Parameter zur Bewertung von Betriebsproblemen bei Faulbehältern. Karl Svardal

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1 Parameter zur Bewertung von Betriebsproblemen bei Faulbehältern Karl Svardal Institut für Wassergüte, Ressourcenmanagement und Abfallwirtschaft Technische Universität Wien

2 Einleitung mesophile Schlammfaulung in beheizten Behältern bei ca. 35 C seit vielen Jahren im Einsatz lange Erfahrung meist problemlos und störungsfrei

3 Diskussionspunkte zum Thema mesophile Schlammfaulung: Betriebsprobleme Schäumen ungenügende Durchmischung Stabilisierungsgrad Geruch Schlammminimierung Rückläufe (Trüb- und Presswasser)

4 Grundlagen der anaeroben Abbauprozesse Wissen über die chemischen und mikrobiologischen Zusammenhänge wichtig für das Verständnis der anaeroben Schlammbehandlung zur Lösung von Betriebsproblemen zur Prozessoptimierung

5 Der anaerobe Abbauprozess 1. Stufe: Hydrolyse und Versäuerung 2. Stufe: Methanstufe

6 Der anaerobe Abbauprozess 1. Stufe: Hydrolyse und Versäuerung Abbau von Feststoffen, Kohlenhydraten, Fetten und Eiweißstoffen zu organischen Säuren und Alkoholen Kohlendioxid, Wasserstoff und Schwefelwasserstoff vielen Bakterienarten gegenüber Umwelteinflüssen wenig empfindlich zum Teil schon im Rohschlamm enthalten

7 Der anaerobe Abbauprozess 2. Stufe: Methanstufe Endprodukte der 1.Stufe werden zu Methan (CH 4 ) abgebaut (Methanisierung) Methanbakterien sind Spezialisten empfindlich gegenüber Temperaturschwankungen, Hemm- und Giftstoffen sowie niedrigen ph-werten (unter 7)

8 Der anaerobe Abbauprozess Methanbakterien: 4 H 2 + CO 2 CH H 2 O CH 3 COOH CH 4 + CO 2 Essigsäure abbauende Methanbakterien sind am empfindlichsten ca. 70% des produzierten Methans stammen aus dem Essigsäureabbau

9 Der anaerobe Abbauprozess Hydrolyse und Versäuerung sind schneller als Methanisierung (für sehr viele Substrate) mehrstufige Verfahren (Versäuerungsreaktor/ Methanreaktor) bringen keine Vorteile die produzierten organischen Säuren müssen von den Methanbakterien verarbeitet werden können gleichmäßige Beschickung ausreichendes Schlammalter (=Faulzeit)

10 Der anaerobe Abbauprozess optimale Milieuverhältnisse: konstante Temperatur 35 C (mesophil) C (thermophil). ph-wert 6,8-7,8 wird durch Ammonium stabilisiert

11 Prozessparameter Faulzeit, Beschickung, Gasproduktion Massenbilanz - Energiebilanz Temperatur Umweltbedingung Einmischung ph-wert, Säurekapazität, Ammonium, Schwefelwasserstoff, Gaszusammensetzung Beschreibung des chemischen Milieus Organische Trockensubstanz (GV) organische Schlammanfall

12 Faulzeit Die Faulzeit ist durch die hydraulische Beschickung bestimmt: t FB [d] = V FB [m 3 ] / Q FB [m 3 /d] Für Prozessstabilität: Faulzeit von 15 d ausreichend über 90% der anaerob abbaubaren Schlamminhaltsstoffe in Methan umgebaut Bei höherer Faulzeit: langsam hydrolysierbare Substanzen werden abgebaut bessere Stabilisierung

13 Beschickung - Belastung Belastung von untergeordneter Bedeutung, solange sie gleichbleibend ist Substratmangel wird durch Schlammalter (=Faulzeit) erreicht Schlammalter wird wesentlich höher gewählt, als für die Bakterienvermehrung notwendig erhöhte Substratfracht führt zu Anstieg der Substratkonzentration Wachstumsrate der Bakterien steigt bis zur bakterienspezifischen max. Wachstumsrate an.

14 Beschickung - Belastung Eine plötzliche Frachterhöhung führt also immer zu einer Konzentrationserhöhung, solange bis wieder so viele Bakterien nachgewachsen sind, dass alle wieder substratlimitiert sind Anstieg von org. Säuren! (ph-wert) Für den stabilen Betrieb der Schlammfaulung ist eine gleichmäßige Belastung notwendig möglichst gleichbleibende hydraulische Beschickung und gleichbleibende Konzentration im Rohschlamm bei Co-Substraten oder Material aus Fettabscheidern zu beachten

15 Beschickung - Belastung Im Rohschlamm häufig starke TS- Schwankungen und dadurch Fehler bei Probenahme und Bestimmung Im Ablauf von Faulbehältern keine größeren TS- Schwankungen aufgrund der langen Faulzeit. Wenn Faulbehälter voll durchmischt sind, kann sich der Feststoffgehalt bei mehr als 20 Tagen Faulzeit theoretisch täglich um maximal 5 % ändern. Überprüfung der Analysen und Mengenströme der Schlammfaulung CSB-Bilanz

16 Bilanzierung Faulbehälter CSB im CH 4 CSB im Frischschlamm Schlammbehandlung CSB im stabilisierten Schlamm Q(FB) zu zu. CSB (PS+ÜS) (PS+ÜS) - Q(FB) ab ab. CSB stab.schlamm = Q Faulg Faulg CSB Faulg vereinfacht: Q(FB) zu. (TS PS+ÜS - TS FS ) 1,45 = Q Faulg (1 - CO 2 -Gehalt) 2,86

17 Temperatur optimale Temperatur: C geringer gelöster CSB im FS Temperaturschwankungen von mehr als 2 bis 3 C/d sollen vermieden werden Temperaturänderung durch Beschickung > 1 C schlechte, ungenügende Durchmischung

18 ph-wert, Säurekapazität, Ammonium, Schwefelwasserstoff, Gaszusammensetzung charakterisieren das chemische Milieu, in dem die anaeroben Bakterien leben Sie stehen untereinander im Gleichgewicht ph-wert bestimmt Gleichgewichte Ammonium Ammoniak freie org. Säure dissoziierte org. Säure Schwefelwasserstoff Hydrogensulfid

19 ph-wert, Säurekapazität, Ammonium, Schwefelwasserstoff, Gaszusammensetzung ph-wert im Faulschlamm wird fast ausschließlich durch das Gleichgewicht von Kohlensäure und Ammoniak bestimmt Kohlensäure: CO2 +H2O HCO3 + H Ammoniak: NH - 3 +H2O NH4 + OH NH - 3 +CO2 +H2O NH4 + HCO3

20 Abhängigkeit des ph-wertes im Faulbehälter von der NH 4 -N Konzentration bei unterschiedlichen CO 2 -Gehalt des Faulgases CO2=25% CO 2 =30% CO2=35% NH 4 -N [mg/l] ph-wert FB ph-wert alleine sagt nichts über Prozessstabilität

21 Ionenbilanz: übliche Ammoniumkonzentration Kationen * Ladungszahl NH 4 + Ca 2+ Mg 2+ Na + Anionen * Ladungszahl HCO 3 - Cl - ph CO 2 =K H *pco 2 Anteil der Kohlensäureformen 1 0,1 0,01 CO 2 HCO 3 - CO 3 2-0,001

22 Ionenbilanz: erhöhte Ammoniumkonzentration (theoretisch) Kationen * Ladungszahl Anionen * Ladungszahl NH 4 + HCO 3 - Ca 2+ Mg 2+ Na + CO 3 2- Cl - ph CO 2 =K H *pco 2 Anteil der Kohlensäureformen 1 0,1 0,01 CO 2 HCO 3 - CO 3 2-0,001

23 Ionenbilanz: erhöhte Ammoniumkonzentration (tatsächlich) Kationen * Ladungszahl Anionen * Ladungszahl NH 4 + HCO 3 - Ca 2+ Mg 2+ Na + Ac - Cl - ph CO 2 =K H *pco 2 Anteil der Kohlensäureformen 1 0,1 0,01 CO 2 HCO 3 - CO 3 2-0,001

24 ph-wert, Säurekapazität, Fettsäuren 1 ph Anteil der diss. u. undiss. Formen 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 HAc Ac - CO 2 HCO 3 - CO 3 2-0

25 ph-wert, Säurekapazität, Ammonium, Schwefelwasserstoff, Gaszusammensetzung FOS/TAC-Wert Verhältnis von org.säuren zu Karbonat soll < 0,3 sein anwendbar für Biogasanlagen bei hoher NH 4 -Konz. Für Schlammfaulung mit dem Ziel einer Schlammstabilisierung unbrauchbar Fettsäuren müssen kleiner 5 mmol/l bzw. 300 mg/l Essigsäure sein (titrierbare org. Säuren gem. KWK)

26 Trockensubstanz Glühverlust (ots) Entnahme von repräsentativen Proben vor allem im Rohschlamm schwierig Mehrere Stichproben während der Beschickungszeit Glühverlust des Faulschlammes ist kein Kriterium für den Stabilisierungsgrad!

27 Trockensubstanz Glühverlust (ots) Glühverlust im Faulschlamm abhängig von Abbau der organischen Feststoffe Fracht an Mineralstoffen in die Abwasserreinigungsanlage Änderungen möglich z.b. Umstellung von Mischkanalisation auf Trennsystem Modifikationen beim Sandfang

28 Zusammenfassung wichtig für stabilen Betrieb der Schlammfaulung Plausibilitätsprüfung der Schlammfrachten Feststoffabbau - Methanproduktion Bewertung des Zustand des Prozesses um Instabilitäten erkennen und vorbeugen zu können Parameter : ph-wert NH 4 -N im Faulschlamm Titrierbare organische Säuren (TOS) Durchmischung Überprüfung durch Temperaturmessungen an unterschiedlichen Stellen

29 Ausblick Zugabe von Co-Substraten? Eigenenergieanteil erhöhen besseren Ausnutzung der vorhandenen Infrastruktur Zusammensetzung solcher Substrate sehr unterschiedlich Überwachung Ammonium und H 2 S im Faulschlamm Co-Substrat darf zu keiner Beeinträchtigung des Faulprozesses führen Grundsätzliches Ziel jeder Schlammfaulung ist die Stabilisierung des Klärschlammes!

30 Danke für ihre Aufmerksamkeit

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