminderte Überschussschlammproduktion erwartet. Die in umfangreichen Betriebsaufzeichnungen erfassten Betriebszustände der Anlage versprechen nach Aufarbeitung die Ableitung wesentlicher Aussagen zur Optimierung des Betriebes. Aufgabe ist es daher, im Rahmen dieser Masterarbeit auf Grundlage der vorhandenen Aufzeichnungen und unter Berücksichtigung der einschlägigen Literatur, konkrete Handlungsoptionen zum optimierten Betrieb der IC-Reaktoren zu entwickeln sowie Dimensionierungsparameter zu diskutieren. 2. Schwerpunkte der Bearbeitung Sichtung und kurze Darstellung der relevanten Literatur zum Thema anaerobe Abwasserbehandlung mit besonderem Schwerpunkt auf Betriebsstörungen, Betriebsdatenanalyse und interpretation, Betrachtung besonderer Betriebssituationen (Wiederinbetriebnahme, Stoßbelastung, Maximalbelastung, Minimalbelastung etc.), Einflussgrößen auf die Prozessstabilität und deren Bewertung, Ableitung von Handlungsempfehlungen zum optimierten Betrieb, Diskussion von Dimensionierungsparametern.

3 Erläuterungen zur Aufgabenstellung III 3. Hinweise Der Stand der Arbeit wird in regelmäßigen Abständen, aber mindestens einmal monatlich, z.b. per zwischen Bearbeiter, Prüfern und Betreuer ausgetauscht und das weitere Vorgehen beraten. Bei größeren Bearbeitungsschwierigkeiten nimmt der Bearbeiter umgehend Kontakt mit dem Betreuer auf. Sofern die Absicht besteht, die Bearbeitungsschwerpunkte der Masterarbeit zu ändern oder zu präzisieren, bedarf dies der Zustimmung beider Prüfer. Die beigefügten Hinweise für die Erstellung von Masterarbeiten sind zu beachten. Die Ergebnisse der Masterarbeit sind in Thesen zusammenzufassen. Die Abgabe der Arbeit erfolgt in folgender Form: 3 schriftliche Exemplare, 2 elektronische Datenträger (Arbeit komplett, ggf. mit Anlagen), 2 Exemplare der Thesen, 2 Erfassungsbelege, 1 Poster (ca. 80 x 80 cm).

4 Inhaltsverzeichnis VI Inhaltsverzeichnis Inhaltsverzeichnis...VI Abbildungsverzeichnis...IX Tabellenverzeichnis...XII Verzeichnis wesentlicher Abkürzungen...XIII 1. Einleitung Grundlagen Stoffwechsel, Zellatmung und Gärung Wachstum von Mikroorganismen Allgemeines Enzymkinetik und Wachstumsrate Gegenüberstellung Biomassensynthese und Biomassenzuwachs Gegenüberstellung aerober und anaerober Reinigungsprozesse Vor- und Nachteile aerober und anaerober Reinigungsprozesse Stoffwechselprozesse des anaeroben Abbaus Hydrolysephase Versäuerungsphase Acetogene Phase Methanogene Phase Prozessübersicht Biogas Gaszusammensetzung spezifische Biogasproduktion Einfluss der Biogaslöslichkeit auf die Gaszusammensetzung Einfluss der Hydrogenkarbonatbildung auf die Gaszusammensetzung Pufferkapazität und Alkalinität Chemische Gleichgewichte Kohlensäure Puffersystem Ausfällungsprozesse Karbonatfällung Sonstige Fällungsreaktionen Einflussfaktoren auf die Prozessstabilität anaerober Abbauvorgänge Schwankende Abwassermengen und konzentrationen Mischungsverhältnisse im Reaktor Substratkonzentration... 38

5 Inhaltsverzeichnis VII Temperatur ph-wert Hemmwirkung organischer Säuren Hemmwirkung von H 2 S Hemmwirkung von NH Hemmwirkung durch Schwermetalle Nährstoffbedarf Pelletschlamm Pelletbildung und -aufbau Bedingungen für eine gute Pelletstruktur Anaerobe Verfahren Gliederung anaerober Verfahrenstechnik Pelletschlammreaktoren UASB Reaktor EGSB-Reaktoren Biobed IC Beschreibung der Kläranlage Arnsberg-Neheim Entwicklung der Belastungssituation Anaerobe Vorbehandlung zur Entlastung der Biologie Beschreibung der Anlagenteile Dimensionierung der anaeroben Vorbehandlung Maßgebende Dimensionierungsparameter Konditionierungs- und Vorversäuerungsstufe Ermittlung des Versäuerungsgrades Volumenermittlung Funktionen Methanreaktoren Volumenermittlung Durchmesser und Höhe Nährstoffbedarf Biogas Biogasproduktion Biogaswäsche Dosierstation Natronlaugedosierung in den Vorversäuerungsreaktor Natronlaugedosierung in den Gaswäscher... 77

6 Inhaltsverzeichnis VIII Nährstoffdosierung Steuerung bzw. Regelung der Betriebsmittelzugabe Abluft Bestimmung der Abluftmenge Abluftbehandlung Verfahrenstechnisches Regelungskonzept Durchsatzregelung der Reaktoren ph-regelung und Überwachung Temperaturüberwachung Überwachung der Aufstromgeschwindigkeit Anlagenübersicht Betriebsdaten Probenahmestellen und analysierte Parameter Betriebsdatenanalyse und interpretation Wepa Abwasser Ablauf Vorversäuerungstank/ Zulauf IC-Reaktoren Ablauf IC-Reaktor/ Prozessparameter Energiebetrachtung Zusammenfassung der Ergebnisse Diskussion von Dimensionierungsparametern Handlungsempfehlungen zum optimierten Betrieb Erhöhung des behandelten Anteils Weitere Optimierungsmaßnahmen System zum frühzeitigen Erkennen von Betriebsstörungen Probenahmestellen und analysierte Parameter Kosten Reduktion der eingesetzten Betriebsmittel Erhöhung des Energievorteils Summe der Kostenvorteile Zusammenfassung und Fazit Literaturverzeichnis Anlagen

7 Abbildungsverzeichnis IX Abbildungsverzeichnis Abbildung 01: Energie- und Baustoffwechsel (Londong, Rosenwinkel 2007)... 5 Abbildung 02: Wirkung eines Biokatalysators (Mudrack, K.; Kunst, S. 1994, S. 28)... 5 Abbildung 03: Zusammenhang zwischen Substratumsatz und Substratkonzentration (ATV, 1997). 6 Abbildung 04: Zusammenhang zwischen Wachstumsrate und Substratkonzentration (ATV, 1997). 6 Abbildung 05: Kohlenstoffbilanz im Vergleich (Austermann-Haun, U. 2006) Abbildung 06: Phasen des anaeroben Abbaus (Mudrack; Kunst. 1994, S. 45) Abbildung 07: Generationszeiten bei 35 C aerober und anaerober Mikroorganismen (zitiert in Moser 2002, S. 12) Abbildung 08: Wachstumsrate der hydrolisierenden Bakterien in Abhängigkeit von Temperatur und ph-wert nach GUJER und ZEHNDER 1983 (zitiert in Lützner, K. u. Kühn, V 2001, S. 53) Abbildung 09: Einfluss des Wasserstoffpartialdruckes auf die Änderung der freien Energie Abbildung 10: Wachstumskinetik acetatverarbeitender Methanbakterien Abbildung 11: Energiefluss bei der anaeroben Abwasserreinigung nach McCARTY 1981 (zitiert in Kroiss 1985, S. 15) Abbildung 12: Anteile der Kohlensäureformen am DIC Abbildung 13: Dissoziationsgleichgewicht zwischen CO 2 und HCO Abbildung 14: Zusammenhang zwischen ph, [CO 2 ], [HCO - 3 ] bei 35 C Abbildung 15: Calcium-Konzentration in mg/l, ab der in Abhängigkeit von Temperatur, ph-wert und HCO Konzentration das Löslichkeitsprodukt L CaCO3 überschritten wird Abbildung 16: Calcium-Konzentration in mg/l, ab der bei einem ph-wert von 6,6 in Abhängigkeit der HCO Konzentration und unterschiedlicher Löslichkeitsprodukte, das Löslichkeitsprodukt L CaCO3 überschritten wird Abbildung 17: Maximale Wachstumsrate methanogener Bakterien in Abhängigkeit der Temperatur nach BATSTONE (2002) (zitiert in Meyer, H S. 2-36) Abbildung 18: Relative Aktivität mesophiler Methanbakterien in Abhängigkeit von der Temperatur, bezogen auf eine Aktivität bei 35 C (Kroiss, H S. 35) Abbildung 19: ph-abhängige Dissoziation von Essigsäure Abbildung 20: Anteil undisoziierter Säure in Abhängigkeit des ph-wertes Abbildung 21: Anteil undissoziierter Säure in Abhängigkeit von ph-wert und Säurekonzentration c ges Abbildung 22:Anteil von HS - und H 2 S am Gesamtsulfid in Abhängigkeit vom ph-wert Abbildung 23:Physikalisch gelöstes H 2 S in Abhängigkeit des H 2 S-Anteils im Gas bei 35 C und p abs = 1bar Abbildung 24: Verteilung der Sulfidfraktionen (Kroiss, H. 1985, S. 57)... 46

8 Abbildungsverzeichnis X Abbildung 25: H 2 S-Konzentration im Gas und der Flüssigkeit in Abhängigkeit von CSB abb /S red Abbildung 26: Anteil von NH + 4 und NH 3 in Abhängigkeit vom ph-wert Abbildung 27: Hemmung in Abhängigkeit von NH4-N-Konzentration und ph-wert (Kroiss, H. 1985, S. 67) Abbildung 28: CSB: N - Verhältnis als Funktion der organischen Schlammbelastung nach HENZE, HARREMOES (1983) (zitiert in Kroiss, H S. 92) Abbildung 29: Pelletaufbau nach GUIOT, 1991 zitiert in (Weinberger, G S. 11-4) Abbildung 30: Gliederung anaerober Verfahrenstechnik (ATV-Fachausschuß , erweitert von Meyer, H. 2004) Abbildung 31: Anaerobe Reaktoren (Rosenwinkel, K.-H. 2008) Abbildung 32: Schema eines UASB-Reaktors Abbildung 33: Funktionsschema Biobed-Reaktor (Prospekt Fa. VA TECH WABAG) Abbildung 34: Funktionsschema IC-Reaktor (Prospekt Fa. PAQUES) Abbildung 35: Einlaufverteilsystem beim IC-Reaktor Abbildung 36: IC ohne Installationen und Abscheidersegmente vor Einbau Abbildung 37: Eingebauter Abscheider von unten und oben Abbildung 38: Mit Deckeln verschlossene Ablaufrinnen Abbildung 39: Luftbild KA Arnsberg-Neheim (Ausbauzustand 1988) Abbildung 40: Luftbild KA Arnsberg-Neheim (Ausbauzustand 1999) Abbildung 41: Kontinuierlicher Anstieg der CSB-Fracht im Zulauf zur aeroben biologischen Stufe 67 Abbildung 42: Luftbild KA Arnsberg-Neheim (Ausbauzustand 2008) Abbildung 43: Schematische Darstellung der Kläranlage Arnsberg-Neheim Abbildung 44: Schema und Bild vom BSR in Neheim Abbildung 45: Multiboxen mit Phosphorsäure, Harnstoff und Natronlauge Abbildung 46: Schema der Abluftentsorgung auf der KA Arnsberg-Neheim Abbildung 47: Bild der Abluftentsorgung auf der KA Arnsberg-Neheim Abbildung 48: Prozess-Schema der anaeroben Vorbehandlung Abbildung 49: Bildliche Darstellung der anaeroben Vorbehandlungsstufe Abbildung 50: Schematische Darstellung des Gesamtprozesses der anaeroben Vorbehandlungsstufe Abbildung 51: Vereinfachtes Fließschema Abbildung 52: Wassermenge und CSB-Konzentration Abbildung 53: Zulaufende CSB-Fracht des Wepa Abwassers Abbildung 54: Organische Säuren und Versäuerungsgrad des Wepa Abwassers Abbildung 55: Temperaturverlauf des Wepa-Abwasser Abbildung 56: Abfiltrierbare Stoffe und ph-wert Abbildung 57: Stickstoff- und Phosphorfracht im Wepa Abwasser... 88

9 XI Abbildung 58: Sulfatkonzentration im Papierabwasser und H 2 S-Koknzentration im Biogas Abbildung 59: Verhältnis CSB abb /S red im Papierabwasser und H 2 S-Konzentration im Biogas Abbildung 60: Wassermenge und CSB-Konzentration Zulauf IC-Reaktoren Abbildung 61: Behandelter Anteil des Wepa-Abwassers Abbildung 62: Den IC-Reaktoren zugeführte CSB-Fracht Abbildung 63: Organische Säuren und Versäuerungsgrad Zulauf IC Abbildung 64: Temperaturverlauf Ablauf VV Abbildung 65: Abfiltrierbare Stoffe und ph-wert Abbildung 66: Nährstoffverhältnis CSB : P und zudosierte P-Fracht Abbildung 67: Nährstoffverhältnis CSB : N Abbildung 68: Reinigungsleistung der Methanreaktoren Abbildung 69: Wirkungsgrad IC-Reaktoren (Bezug zu- und ablaufende CSB-Konzentration) Abbildung 70: Wirkungsgrad IC-Reaktoren (Bezug zu- und ablaufende CSB-Fracht) Abbildung 71: Gegenüberstellung Prozesstemperatur und CSB-Konzentration im Ablauf Abbildung 72: Organische Säuren Ablauf IC Reaktoren und ph-wert IC-Reaktor Abbildung 73: Methangehalt Biogas, ph-ablauf IC, Alkalität Ablauf IC Abbildung 74: Natronlaugeverbrauch und ph-wert im IC Abbildung 75: PO 4 -P-Konzentration im Ablauf der IC-Reaktoren Abbildung 76: Schlammbeprobung (Probenahmehöhen und zugehöriges Reaktorvolumen) Abbildung 77: Schlammkonzentration bei 5.6 m Abbildung 78: Organische Schlammmasse in den IC-Reaktoren Abbildung 79: Abfiltrierbare Stoffe im Zulauf und Ablauf von IC-Reaktor Abbildung 80: Schlammbelastung Abbildung 81: Aufstromgeschwindigkeit im Schlammbett Abbildung 82: Gasproduktion Abbildung 83: spezifische Gasproduktion Abbildung 84: CSB Abbau und Biogasproduktion Abbildung 85: Strombedarf der aeroben Biologie

10 Tabellenverzeichnis Tabellenverzeichnis XII Tabelle 01: Gegenüberstellung aerober und anaerober Reiningungsverfahren Tabelle 02: Vor- und Nachteile der Anaerobtechnik Tabelle 03: Kinetische Parameter mesophiler Versäuerungsbakterien (30 37 C) (Zitiert in Meyer, H. 2004) Tabelle 04: Kinetische Parameter methanogener und acetogener Bakterien bei Temperaturen von C (Meyer, H. 2004, S. 2-10) Tabelle 05: Substratabhängige Gaszusammensetzung nach Buswell und Boyle Tabelle 06: Einfluss des Gaslöslichkeitsverhaltens auf die Gaszusammensetzung Tabelle 07: Einfluss der Hydrogencarbonatkonzentration auf die Gaszusammensetzung Tabelle 08: pk-werte der Dissoziationsgleichgewichte der Kohlensäure in Abhängigkeit der Temperatur Tabelle 09: Löslichkeitsprodukt von CaCO 3 in Reinwasser bei unterschiedlichen Temperaturen Tabelle 10: Für die anaerobe Abwasserbehandlung wichtige Monocarbonsäuren Tabelle 11: Hemmende bzw. toxische Konzentrationen verschiedener Metalle (ATV-Fachausschuß S.1250) Tabelle 12: Richtwerte für den Spurenelementenbedarf bezogen auf den abgebauten CSB nach (ATV-Fachausschuß S. 1249) Tabelle 13: Mögliche Dimensionierungsparameter eines UASB-Reaktors in der Papierindustrie Tabelle 14: Mögliche Dimensionierungsparameter eines Biobed-Reaktors in der Papierindustrie.. 60 Tabelle 15: Mögliche Dimensionierungsparameter eines IC-Reaktors in der Papierindustrie Tabelle 16: Kommunales Abwasser der KA Arnsberg Neheim Tabelle 17: Papierabwasser der Fa. WEPA Tabelle 18: Probenahmestellen und analysierte Parameter Tabelle 19: Probenahmestellen, analysierte Parameter und optimierte Analysehäufigkeit

11 Verzeichnis wesentlicher Abkürzungen XIII Verzeichnis wesentlicher Abkürzungen Symbol Dimension/ Einheit Bedeutung a [a] Jahr A [m²] Fläche AFS [ - ] Abfiltrierbare Stoffe ATP [ - ] Adenosintriphosphat b [d -1 ] ; [h -1 ] Sterberate B d [kg/d] Tagesfracht BSB [ - ] Biochemischer Sauerstoffbedarf B otr [kg CSB/(kg otr*d)] organische Schlammbelastung BM [ - ] Biomasse c [mg/l] Konzentration CH 4 [ - ] Methan CO 2 [ - ] Kohlenstoffdioxid CSB [ - ] Chemischer Sauerstoffbedarf CSB abb [ - ] abbaubarer CSB CSB abg [ - ] abgebauter CSB CSB BM,Z [ - ] CSB-Biomassenzuwachs CSB BM,S [ - ] CSB-Biomassensysnthese CSB S [ - ] CSB-Substrat d [d] Tag DIC [ - ] dissolved inorganic carbon DL [ - ] Druckrohrleitung EGSB [ - ] extended granular sludge bed EW [E] Einwohnerwerte f A [ - ] Anreicherungsfaktor f T [ - ] Temperaturfaktor G [ - ] Gibbsche Reaktionsenergie h [h] Stunde H 2 S [ - ] Schwefelwasserstoff i [ - ] Platzhalter für einen Stoff I [ - ] Hemmfaktor IC [ - ] Internal Circulation K [mol/l] Dissoziationskonstante KA [ - ] Kläranlage K c [mol/l] Dissoziationskonstante K H,i [mol/(l*bar)] Henry Konstante des Gases i K M [mg/l] Michaelis-Menten-Konstante

12 Verzeichnis wesentlicher Abkürzungen XIV K m [kg CSB/(kg otr*d)] Umsatzrate K S [mg/l] Halbwertkonstante L i [mol²/l²] Löslichkeitsprodukt des Salzes i m [kg] Masse MID [ - ] Magnetisch Induktive Durchflussmessung n [mol] Stoffmenge NH4-N [ - ] Ammonium-Stickstoff p i [bar] Partialdruck des Gases i in der Gasphase p XB [kg CSB BM,Z /kg CSB S ] spezifischer Biomassenzuwachs P i [kg CSB/(m³*d)] Prozessrate des Stoffes i P ortho [ - ] Orthophosphat Q [m³/d]; [m³/h]; [l/s] Wassermenge r S [kg CSB S /(m³*h)] Substratumsatzrate r XB [kg CSB BM,Z /(m³*h)] Biomassenproduktionsrate Rezi [ - ] Rezirkulation S [ - ] Substrat S [mg/l] Substrat S i [mg/l] Substratkonzentration des Stoffes i S i [mol/l] Konzentration des Gases i im Wasser SK 4,3 [mmol/l] Säurekapazität, Alkalität t [s, min, h, d, a] Zeit t d [s, min, h, d, a] Verdopplungszeit T [ C] Temperatur TKN [ - ] total Kjeldahl Nitrogen TR [ - ] Trockenrückstand t R [h]; [d] hydraulische Aufenthaltszeit UASB [ - ] upflow anaerobic sludge blanket V [m³] Volumen v [m/s] Geschwindigkeit v [mg/(g*h)] Abbaugeschwindigkeit VV [ - ] Vorversäuerung X B [kg/m³] Biomassenkonzentration X 0 [ - ] Biomasse zum Zeitpunk t = 0 µ [d -1 ]; [h -1 ] Wachstumsrate

13 Einleitung 1 1. Einleitung Angesichts der steigenden Bedeutung der Energieeffizienz auf Kläranlagen, insbesondere bei der Behandlung industrieller Abwasserströme mit hoher organischer Belastung, gewinnt die Anaerobtechnik zunehmend an Bedeutung. Im Jahr 2007 wurden weltweit 2266 Anaerobanlagen betrieben. In Deutschland waren Anlagen im Einsatz (Kuhn, C. 2008). Obwohl die Anaerobtechnik grundsätzlich bei allen Industrieabwässern mit organischen Inhaltsstoffen eingesetzt werden kann, ist die Anwendung in Deutschland derzeit erst in den Bereichen der Getränke- und Lebensmittelindustrie sowie der Zellstoff- und Papierherstellung verbreitet (Bischofsberger, W. et. al. 2005, S.283). Zukünftig wird die Anaerobtechnik durch neuere Entwicklungen in der Reaktortechnologie sowie die energetischen Vorteile in zunehmendem Maße auch in anderen Industriebranchen mit organischen Abwässern zum Einsatz kommen. Im Vergleich zur aeroben Reinigung können Anaerobsysteme aufgrund der guten Absetzeigenschaften des granulären Pelletschlammes und den damit realisierbaren hohen Biomassenkonzentrationen kompakter ausgeführt werden. Daher sind bei möglichen CSB- Raumbelastungen von bis zu 30 kg CSB/(m³*d) nur vergleichsweise geringe Behältervolumina erforderlich. Wirtschaftliche Vorteile ergeben sich weiterhin aus dem geringeren Energiebedarf durch den Wegfall der Belüftung, dem niedrigeren spezifischen Schlammanfall und der Möglichkeit, das entstehende Biogas zu nutzen. Gleichzeitig bestehen allerdings erhöhte betriebliche Anforderungen. Bedingt durch die hohe Raumumsatzleistung und die spezialisierte Biozönose sind Anaerobanlagen im Vergleich zur Behandlung im konventionellen Belebungsverfahren störanfälliger, so dass eine höhere Prozesskontrolle und ein entsprechendes Betreiber-Know-how erforderlich sind. Durch die oftmals hohen H 2 S-Konzentrationen im Biogas ergeben sich im Hinblick auf die Arbeitssicherheit besondere Anforderungen. Da nur rd % der organischen Verschmutzung bezogen auf den Summenparameter CSB abgebaut werden, kann die anaerobe Reinigung nur als Vorbehandlung genutzt werden, weshalb bei einer vorgesehenen Direkteinleitung eine aerobe Weiterbehandlung notwendig ist. Auf der Kläranlage Arnsberg-Neheim betreibt der Ruhrverband seit nunmehr drei Jahren Anaerobreaktoren zur Vorbehandlung der Abwässer einer Papierfabrik. Das Papierabwasser wird der Kläranlage separat in einer Druckrohrleitung zugeführt, zur Konditionierung und Vorversäuerung zunächst in Vorversäuerungstanks zwischengespeichert und anschließend durch Methanreaktoren (IC-Reaktoren) geleitet. Dieses so vorbehandelte Abwasser wird anschließend zur Weiterbehandlung in die Denitrifikationsstufe der Kläranlage eingeleitet. Das in den Methanreaktoren produzierte Gas wird nach einer Gaswäsche in BHKWs verstromt. Die Vermeidung von Geruchsemissionen erfordert den Betrieb einer leistungsfähigen Abluftbehandlung.

14 Einleitung 2 Bis Ende 2007 konnten durch einen Engpass bei der Gaswäsche sowie verschiedene Betriebsstörungen der Methanreaktoren nur rd % des Papierabwassers stabil anaerob behandelt werden. Der unbehandelte Anteil wurde über einen Bypass direkt in die Denitrifikationsstufe der kommunalen KA abgefahren. Die vorliegende Arbeit widmet sich somit der Zielsetzung, möglichst 100 % des Papierabwassers stabil anaerob zu behandeln, um durch die Optimierung eine erhöhte Gasausbeute und damit verbunden eine erhöhte Eigenstromversorgung zu erreichen. Durch die Entlastung der biologischen Stufe der kommunalen Kläranlage soll eine weitere Reduktion der Belüftungsenergie und eine verminderte Überschussschlammproduktion erzielt werden. Zur Darstellung der biologischen und chemisch-physikalischen Grundlagen der anaeroben Abwasserbehandlung erfolgt im ersten Teil der Arbeit eine Sichtung und kurze Darstellung der relevanten Literatur. Im Fokus stehen dabei die wichtigsten Einflussfaktoren auf die Leistungsfähigkeit und Prozessstabilität. Vor dem Hintergrund dieser Einflussfaktoren werden anschließend die in umfangreichen Betriebsaufzeichnungen erfassten Betriebszustände der Anaerobanlage aufgearbeitet. Zusammen mit der Betrachtung besonderer Betriebssituationen (Wiederinbetriebnahme nach einem Schlammverlust, Maximalbelastung, Temperaturschwankungen etc.) werden daraus anlagenspezifische Einflussgrößen auf die Prozessstabilität sowie ein System zum frühzeitigen Erkennen von Betriebsstörungen abgeleitet. Die Arbeit schließt mit konkreten Handlungsempfehlungen zum optimierten Betrieb der anaeroben Vorbehandlung sowie einer Kostenbetrachtung ab.

15 Grundlagen 3 2. Grundlagen 2.1 Stoffwechsel, Zellatmung und Gärung Die Gesamtheit aller chemischen Prozesse eines Organismus ist der Stoffwechsel (Metabolismus). Insgesamt organisiert der Stoffwechsel die Material- und Energieressourcen der Zelle. So genannte katabole Stoffwechselwege setzten Energie frei, indem sie komplexe organische Moleküle wie Kohlenhydrate, Proteine oder Fette, die reich an chemischer Energie sind, in einfachere Produkte mit geringerem Energiegehalt umsetzen. Eine Hauptroute des Katabolismus ist dabei die Zellatmung, bei der z.b. Glucose bei aeroben Prozessen über die drei Stoffwechselwege Glykolyse, Citratcyclus und Atmungskette bis zu den einfachen Molekülen CO 2 und H 2 O abgebaut wird. Nur ein Teil der Energie, die auf diese Weise dem chemischen Speicher entnommen wird, kann nützliche Arbeit verreichten, der Rest geht als Wärme verloren. (Campbell, N. ; Reece, J. 2006, S.185). Bei so genannten anabolen Stoffwechselwegen wird hingegen Energie verbraucht, um komplexe Moleküle aus einfachen aufzubauen. Ein Beispiel für den Anabolismus ist die Proteinbiosynthese aus Aminosäuren. Die anabolen und katabolen Stoffwechselwege sind so miteinander verbunden, dass die beim Katabolismus freigesetzte Energie die anabolen Stoffwechselwege antreiben kann. Dieser Energietransfer vom Katabolismus zum Anabolismus wird als Energiekopplung bezeichnet. Ein Molekül mit dem Namen ATP ist dabei für die Durchführung der Energiekopplungen in der Zelle verantwortlich. Bei der Glykolyse und dem Citratzyklus werden Glucose und andere organische Energieträger allmählich in einer Reihe aufeinander folgender Schritte oxidiert. Dabei wird mit Hilfe von Enzymen (Dehydrogenasen) von der Glucose beziehungsweise den nachfolgenden Stoffwechselprodukten Wasserstoff abgespalten und zunächst auf ein Coenzym NAD + (Nicotinamid-Adenin-Dinucleotid) übertragen. NAD + dient bei der Zellatmung somit als Oxidationsmittel und wird dabei selbst reduziert. Oxidation Reduktion Bei der Übertragung der Elektronen auf das NAD +, verlieren sie kaum etwas von ihrer potentiellen Energie. Bei der Glykolyse, die sich im Cytosol abspielt, wird Glucose zu zwei Molekülen Pyruvat,

16 Grundlagen 4 dem Anion der Brenztraubensäure, oxidiert. Die Nettoenergieausbeute der Glykolyse beträgt 2 ATP + 2 NADH je Glucosemolekül. Jedes während der Zellatmung gebildete NADH-Molekül stellt gespeicherte Energie dar, die bei der Atmungskette für die Herstellung von ATP genutzt wird, sobald die Elektronen endgültig von NADH zu Sauerstoff fließen. Während des aeroben Abbaus von 1 mol Glucose werden insgesamt 38 mol ATP gebildet (Londong, J.; Rosenwinkel, K.-H. 2007, S. 95). Die bei der Zellatmung je Molekül gebildeten 38 Moleküle ATP entstehen zum größten Teil in der Atmungskette (34 Moleküle ATP). Dieser Prozess ist allerdings von einer ausreichenden Sauerstoffversorgung der Zellen abhängig und kommt ohne Sauerstoff zum erliegen. Manche Zellen sind allerdings über den Stoffwechselprozess der Gärung in der Lage, auch ohne Sauerstoff ATP zu erzeugen. Beim Stoffwechselprozess der Gärung findet zur Energieübertragung praktisch nur die Glykolyse statt. Das Oxidationsmittel ist dabei NAD + und nicht Sauerstoff. Bei der Glykolyse entstehen somit mit oder ohne Anwesenheit von Sauerstoff zwei ATP-Moleküle. Der Prozess der Gärung funktioniert allerdings nur, solange genügend NAD + zur Verfügung steht, das die Elektronen im Oxidationsschritt der Glykolyse aufnehmen kann. Eine Regeneration des NAD + aus NADH ist somit erforderlich. Unter aeroben Bedingungen wird das NAD + durch die Übertragung der Elektronen auf die Atmungskettenproteine regeneriert. Die anaerobe Alternative ist die Übertragung der Elektronen vom NADH auf Pyruvat, das Endprodukt der Glykolyse (Campbell, N; Reece, J. 2006, S. 201). Der Gesamtprozess der Gärung umfasst somit die Glykolyse sowie Reaktionen, in denen NAD + durch Elektronenübertragung vom NADH auf Pyruvat regeneriert wird. Gärung und Zellatmung sind somit die anaerobe und die aerobe Möglichkeit, chemische Energie aus Nährstoffen zu gewinnen und damit ATP zu produzieren. Die Glykolyse läuft sowohl bei der Zellatmung als auch bei der Gärung ab. Das Endprodukt der Glykolyse, das Pyruvat stellt eine Gabelung der katabolen Reaktionswege zum Glucoseabbau dar. Ohne Sauerstoff ist die im Pyruvat noch gespeicherte Energie für die Zelle nicht zugänglich. Viele Bakterien sind in Abhängigkeit der jeweiligen Milieubedingungen entweder zur Zellatmung oder zur Gärung in der Lage. Solche Organismen werden als fakultative Anaerobier bezeichnet. 2.2 Wachstum von Mikroorganismen Allgemeines Mikroorganismen nutzen die durch biochemische Umsetzungsprozesse energiereicher, organischer Substanz erzeugte Energie zur Synthese von ATP. Auf diese Weise wird die Energie

17 Anaerobe Verfahren 56 3 Anaerobe Verfahren 3.1 Gliederung anaerober Verfahrenstechnik Anaerobe Bakterien wachsen sehr langsam, so dass die Art der Biomassenanreicherung und Art der Biomassenstruktur entscheidende Systemkriterien sind. In Abbildung 30 erfolgt die Gliederung anaerober Verfahrenssysteme daher auf Grundlage der Biomassenanreicherung sowie der Biomassenaggregation, ob diese flockig, granulär oder auf Trägermaterial angesiedelt ist. Anaerobe Verfahrenstechnik ohne Biomassenanreicherung mit Biomassenanreicherung Ausschwemmreaktor Flocken Pellets Trägermaterial Kombination Anaerobe Belebung Membran- Gestützter Reaktor UASB EGSB Festbett Fließbett Hybridreaktor Abbildung 30: Gliederung anaerober Verfahrenstechnik (ATV-Fachausschuß , erweitert von Meyer, H. 2004) Es werden folgende Reaktorgrundtypen unterschieden (Austermann-Haun, U S. 8): Anaerobes Belebungsverfahren in Analogie zum aeroben Belebungsverfahren Membranreaktoren mit einer Membran zum Biomassenrückhalt UASB-Reaktoren (upflow anaerobic sludge blanket), die vorwiegend mit granulierter Biomasse arbeiten EGSB-Reaktoren (expanded granular sludge blanket), die eine Weiterentwicklung der UASB-Reaktoren sind Festbettreaktoren mit einer Füllung aus ortsfestem Kunstoffträgermaterial Fließbetttreaktoren mit frei beweglichen Trägermaterial wie z.b. Bims Hybridreaktoren, die eine Mischform der genannten Reaktortypen darstellen In Abbildung 31 werden die genannten Reaktoren (bis auf den Hybridreaktor) schematisch dargestellt.

18 Anaerobe Verfahren 57 Abbildung 31: Anaerobe Reaktoren (Rosenwinkel, K.-H. 2008) Eine detaillierte Beschreibung der genannten Reaktorgrundtypen erfolgt z.b. bei (Meyer, H. 2004). Im Folgenden werden die Pelletschlammreaktoren näher betrachtet, da ein entsprechender Reaktortyp auf der KA Arnsberg-Neheim zum Einsatz kommt. 3.2 Pelletschlammreaktoren UASB Reaktor Der Grundtyp der durchmischten Pelletschlamm-Upflow- Reaktoren ist der UASB Reaktor, der schließlich zu den EGSB-Reaktoren weiter entwickelt wurde. Der UASB - Prozess ist seit etwa 1970 bekannt. Es handelt sich um einen von unten nach oben durchströmten Reaktor, in dem sich unter bestimmten Bedingungen eine granulierte Biomasse ausbildet (Vgl ). Die Leistungsfähigkeit des Upflow- Abbildung 32: Schema eines UASB-Reaktors Reaktors ist direkt mit der Fähigkeit der Biomasse, gut absetzbare Bakterienkörnchen (Pellets) zu bilden, verknüpft. Organismen, die nicht zur Pelletbildung fähig sind, werden aus dem System ausgeschwemmt. Im Schlammbett können so otr-konzentrationen von bis zu 90 kg otr/m³ erreicht werden. Die Durchmischung erfolgt zum einen durch die Gasentwicklung und zum anderen durch die Aufstromgeschwindigkeit des zugeführten Abwassers. Zur Sicherstellung einer optimalen Durchmischung sowie zur Vermeidung von Totzonen und Kurzschlussströmungen erfolgt eine möglichst gleichmäßige Verteilung des Abwassers über die Reaktorgrundfläche. Übliche Reaktorhöhen liegen bei 4,5 7 m, mit einer Schlammbetthöhe von etwa 1 4 m. Im oberen Bereich des Reaktors befindet sich das Dreiphasen Trennsystem, in dem Biogas, Wasser und Schlamm voneinander getrennt werden. Zunächst wird das produzierte Biogas von dem Wasser und dem ggf. mitgerissenen Schlamm abgetrennt. So entsteht oberhalb des Separators

19 Anaerobe Verfahren 58 eine beruhigte Zone, in der sich ggf. mitgeführte Biomasse absetzten und wieder zurück in den Reaktor fallen kann. Das gereinigte Abwasser verlässt über Ablaufschwellen das System. Die Dimensionierung eines UASB-Reaktors erfolgt im Allgemeinen über die Raumbelastung und die Aufenthaltszeit. Die mindest CSB-Konzentration für einen wirtschaftlichen Einsatz sollte bei rd mg/l liegen. Mögliche Dimensionierungsparameter für einen UASB-Reaktor in der Papierindustrie können wie folgt aussehen: Tabelle 13: Mögliche Dimensionierungsparameter eines UASB-Reaktors in der Papierindustrie Raumbelastung Aufenthaltszeit Pelletschlammkonzentration Schlamm- Belastung Aufstromgeschwindigkeit B R,CSB t R TR otr B otr v Wasser kg CSB/(m³*d) h kg/m³ kg/m³ kgcsb/(kg otr*d) m/h ,16 1 In der Papierindustrie kommen Schlammbettverfahren nach Angaben der Fa. Paques seit 1983 zur Anwendung. Seit 1999 werden für Neubauten fast ausschließlich Hochlastverfahren, zu denen die EGSB-Reaktoren zählen, eingesetzt EGSB-Reaktoren EGSB-Reaktoren arbeiten grundsätzlich nach dem gleichen Verfahrenkonzept wie UASB- Reaktoren. Die Unterschiede im Vergleich zum UASB-Reaktor können wie folgt zusammengefasst werden: schlankere Bauform Reaktorhöhe von bis zu 24 m eine sehr weit gehende Abwasserrezirkulation eine feinere Verteilung des Abwasserzulaufs (rd. 1 Öffnung je m²) höhere Aufstromgeschwindigkeit durch die höhere Aufstromgeschwindigkeit wirtschaftliche Behandlungsmöglichkeit für Abwässer mit niedrigeren CSB-Konzentrationen (bis rd mg/l) durch die höhere Aufstromgeschwindigkeit wirtschaftliche Behandlungsmöglichkeit für Abwässer mit höheren CSB-Konzentrationen durch die Möglichkeit der Rezirkulation höhere CSB-Raumbelastung (bis zu 30 kg CSB/(m³*d)) Deutliche Verbesserung der Dreiphasenabscheider Die verbesserte Leistungsfähigkeit im Vergleich zum UASB-Reaktor lässt sich im Wesentlichen auf die Verbesserung des Dreiphasenabscheiders zurückführen. Eine detaillierte Beschreibung eines Dreiphasenabscheiders erfolgt z.b. bei (Meyer, H. 2004, S. 3 18). Die theoretisch mögliche Schlammbetthöhe ist der untere Bereich eines Abscheiders. Zur Vermeidung von Schlammabtrieb ist bei UASB-Reaktoren eine Übergangszone zwischen Schlammbett und Abscheider erforderlich, so dass die maximale Schlammbetthöhe meist bei ca. 50% der Wasserhöhe liegt. Bei den verbesserten Abscheiderkonstruktionen kann dieser Übergangsbereich minimiert werden. Die optimierte Schlammbetthöhe kann bei bis zu 70% der

20 Anaerobe Verfahren 59 Wasserhöhe liegen, so dass bezogen auf das Reaktorgesamtvolumen ein erhöhter Biomassengehalt erreicht werden kann. Weiterhin ermöglicht die verbesserte Abscheiderkonstruktion einen erhöhten Mischenergieeintrag, ohne gleichzeitig die Schlammabtriebsgefahr zu erhöhen. Somit sind deutlich höhere Aufstromgeschwindigkeiten zulässig, die wiederum einen verbesserten Stoffaustausch zwischen Abwasser und Biomasse und somit eine verbesserte Schlammaktivität ermöglichen. Der höhere mögliche Biomassenghalt in Verbindung mit der optimierten Schlammaktivität erlauben CSB-Raumbelastungen von bis zu 30 kg CSB/(m³*d). Durch die höhere mögliche Aufstromgeschwindigkeit sinkt zum einen die Störanfälligkeit gegenüber abfiltrierbaren Stoffen im Reaktorzulauf, die jetzt durch das Schlammbett gespült werden, zum anderen ist eine Anhebung der Rezirkulationsrate möglich. Die erhöhte Rückführung von bereits gereinigtem Abwasser bietet wiederum die Möglichkeit, durch den Verdünnungseffekt hoch konzentrierte Abwässer zu behandeln. Weiterhin wird durch Rückführung von Alkalität der kostspielige Verbrauch von Neutralisationsmitteln reduziert Biobed Das einem UASB-Reaktor gleichende Funktionsprinzip wird folgend stichpunktartig zusammengefasst: - Abwasserzuführung erfolgt über ein spezielles Einlaufsystem auf der Reaktorsohle - Aufwärtsdurchströmung des Pelletschlammbetts - Durchmischung durch Biogasproduktion sowie Aufwärtsströmung - Trennen der Phasen Wasser, Biogas und Schlamm durch Hochleistungsabscheider - Gereinigtes Abwasser wird durch die Ablaufrinne abgeführt und nach Bedarf rezirkuliert - Biogas sammelt sich oberhalb der Wasserfläche im Reaktorkopf Abbildung 33: Funktionsschema Biobed-Reaktor (Prospekt Fa. VA TECH WABAG) Der Biobed-Reaktor ist eine Bauform der EGSB Reaktoren. Dem Reaktor vorgeschaltet ist ein so genannter Konditionierungs- und Vorversäuerungstank, der verschiedene Funktionen erfüllt. Zum einen wird das Abwasser auf die für den anaeroben Abbauprozess optimalen Bedingungen eingestellt. Das bedeutet, dass je nach Abwasserherkunft ggf. erforderliche Hilfsstoffe wie Neutralisationsmittel, Nährstoffe oder auch Spurenelemente zugegeben werden können. Zum anderen wird das ankommende Abwasser mit dem Rezirkulationsstrom vermischt. Da Biobed- Reaktoren mit einer möglichst konstanten Aufstromgeschwindigkeit betrieben werden, ist auch die Förderleistung der Reaktorbeschickungspumpe möglichst konstant. Bei einem schwankenden

21 Anaerobe Verfahren 60 Abwasseranfall ändern sich somit die Anteile von Abwasser und rezirkuliertem Ablauf. Eine Optimierung des Vorversäuerungsgrades ist speziell bei einem stark schwankendem Abwasseranfall und den daraus resultierenden, unterschiedlichen Verdünnungsverhältnissen schwierig. Bei allen aufwärts durchströmten Anaerobreaktoren besteht grundsätzlich die Gefahr, dass bei einer zu hohen Mehrphasenströmung (Wasser und Gas) Biomasse ausgetragen wird. Um den Austrag von Pellets auszuschließen, ist die Aufstiegsgeschwindigkeit des Zweiphasengemisches im Biobed-Reaktor sicher zu begrenzen. Die Sinkgeschwindigkeit der Pellets beträgt etwa m/h. Nach Angaben der Fa. Paques verringern die 3-Phasen-Hochleistungsabscheider der Biobed- Reaktoren den freien Durchgang des Wasserweges auf rd. 15% des Reaktorquerschnitts. Somit sollte die Aufstiegsgeschwindigkeit (Wasser + Gas) im Reaktor maximal 7,5 m/h betragen, um unterhalb des Abscheiders eine Geschwindigkeit von 50m/h nicht zu überschreiten. Zu 1: Zulauf + externe Rezi werden auf der Reaktorsohle zugeführt. Durch die Biogasproduktion im Schlammbett steigt die Aufstromgeschwindigkeit über die Reaktorhöhe an. Zu 2: Zulauf + externe Rezi + Biogas bewirken direkt unterhalb des Abscheiders die auf den gesamten Reaktorquerschnitt bezogene Höchstgeschwindigkeit. Zu 3: Im Abscheider wird der Reaktordurchgang auf 15% reduziert. Nach Abtrennung des Biogases müssen Zulauf + externe Rezi dieses Nadelöhr passieren, so dass es lokal zur höchsten Aufströmgeschwindigkeit kommt. Dimensionierungsparameter für einen Biobed-Reaktor (Papierindustrie) können wie folgt aussehen: Tabelle 14: Mögliche Dimensionierungsparameter eines Biobed-Reaktors in der Papierindustrie Raumbelastung Aufenthaltszeit Pelletschlammkonzentration Schlamm- Belastung Aufstromgeschwindigkeit B R,CSB t R TR otr B otr v Wasser kg CSB/(m³*d) h kg/m³ kg/m³ kgcsb/(kg otr*d) m/h , IC Auch der IC-Reaktor ist eine Bauform der EGSB-Reaktoren. Wie beim Biobed-System ist dem IC- Reaktor ein Konditionierungs- und Vorversäuerungstank vorgeschaltet, der im Wesentlichen die Funktionen erfüllt, das Abwasser auf die für den anaeroben Abbauprozess optimalen Bedingungen einzustellen. Dazu werden je nach Abwasserherkunft ggf. erforderliche Hilfsstoffe wie Neutralisationsmittel, Nährstoffe oder auch Spurenelemente zugegeben. Da der

22 Anaerobe Verfahren 61 Vorversäuerungstank nach außen hin frei ventiliert ist und somit keine Verbindung zum Gassystem besteht, stellen schwankende Wasserspiegel kein Problem dar. Bei einem stark schwankenden Abwasseranfall kann so ein optimaler Versäuerungsgrad eingestellt werden. Auf der anderen Seite fällt separat zu entsorgende Abluft an. Der IC-Reaktor verfügt über ein internes, selbst regulierendes Rezirkulationssystem. Es besteht weiterhin die optionale Möglichkeit, das ankommende Abwasser mit einem externen Rezirkulationsstrom zu vermischen. Die Förderleistung der Reaktorbeschickungspumpen passen sich dem jeweiligen Abwasseranfall an. Da das ankommende Abwasser vor Eintritt in das Schlammbett mit dem internen Rezirkulationsstrom vermischt wird, unterliegt die Aufstromgeschwindigkeit nur geringfügigen Schwankungen. Das einem UASB-Reaktor gleichende Funktionsprinzip wird folgend stichpunktartig zusammengefasst: 1) Zuführung und Verteilung des Abwassers und des internen Rezirkulationswassers über ein spezielles Einlaufsystem auf der Reaktorsohle und Mischung mit der anaeroben, granulierten Biomasse 2) Aufwärtsdurchströmung des expandierten Pelletschlammbetts und Umwandlung des abbaubaren CSB in Methan und Kohlendioxid (Durchmischung durch Aufwärtsströmung und Biogasproduktion) 3) Fassung des Biogases im ersten Abscheider und weitestgehender Rückhalt der granulierten Biomasse 4) Transport des Biogases über die Steigleitung zum Reaktorkopf. Dabei wird gemäß dem Mammutpumpenprinzip Wasser mitgerissen (rd. 0,9 m³ Wasser pro m³ Gas nach Fa. Paques im Neheimer IC) 5)Trennung von Biogas und Wasser im Reaktorkopf 6) Zurückströmen des Wassers durch den Abströmer (Fallrohr) zur Reaktorsohle (interne Zirkulation) 7) Nachbehandlungsstufe. Verringerte Aufströmgeschwindigkeit, da internes Rezirkulationswasser im ersten Abscheider abgefangen wird 8) Fassung des restlichen Biogases im zweiten Abscheider sowie Abtrennung der restlichen Biomasse Abbildung 34: Funktionsschema IC-Reaktor (Prospekt Fa. PAQUES) Bei aufwärts durchströmten Anaerobreaktoren besteht die Gefahr, dass bei einer zu hohen Mehrphasenströmung (Wasser und Gas) Biomasse ausgetragen wird. Bei einer Sinkgeschwindigkeit der Pellets von m/h und einer Verringerung des freien Durchgangs im IC-Reaktor durch die integrierten Abscheider auf 40% sollte die Aufstiegsgeschwindigkeit im Reaktor maximal 20m/h betragen, um im Abscheider eine Geschwindigkeit von 50m/h nicht zu überschreiten.

23 Zusammenfassung und Fazit 119 Geringerer Stromverbrauch der aeroben Biologie Gemäß kann für die IC-Reaktoren der KA Arnsberg-Neheim ein spezifischer Strombedarfsreduktionswert von 0,44 kwh el/kg CSB abg berücksichtigt werden. Stromkostenvorteil vor der Optimierung: 0,44kWhel 0, kgCSB / d *0,7 *0,7 * * = 226 / d rd /a kg CSB kwh abg Stromkostenvorteil nach der Optimierung: el 0,44kWhel 0, kgCSB / d *0,8*0,9* * = 332 / d rd /a kg CSB kwh abg el Stromkostenvorteil durch Optimierung: rd /a Summe der Stromkostenvorteile durch Optimierung rd /a 7.3 Summe der Kostenvorteile Bei Realisierung der aufgedeckten Optimierungspotentiale liegen die monetären Vorteile in der Summe bei rd /a. 8 Zusammenfassung und Fazit Wesentliche Zielsetzung der Masterarbeit lag in der Entwicklung konkreter Handlungsoptionen zum optimierten Betrieb der IC-Reaktoren, um eine stabile anaerobe Vorbehandlung von möglichst 100 % des der Kläranlage Arnsberg-Neheim zugeführten Papierabwassers zu gewährleisten. Weiterhin sollten ein System zum frühzeitigen Erkennen von Betriebsstörungen entwickelt und Dimensionierungsparameter diskutiert werden. Im ersten Schritt werden unter Berücksichtigung der einschlägigen Literatur wesentliche Einflussfaktoren auf die Prozessstabilität anaerober Abbauvorgänge aufgearbeitet. Von besonderer Bedeutung sind u. a. die Prozesstemperatur, die im Optimum zwischen 30 C - 40 C liegen sollte und 42 C niemals überschreiten darf, die Hemmwirkung der undissoziierten Anteile organischer Säuren, die mit fallendem ph- Wert zunimmt (Hemmwirkung ab > 0,2 mmol/l),

24 Zusammenfassung und Fazit 120 die Hemmwirkung von H S, die am besten über das Verhältnis von CSB /S definiert 2 abb red werden kann und mit fallendem ph-wert zunimmt (ab Verhältnis < 20 besteht erhöhte Gefahr der Hemmung), der ph-wert, der u. a. die Dissoziationsgleichgewichte schwacher Säuren beeinflusst, im Anaerobprozess wesentlich vom Kohlensäure-Puffersystem beeinflusst wird und idealerweise im Bereich von 6,6 liegen sollte, der Nährstoffbedarf der anaeroben Biozönose, der in Abhängigkeit von Schlammbelastung und Versäuerungsgrad des Abwassers für das Verhältnis CSB : N : P in einem Bereich von 350 : 5 : 1 und : 5 : 1 liegen sollte, der Kalziumgehalt, der ab einer Konzentration von mg/l in Kombination mit der Hydrogenkarbonatkonzentration zur Karbonatausfällung führen kann. Im zweiten Schritt wird auf Grundlage der für die Kläranlage Arnsberg-Neheim prognostizierten Belastungsverhältnisse die Dimensionierung einer anaeroben Vorbehandlungsanlage durchgeführt. Das errechnete erforderliche Versäuerungsvolumen von 2 * 250 m³ und das errechnete erforderliche Methanreaktorvolumen von 2 *200 m³ wurde in Neheim realisiert. Im dritten Schritt werden die Betriebsdaten der Anaerobreaktoren (Inbetriebnahme im Dezember 2005) ausgewertet und interpretiert. Im Betrachtungsfokus stehen als besondere Betriebssituationen u. a. ein Schlammverlustereignis im Januar 2008 sowie die Öffnung der externen Rezirkulationsleitung im März Die wichtigsten Ergebnisse werden folgend zusammengefasst: Es werden drei Umfahrungssituationen erkannt (Anstieg der organischen Säuren im IC- Reaktor, überhöhte Sulfatkonzentration im Papierabwasser, Stützung der kommunalen Deni), die einen behandelten Anteil von 70 % des Papierabwassers begründen. Der Versäuerungsgrad liegt im Zulauf der Reaktoren zwischen %. Bei einem Anstieg > 35 % bildet sich zu viel Versäuerungsschlamm. Bei stabilen Betriebsverhältnissen liegt die Konzentration organischer Säuren < 300 mg/l. Bei stabilen Betriebsverhältnissen liegt die Alkalität im IC-Reaktor bei mindestens mmol/l. Bei stabilen Betriebsverhältnissen liegt der ph-wert im IC-Reaktor bei 6,4 6,6. Bei stabilen Betriebsverhältnissen liegt der CH -Gehalt im Biogas bei > 60 %. 4 Das Verhältnis CSB /S liegt zwischen Für Neheim kann ein Verhältnis < 20 abb red als kritisch angesehen werden. Die Prozesstemperatur liegt mit C im Optimalbereich.

25 Zusammenfassung und Fazit 121 Die Nährstoffversorgung der anaeroben Biozönose war immer ausreichend; die P-Dosierung kann verringert werden. Durch Öffnung der externen Rezirkulation konnten der Wirkungsgrad von 70 % auf 80 % gesteigert und der Natronlaugenverbrauch verringert werden. Die Aufstromgeschwindigkeit im Schlammbett liegt bei 5 10 m/h und konnte durch Öffnung der externen Rezirkulation auf 10m/h stabilisiert werden (maximal 20 m/h möglich). Die Schlammmasse im System liegt bei einer Schlammkonzentration von rd. 60 kg otr/m³ im expandierten Schlammbett zwischen 6 12 t otr pro IC-Reaktor. Die Schlammbelastung liegt zwischen 0,2 0,7 kg CSB/(kg otr*d). Nach dem Schlammverlustereignis lag die Grenze der Umsatzkapazität beim Wiederanfahren der Reaktoren bei 0,7 kg CSB/(kg otr*d). Die spezifische Gasproduktion liegt mit 0,38 m³ N /kg CSB abg im plausiblen Bereich. Im vierten Schritt werden wesentliche Dimensionierungsparameter diskutiert. Die wichtigsten Ergebnisse werden folgend zusammengefasst: Bei der derzeitigen Systemanordnung liegt der optimale Versäuerungsgrad bei %. Durch eine Erhöhung des Versäuerungsgrades > 35 % kann die Schlammabbauleistung (Umsatzkapazität) erhöht werden. Dazu ist allerdings eine Abtrennung des gebildeten Versäuerungsschlammes erforderlich. Die Reaktoren in Neheim wurden für eine maximale Schlammbelastung von 0,5 kg CSB/kg otr bemessen. Bei der derzeitigen Systemanordnung ist eine maximale Schlammbelastung von 0,7 kg CSB/kg otr möglich, die durch Erhöhung des Versäuerungsgrades sowie der Aufstromgeschwindigkeit weiter optimiert werden kann. Die Biomassekonzentration liegt bei Reaktorstillstand bei 90 kg otr/m³ und damit im üblichen Bereich. Die Reaktoren wurden für eine Aufstromgeschwindigkeit von 20 m/h bemessen. Durch Erhöhung der derzeitigen Aufstromgeschwindigkeit (5 10 m/h) ist eine Optimierung von Umsatzkapazität und Reinigungsleistung möglich. Im fünften Schritt werden auf Grundlage der einschlägigen Literatur und der Betriebsdatenanalyse Handlungsempfehlungen zum optimierten Betrieb entwickelt: Eine Erhöhung des behandelten Anteils auf etwa 90 % kann durch folgende Maßnahmen realisiert werden: Gezielte Erhöhung des ph-wertes im Schlammbett Zugabe von Verdünnungswasser

26 Zusammenfassung und Fazit 122 Öffnung der externen Rezirkulation. Die Öffnung der externen Rezirkulation ist gleichzeitig mit einer Wirkungsgraderhöhung auf rd. 80% verbunden. Zentrale betriebliche Anpassungen sind somit eine gezielte ph-wert-erhöhung im IC-Reaktor, um den undissoziierten, schädlichen Anteil organischer Säuren zu vermindern, sowie eine Zugabe von Verdünnungswasser oder extern rezirkuliertem Wasser, um durch die damit verbundene Erhöhung der Aufstromgeschwindigkeit die Durchmischung und den Stoffaustausch im Schlammbett zu verbessern. Auch wenn eine externe Rezirkulation von bereits gereinigtem Abwasser durch die gleichzeitige Rückführung von Verdünnungswasser und Alkalität für eine Stabilisierung des Prozesses besonders geeignet ist, darf sie erst nach sicherem Ausschluss einer möglicherweise erhöhten Ausfällungsproblematik erfolgen (Kalzium- und Hydrogenkarbonatkonzentration). Ein Frühwarnsystem gegen Betriebsstörungen umfasst folgende Leitparameter und Warngrenzen: tägliche Bestimmung der organischen Säuren (Warnwert 300 mg/l) tägliche Bestimmung der Alkalität (Warnwert < 20 mmol/l) ph-wert im Reaktor (Warnwert < 6,4) CH -Gehalt im Biogas (Warnwert < 60%). 4 Als weitere Optimierungsmaßnahmen werden die Senkung der Natronlauge- und Phosphorsäuredosierung vorgeschlagen. Weiterhin können die zur Prozessüberwachung durchgeführten Analysen unter Berücksichtigung der genannten Leitparameter optimiert werden. Dabei kann der Analyseaufwand deutlich reduziert werden. Im sechsten Schritt werden im Rahmen einer Kostenbetrachtung folgende Punkte bewertet: Reduktion der eingesetzten Betriebsmittel (Phosphorsäure, Natronlauge, Küvetten) Erhöhung der Energieerlöse durch die Biogasverwertung Verringerung des Stromverbrauches der aeroben Biologie. Dabei liegen die monetären Vorteile bei Realisierung der genannten Optimierungspotentiale (Erhöhung des behandelten Anteils des Papierabwassers auf 90 % und Steigerung des Wirkungsgrades auf 80 %) in Summe bei rd /a.