Rieselstrom-Bioreaktor

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1 Rieselstrom-Bioreaktor Ein modernes Verfahren zur effektiven Abwasserbehandlung Lutz Haldenwang Erhöhte Forderungen zum Schutz der Umwelt und steigende Abwassergebühren stellen viele Industriebetriebe vor die Aufgabe, eine eigene Anlage zur Abwasserbehandlung zu errichten. Weltweit besteht ein großer Bedarf an robusten Verfahren, welche bei einem geringen Bedien- und Wartungsaufwand die Einsparung von Gebühren oder eine Wiederverwendung des Abwassers ermöglichen. Wasser die wichtigste Ressource der Menschheit Seit dem Jahr 2008 leben erstmalig mehr Menschen in Städten als auf dem Land. Mit der zunehmenden Dichte von Ballungsgebieten und der fortschreitenden Intensivierung der Industrieproduktion wird die Ressource Wasser weltweit in einem bislang nicht gekannten Ausmaß beansprucht. In vielen Regionen werden trotz geltender Vorschriften die Selbstreinigungskräfte der natürlichen Gewässer überfordert. Nicht selten sind Flüsse, Seen und Küstenregionen biologisch weitgehend tot und beeinträchtigen Hygiene und öffentliche Trinkwasserversorgung. Da Wasser im Gegensatz zu allen anderen Naturressourcen auch bei starker Verschmutzung in seinem ursprünglichen Zustand zurückgeführt werden kann, existiert ein großer Bedarf an effektiven Technologien zur Abwasserbehandlung. Der Rieselstrom-Bioreaktor ist nicht mit Wasser gefüllt und arbeitet mit einem kleinkörnigen Trägermaterial, welches auch mit zunehmender Betriebsdauer in Form einer lockeren Schüttung vorliegt. Wachsender Druck auf Unternehmen Erhöhte organische Frachten führen wegen des hohen Sauerstoffverbrauchs bei ihrer mikrobiologischen Zersetzung zu einer massiven Störung des biologischen Gleichgewichts. Für die Einleitung von Abwasser in Gewässer gelten deshalb in vielen Ländern strenge Bestimmungen für die als CSB (Chemischer Sauerstoffbedarf) und als BSB (Biologischer Sauerstoffbedarf) erfasste Summe der organischen Stoffe. Viele Unternehmen aus Industrie und Entsorgungswirtschaft sind durch den Druck der Behörden sowie aufgrund eigener wirtschaftlicher Überlegungen und einem höheren Umweltbewusstsein zunehmend gezwungen, ihre Abwässer in einer betriebseigenen Anlage zu behandeln. Ein Teil der bereits heute bestehenden Anlagen wird wegen hoher Betriebskosten oder notwendiger Reparaturen nur mit einer ungenügenden Reinigungsleistung betrieben. 938 gwf-wasser Abwasser

2 Unterschiedliche Technologien Beim Einsatz chemisch-physikalischer Verfahren wird die organische Fracht entweder in Form einer konzentrierten Lösung abgetrennt und mit hohen Kosten entsorgt oder sie wird unter hohem Energieaufwand zerlegt. Biologische Verfahren nutzen dagegen das große Spektrum der natürlich vorkommenden Mikroorganismen, um organisch belastete Abwässer naturnah und ohne Einsatz von Chemikalien zu behandeln. Moderne aerobe Verfahren arbeiten mit kleinen Anlagenvolumen und großen Biomassekonzentrationen. Als Voraussetzung für eine gute Abbauleistung ist jedoch ein hoher Energieeintrag für die kontinuierlich notwendige Belüftung erforderlich. Anaerobe Verfahren benötigen keine Sauerstoffzugabe, sind jedoch weniger stabil und bauen die organische Fracht nur unvollständig ab. Sie sind nur dann effizient, wenn eine hohe Fracht bzw. eine ausreichende Biogasgewinnung vorliegt und keine niedrigen Grenzwerte gefordert werden. Oftmals ist eine zusätzliche Vergleichmäßigung, Feststoffabtrennung oder Entfärbung notwendig. Die modular aufgebaute biologische Stufe wird deshalb zusammen mit Einrichtungen zur Vorbehandlung, z. B. zur Filtration, Neutralisation und Fettabscheidung individuell an die gegebenen Bedingungen angepasst. Kompakte Bauweise und einfache Anlagenkonfiguration ermöglichen eine problemlose Integration in die bereits vorhandene Struktur des jeweiligen Betriebes. Verfahren, welche eine Wiederverwendung des behandelten Abwassers erlauben, sind dabei in vielen Fällen von besonderem Interesse. Mit einer Erhöhung des Reaktionsvolumens der biologischen Stufe oder der Nachschaltung einer Memb ranfiltration kann bei Bedarf auch die dafür verlangte, sehr hohe Wasserqualität garantiert werden. Effektive Belüftung Der Rieselstrom-Bioreaktor ist nicht mit Wasser gefüllt und arbeitet mit einem kleinkörnigen Trägermaterial, welches auch mit zunehmender Betriebsdauer in Form einer lockeren Schüttung vorliegt. Im Gegensatz zu allen modernen Verfahren, bei welchen die Belüftung gegen den Druck der Wassersäule erfolgen muss und mit dem Grad der Verschmutzung weiter ansteigt, kann die kontinuierliche Sauerstoffversorgung mit geringem Aufwand erfolgen. Die notwendige Luft wird über einen einfachen Ventilator mit minimalem Energieverbrauch im Gegenstrom zum abwärts rieselnden Abwasser zugeführt. Sehr kurze Stoffübergangswege zwischen ge - lösten Schadstoffen, bewachsenem Trägermaterial und überschüssigem Sauerstoff ermöglichen sowohl bei schwach als auch bei sehr stark belasteten Abwässern eine hohe Abbauleistung bei niedrigen Be - triebskosten. Der notwendige Sauer - stoff liegt im Rieselstrom-Bioreaktor auch bei höheren Wassertemperaturen und dementsprechend niedrigerer Löslichkeit jederzeit ausreichend vor. Temperaturen im Bereich zwischen 25 und 35 C, welche im Abwasserbehandlung aus einer Hand Auf Grundlage der Forderung nach einem aeroben Verfahren in kompakter Bauweise mit niedrigem Betriebsaufwand wurde in den letzten Jahren die Rieselstrom-Biotechnologie entwickelt und auf dem Markt eingeführt. Die DAS Environmental Expert GmbH, mit Hauptsitz in der sächsischen Landeshauptstadt Dresden und zahlreichen Niederlassungen in Asien und Amerika, bietet komplette automatisierte Anlagen zur Behandlung von Abwasser aus Kommune, Industrie und Entsorgungswirtschaft an. Dabei wird der Rieselstrom-Bioreaktor zum Abbau der organischen Fracht sowie der Stickstoffbelastung sowohl vor Abgabe in Kanalisation und Vorfluter als auch vor einer Wiederverwendung des Abwassers eingesetzt. Conaprole besteht aus neun Betrieben und ist mit 1700 Mitarbeitern das größte Milch verarbeitende Unternehmen in Südamerika sowie einer der größten Betriebe Uruguays. gwf-wasser Abwasser 939

3 Industrieabwasser häufig auftreten, können damit vollständig für eine hohe biologische Aktivität genutzt werden. Die Behandlung von Industrieabwasser ist in den meisten Fällen durch starke Schwankungen der Konzentration und der Zusammensetzung gekennzeichnet und erfordert ein weitgehend unkompliziertes und robustes Regime. Mit der praktisch unbegrenzten Verweilzeit der Mikroorganismen im Rieselstrom-Bioreaktor bildet sich eine an die jeweiligen Bedingungen optimal angepasste Mischpopulation heraus. Der gleichzeitige Abbau von biologisch leicht und biologisch schwer abbaubaren Verbindungen gewährleistet einen sehr hohen Abbaugrad bei einem stabilen Betrieb. Minimaler Aufwand Der Aufwand für den Kunden bei Errichtung einer Rieselstrom-Bioreaktor-Anlage ist gering. Er be - schränkt sich auf die Zuführung von Energie und Abwasser. Bioreaktoren und Rohrleitungen bestehen aus Kunststoff und benötigen keinen Korrosionsschutz. Der Verschleiß ist auch unter schwierigen klimatischen Verhältnissen äußerst gering. Das Aufwuchsträgermaterial ist vollständig inert und muss nicht ausgetauscht werden. Aufgrund des besonderen Verfahrensprinzips ist der Arbeitsbedarf für Bedienung und Wartung im automatisierten Betrieb minimal. Die Anlagen brauchen wenig Platz und werden in Größe und Gestalt optimal an die unterschiedlichen Aufgabenstellungen angepasst. Bei einer Erhöhung der Produktion oder Verschärfung der Grenzwerte können sie durch Ergänzung mit zusätzlichen Modulen kurzfristig und umkompliziert erweitert werden. Anlagen nach dem Prinzip der Rieselstrom-Technologie arbeiten bereits in Deutschland, der Schweiz, Tschechien, Griechenland und Aruba zur Behandlung von Abwässern aus der Nahrungsmittel- und Feinkostindustrie, der Brauerei- und Getränkeindustrie, der chemischen und der Textilindustrie sowie der Energie- und Entsorgungswirtschaft. Beispiel Lebensmittelindustrie Im Folgenden sollen Bemessung, Aufbau und die ersten Betriebsergebnisse einer Anlage zur Abwasserbehandlung in einem großen Unternehmen in Südamerika näher beschrieben werden. Conaprole besteht aus neun Betrieben und ist mit 1700 Mitarbeitern das größte Milch verarbeitende Unternehmen in Südamerika sowie einer der größten Betriebe Uruguays. Conaprole exportiert seine Produkte in mehr als 40 Länder. Dabei ist die Einhaltung der Auflagen zum Schutz der Umwelt ein wichtiger Punkt der Firmenstrategie. Im Werk Montevideo wird neben einer Vielzahl von Eisund Joghurtspezialitäten die Frischmilch für den gesamten Großraum Montevideo produziert. Daraus ergibt sich eine besondere Bedeutung dieses Betriebes. Die Aufgabe bestand darin, die CSB- und die BSB-Konzentrationen im Mischabwasser aus der Produktion im Betrieb Montevideo auf die Grenzwerte vor Einleitung in die kommunale Kläranlage zu senken. Ein Ingenieurbüro wurde von Conaprole beauftragt, für die Gewährleistung aller Bestimmungen zur Sicherheit, zum Qualitätsmanagement und zum Umweltschutz zu sorgen. Dazu wurden verschiedene Verfahren zur Abwasserbehandlung verglichen. Neben einer Bewertung der Invest- und Betriebskosten wurde dabei besonders auf hohe Bedienfreundlichkeit, geringen Platzbedarf und die Möglichkeit einer späteren Erweiterung geachtet. Darüber hinaus stand die Forderung nach einer reibungslosen Integration der Anlage bei laufendem Betrieb. Nach einer vergleichsweise kurzen Montagezeit wurde wenige Monate nach Auftragserteilung Ende 2008 eine erste Stufe mit zwei Bioreaktoren für eine Teilstrombehandlung in Betrieb genommen. Anpassung durch Modulbauweise Täglich fallen im Laufe von 18 Stunden 1600 m³ Abwasser aus mehreren Produktionslinien an. Das 940 gwf-wasser Abwasser

4 Abwasser wird in einem Ausgleichsbehälter aus Beton gesammelt und gemischt. Damit ist es möglich, die Größe der nachfolgenden Verfahrensstufen auf die durchschnittliche Abwasserbelastung ohne starke Frachtspitzen auszulegen und über den gesamten Tag zu betreiben. Bei geringerer Abwassermenge, z. B. am Sonntag, wird die Anlage automatisch im Kreislauf betrieben und das Wasser in den Ausgleichsbehälter zurückgeführt. Die Feststoffe werden mit einer Kombination aus einem groben Sieb (10 mm) und einem feien Sieb (2 mm) abgetrennt. Anschließend wird das Abwasser unter Zugabe von Fällungs- und Flockungsmitteln in einer Entspannungs-Flotation (DAF) behandelt. Dadurch werden suspendierte Stoffe sowie ein großer Anteil der im Abwasser enthaltenen Fette abgeschieden. Der entstehende Schlamm wird in einem Faulbehälter mit anaeroben Mikroorganismen behandelt. Gemäß der Forderung wurde die biologische Anlage auf die Reduzierung der CSB Konzentration von 3000 auf kleiner als 1200 mg/l ausgelegt und an die oben beschriebenen bereits vorhandenen Stufen angepasst. Auf Grundlage des guten Verhältnisses zwischen BSB- und CSB-Wert sowie der umfangreichen Erfahrungen bei der Behandlung von ähnlichen Abwässern wurde eine gute biologische Abbaubarkeit des Abwassers angenommen. Bereits acht Bioreaktoren (Ø 3 m; H 8 m) in paralleler Aufstellung reichen aus, die geforderte Reduzierung der CSBund BSB-Konzentrationen stabil zu gewährleisten. Wegen der großen Entfernung wurde sowohl auf die Untersuchung einer repräsentativen Probe im Labor des Auftragnehmers als auch auf den Betrieb einer Versuchsanlage vor Ort verzichtet. Da die Rieselstrom-Technologie im Modulsystem aufgebaut ist, wurde stattdessen der Aufbau der Anlage in zwei Stufen vereinbart. Aufbau und Betrieb einer ersten Stufe als Pilotanlage ermöglichen, Größe und Gestaltung der Gesamtanlage an die tatsächlichen Bedingungen direkt anzupassen. Gleichzeitig besteht die Möglichkeit, bei Bedarf eine Erweiterung zur Einhaltung niedrigerer Abwassergrenzwerte vorzunehmen. Nach einer vergleichsweise kurzen Montagezeit wurde wenige Monate nach Auftragserteilung Ende 2008 eine erste Stufe mit zwei Bioreaktoren für eine Teilstrombehandlung in Betrieb genommen. Vorteile in Praxisbetrieb Bereits innerhalb von 10 Tagen nach Inbetriebnahme hatte sich auf dem Trägermaterial ein hoch aktiver Biofilm ausgebildet. Nach weiteren zwei Wochen wurde die Optimierung mit einem Leistungsnachweis über den Anlagenbetrieb an fünf aufeinander folgenden Werktagen abgeschlossen. Dabei konnte nachgewiesen werden, dass die der Bemessung zugrunde liegende hohe Abbauleistung von 6400 g CSB pro Kubikmeter Reaktionsraum (brutto) und Tag stabil eingehalten und teilweise überschritten wurde. Nach Schwankungen oder Unterbrechungen des Normalbetriebs wird die volle Leistungsfähigkeit bereits innerhalb weniger Stunden wiederhergestellt. Im Zulauf sind suspendierte Stoffe in wechselnder Konzentration enthalten: in Form von absinkenden und schwimmenden Teilchen oder an angelagert an vorhandene schwimmende feine Teilchen. Durch die effektive Filtration der dicht bewachsenen Trägermaterialschüttung liegt ihre Konzentration im Ablauf hauptsächlich im Bereich zwischen 1 und 5 ml/l. Da Öl und Fett den Stoffaustausch zwischen Abwasser und Mikroorganismen behindern und zudem eine zusätzliche biologische Abbauleistung erfordern, sollte ihre Konzentration bis auf wenige Ausnahmen weniger als 200 mg/l betragen. Zur Aufrechterhaltung der Bioaktivität werden die Bioreaktoren im Abstand von 12 Stunden kurzzeitig vollauto- Die Anlagen brauchen wenig Platz und werden in Größe und Gestalt optimal an die unterschiedlichen Aufgabenstellungen angepasst. ( DAS) gwf-wasser Abwasser 941

5 Tabelle 1. In der Tabelle ist der Betriebsaufwand für die oben beschriebene Anlage mit 8 Bioreaktoren zusammen gefasst. Durchsatz Energiebedarf Energiebedarf [m³/d] [kwh/d] [kwh/m³ behandeltes Abwasser] Leistung [kg CSBabgebaut /d m³ REAKTOR ] 6,4 Biomasse/ Trockensubstanz (kg/d) rund 0,42 [kg CSB abgebaut /d] Dünnschlamm 20 g/l Trockensubstanz [m³/d] ca. 14 Betriebsaufwand 280 Routinekontrollen Qualifik ation keine spezifische Qualifikation nötig Arbeitszeit [Stunden/Tag] etwa 1 matisch regeneriert. Dabei ist eine Zugabe von zusätzlichem Spülwasser nicht notwendig. Die dabei abgetrennte überschüssige Biomassemenge ist vergleichsweise sehr gering und kann problemlos der vorhandenen Schlammbehandlung zugegeben werden. Daneben ist eine Abgabe an Anlagen zur Kompostierung, Vererdung oder Biogasgewinnung problemlos möglich. Als Voraussetzung für ein unlimitiertes Biomassewachstum werden kontinuierlich und in geringer Menge die Nährstoffe Stickstoff und Phosphor in Form von Ammonium und Phosphat zugegeben. Mit der biologischen Behandlung wird auch der Eigengeruch des Abwassers von mittelmäßig bis stark auf schwach bis sehr schwach gesenkt. Geringer Bedienaufwand Aufgrund der niedrigen Energiekosten sowie des geringen Bedienund Wartungsaufwandes besitzt die Rieselstrom-Biotechnologie im Bereich der Betriebskosten erhebliche Vorteile gegenüber dem Stand der Technik. Das betrifft sowohl den Vergleich mit weltweit verbreiteten konventionellen biologischen Technologien wie z. B. Belebtschlamm-, Tropfkörper- und SBR-Verfahren (Sequencing Batch Process) als auch den Vergleich mit modernen Technologien wie beispielweise dem Membran- Bioreaktor. Schnelle Refinanzierung Ein einfacher Aufbau der Anlagen und ein geringer Platzbedarf führen zusammen mit der optimalen Anpassung durch Modulbauweise zu einem verhältnismäßig niedrigen Investitionsaufwand. Die Kosten für die oben beschriebene Anlage mit acht Bioreaktoren liegen in Abhängigkeit von den spezifischen Bedingungen im Bereich zwischen 720 und 760 Tausend Euro. Sie enthalten die komplette, automatisierte Anlage einschließlich Planung, Transport zum Hafen in Deutschland, Montage vor Ort sowie Inbetriebnahme. Dabei wird in jedem Fall geprüft, in welchem Umfang durch den Einsatz von einheimischen Monteuren oder die Verwendung von Aggregaten aus der Region Kosten gespart werden können. Damit ist in Abhängigkeit von den geltenden Gebühren eine Refinanzierung bereits innerhalb weniger Jahren möglich. Ausblick Die hier beschriebene Rieselstrom- Bioreaktor-Anlage arbeitet stabil und erfüllt alle gestellten Forderungen vollständig. Die Anlagenteile wurden komplett aus Deutschland geliefert und zusammen mit einheimischen Monteuren vor Ort montiert und in Betrieb genommen. Bei der Erweiterung der Anlage in den nächsten Monaten sollen durch Verwendung von Aggregaten aus der Region zusätzlich Kosten für Verpackung und Transport eingespart werden. Derzeit wird der Einsatz der Technologie auch an anderen Standorten von Conaprole sowie in weiteren Ländern Südamerikas geprüft. Kontakt: Dr. Lutz Haldenwang, Produktmanager Abwasserbehandlung, Goppelner Straße 44, D Dresden, Tel. (0351) , Fax (0351) , kontakt@das-deutschland.com, Internet: gwf-wasser Abwasser