Anaerobbehandlung von Schmutz- und Schwarzwasser mit UASB-Reaktoren

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1 Biogas zur Aufbereitung/Verwertung Biogas Abwasser zur weiteren Behandlung behandeltes Abwasser Biomassepellets Pumpe Kommunales Abwasser + Schwarzwasser Anaerobbehandlung von Schmutz- und Schwarzwasser mit UASB-Reaktoren S. Wasielewski, C. Morandi, K. Mouarkech, R. Minke, H. Steinmetz ISWA Universität Stuttgart Stand

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3 TWIST++ Anaerobbehandlung UASB 3 1 Hintergrund Im UASB-Reaktor (Engl.: Upflow Anaerobic Sludge Blanket; Deutsch: anaerober Schlammbettreaktor) sind Methanbakterien auf kleinen Pellets aufgewachsen. Diese bilden ein Schlammbett, welches aufgrund seiner hohen Dichte im Reaktor verbleibt, aber dennoch flexibel genug ist, dass es nicht zu Verstopfungen durch z.b. einen erhöhten Feststoffeintrag im Reaktor kommt. Die hydraulische Aufenthaltszeit liegt zwischen 4 und 10 Stunden und ist aufgrund des gezielten Rückhaltes der Biomasse vom Schlammalter, also der Aufenthaltszeit der Methanbakterien im Reaktor, entkoppelt. Das zu behandelnde Rohabwasser durchströmt das Pelletbett von unten nach oben. Die Methanbakterien werden so mit den im Abwasser enthaltenen Nährstoffen versorgt, welche sie dann zu Methan und Kohlenstoffdioxid verstoffwechseln. Die meisten Biogasreaktoren werden im mesophilen Bereich betrieben, da optimale Umsatzraten bei überschaubarem Aufwand für die Temperierung erzielt werden. Das gereinigte Abwasser verlässt den Reaktor über ein geeignetes Ablaufsystem, welches eine Phasentrennung zwischen Abwasser, Gas und Schlammpellets sicherstellt, und muss einer weiteren Behandlung zugeführt werden, bevor es ins Gewässer eingeleitet werden kann. Mögliche anschließende Behandlungs- bzw. Rückgewinnungsverfahren des Abwassers sind die Elektrokoagulation zur Elimination des Nährstoffes Phosphat, die Magnetseparation zu Rückgewinnung des Nährstoffes Phosphat, eine Zeolithstufe zur Rückgewinnung des Nährstoffes Ammonium oder eine aerobe biologische Behandlung zur Elimination der enthaltenen Nährstoffe aus dem Abwasser. Das Biogas wird gesammelt und z. B. in einem Blockheizkraftwerk (BHKW) zur Stromund Wärmeerzeugung verwendet. 2 Zielsetzung innerhalb des Forschungsvorhabens TWIST++ Die schrittweise Implementierung (Transition) von Neuartigen Sanitärsystemen (NASS) in ein bestehendes Abwasserentsorgungs- und -behandlungssystem lässt ansteigende Konzentrationen von Abwasserinhaltsstoffen im häuslichen Schmutzwasser erwarten. Dieses Schmutzwasser kann mittels UASB-Reaktoren behandelt und Biogas gewonnen werden.

4 4 TWIST++ Anaerobbehandlung UASB Neben der Elimination von Abwasserinhaltsstoffen und der Biogaserzeugung im UASB-Reaktor besteht aber auch die Möglichkeit der Gewinnung von Wertstoffen aus dem Reaktorablauf, z.b. Düngemitteln oder Grundstoffen für die chemische Industrie. Diese kann auch schon während des Umbaus erfolgen. Hierfür soll TWIST++ Antworten auf offene Fragen finden und eine ganzheitliche, integrierte Gesamtlösung anbieten. 3 Untersuchungen Im Rahmen des Forschungsvorhabens TWIST++ wird in einem UASB-Reaktor (V = 730 L; mit Pelletschlamm aus einer Papierfabrik geimpft; Anlaufzeit: 73 d) die anaerobe Behandlung von häuslichem Schmutzwasser zusammen mit einem steigenden Anteil an Schwarzwasser aus Unterdrucktoiletten auf die Biogasausbeute, erzielte Ablaufqualität und Prozessstabilität hin untersucht. Das Schwarzwasser wird im Betriebsgebäude des Lehr- und Forschungsklärwerkes (LFKW) des ISWA gesammelt und entspricht in seiner Zusammensetzung häuslichem Schwarzwasser aus Unterdrucktoiletten. Für die Darstellung höherer Transitionszustände wird weiteres Schwarzwasser zur Frachtaufstockung bezogen. Die Mischung mit häuslichem Schmutzwasser, welches ebenfalls dem LFKW entnommen wird, erfolgt in einem dem Reaktor vorgelagertem Behälter. Soll- Übergangszustände von 0 bis 40 % Schwarzwasser (Schwarzwasseranteil bezogen auf CSB-Fracht im Zulauf in %) werden untersucht. Jeder Übergangszustand entspricht einer experimentellen Phase von ca. 42 d um den Methanbakterien genügend Zeit zur Adaption zu gewähren und einen stabilen aussagekräftigen Betriebszustand zu erreichen. 4 Ergebnisse Eine Übersicht von Betriebseinstellungen und ausgewählten Parametern ist in Tabelle 4 1 dargestellt. Mit zunehmendem Schwarzwasseranteil im Zulauf wird der dem Reaktor zugeführte Volumenstrom verringert, da häusliches Schmutzwasser mit Schwarzwasser aus Unterdrucktoiletten substituiert wird. Der Anteil der täglichen CSB-Fracht aus Schwarzwasser wird von 0 % auf über 14 % im Verlauf der Untersuchung gesteigert. Schwankende Konzentrationen im Schwarzwasser und häuslichen Schmutzwasser wirken sich auf dieses Verhältnis aus, so dass sich eine zunehmende Schwankungsbreite (Standartabweichung um den Mittelwert) dieses Verhältnisses bemerkbar macht.

5 CH CH4-Produktion in L/kg 4 -Ausbeute [L CH 4 kg CSBzu -1 ] TWIST++ Anaerobbehandlung UASB 5 Dennoch kann eine hohe mittlere CSB-Elimination von über 60% auch mit zunehmendem Schwarzwasseranteil erreicht werden, bricht jedoch ab einem Schwarzwasseranteil von 14% (Phase 4) ein. Ob dies auf eine Fehlfunktion des Reaktors zurückzuführen ist, konnte bis zur Erstellung des Steckbriefes nicht abschließend geklärt werden. Die erziele Biogasqualität kann durch die Zugabe von Schwarzwasser von 60 auf 71 % (Vol./Vol.) Methan gesteigert werden. Jedoch zeigt sich hier ebenfalls eine Zunahme der Schwankung um den Mittelwert, einhergehend mit der schwankenden Zulaufqualität des Schwarzwasser-Abwassergemisches. Auftretende Störungen im anaeroben Abbauprozess zeigen sich schnell in Form einer sich verändernden Gasqualität. Zur Bewertung des Abbau- und Methanbildungsprozesses wird der Parameter der spezifischen Methanausbeute [L CH4 /kg CSB zu oder L CH4 /kg CSB Eliminiert ] bemüht. Hierfür wird der Quotient aus täglich gebildetem Methangasvolumen und der zugeführten CSB-Fracht bzw. CSB-Elimination gebildet und so ein Vergleich der unterschiedlichen Behandlungsmethoden ermöglicht. Das theoretische physikalische Maximum für die spez. Methanausbeute liegt bei 350 L / kg CSB Elminiert (vgl. Tabelle 4 1). Abbildung 4 1 zeigt die spezifische Methanausbeute bezogen auf die täglich zugeführte CSB-Fracht in den verschiedenen Untersuchungsphasen Referenz Phase 1 Phase 2 Phase 3 Phase 4 Phase 5 n = 6 n = 15 n = 24 n = 35 n = 28 Abbildung 4 1: Erzielte spezifische Methanausbeute bezogen auf die täglich zugeführte CSB-Fracht des halbtechnischen UASB-Reaktors bei zunehmender Transition Die Prozesse des CSB-Abbaus und der Methanbildung verlaufen in jeder Versuchsphase stabil, sodass eine stetige, leicht ansteigende spezifische Methanausbeute bezogen auf die täglich zugeführte CSB-Fracht beobachtet werden kann. Der UASB- Reaktor zeigt eine hohe Resilienz gegenüber Konzentrationsschwankungen im Zulauf.

6 CH 4 - Bildungsrate in NL CH 4 /m³d CH 4 -Bildungsrate [L CH 4 m -3 Reaktor d -1 ] 6 TWIST++ Anaerobbehandlung UASB Es kann beobachtet werden, dass die volatile CSB-Raumbelastung mit einer kongruenten CSB-Elimination einhergeht. Bedingt durch kurze hydraulische Aufenthaltszeit können Konzentrationsspitzen nicht gepuffert und vollständig abgebaut werden. Mit zunehmender Transition können vermehrt Ausreißer (als X markiert) beobachtet werden. Ob dies im Zusammenhang mit der besseren Verfügbarkeit von leicht abbaubarem Referenz 1 Phase 2 1 Phase 3 2 Phase 4 3 Phase 5 4 Phase 6 5 n = 17 n = 20 n = 26 n = 29 n = 30 Substrat, wie es z.b. Schwarzwasser darstellt, steht, ist zum Zeitpunkt der Erstellung des Steckbriefes noch nicht abschließend geklärt. Abbildung 4 2: Erzielte spezifische Methanbildungsrate bezogen auf das täglich gebildete Methanvolumen je m³ Reaktorvolumen des halbtechnischen UASB-Reaktors bei zunehmender Transition Die spezifische Methanbildungsrate liegt unabhängig von der volatilen Raumbelastung und zunehmendem Schwarzwasseranteil im Zulauf zum Reaktor im Mittel bei ca. 200 L Methan je m³ Reaktorvolumen und Tag. Die Schwankungsbreiten nehmen mit zunehmender Schwarzwasserfraktion nach oben hin zu, d.h. tendenziell ist eine höhere Methanbildungsrate zu erwarten. Nährstoffe wie Phosphor- und Stickstoffverbindungen werden im UASB-Reaktor nur durch den Baustoffwechsel der anaeroben Mikroorganismen entnommen. Eine Abnahme kann nur in geringem Maße beobachtet werden, sodass eine Nachbehandlung zur Entfernung oder Rückgewinnung notwendig ist. Eine Aufkonzentration des kommunalen häuslichen Schmutzwassers mit Schwarzwasser aus NASS hat keine negative Auswirkung auf die Verstoffwechslung und den CSB- Abbau durch anaerobe Mikroorganismen. Demzufolge eignet sich die UASB- Technologie zur anaeroben Vorbehandlung und Energiegewinnung.

7 TWIST++ Anaerobbehandlung UASB 7 Tabelle 4 1: Gemittelte Werte der Parameter Temperatur, CSB-Elimination und Raumbelastung der unterschiedlichen Transitionszustände (frachtbezogene Betrachtung), Format: Mittelwert ± Standardabweichung (Anzahl der Werte) Parameter Einheit Referenz Phase 1 Phase 2 Phase 3 Phase 4* Phase 5 Anteil Schwarzwasser B d,csb,sw B dcsb,ges -1 [%] 0 1,9 ± 1,6 (20) 3,9 ± 3,5 (26) 4,2 ± 3,4 14,0 ± 17,2 Temperatur [ C] 32,8 ± 2,9 (19) 33,4 ± 3,8 31,1 ± 5,4 (29) 33,7 ± 3,8 (30) 33,2 ± 6,4 (29) CSB-Raumbelastung -3-1 [kg CSB m d ] 6,8 ± 2,5 (5) 6,1 ± 3,4 (17) 8,4 ± 6,2 (27) 7,8 ± 6,2 7,7 ± 7,4 CSB-Elimination [%] 61 ± 16 (8) 61 ± 30 (17) 57 ± 22 (26) 67 ± ± 63 (26) Methanausbeute [L CH 4 kg CSB elim -1] 41 ± 25 (8) 77 ± 34 (14) 48 ± 57 (23) 64 ± 78 (34) 27 ± 25 (18) Biogasqualität [% CH 4 ] 60 ± 17 (14) 57 ± 16 (20) 59 ± 10 (27) 71 ± 10 (38) 56 ± 16 (35) * Störfall

8 8 TWIST++ Anaerobbehandlung UASB 5 Ausblick Stoff- und Energiebilanzen zeigen, dass der Betrieb eines UASB-Reaktors in der vorgestellten Konfiguration für Abwasserentsorgungssysteme, welche sich im Umbau zu NASS befinden, eine Möglichkeit zur Behandlung kohlenstoffhaltiger Abwasserinhaltsstoffe zur Energiegewinnung biete. Kläranlagen, welche aufgrund ihrer kleinen Ausbaugröße bisher auf eine anaerobe Klärschlammstabilisierung verzichten und folglich keine Faulraumkapazitäten für Schwarzwasser haben, können mit einem UASB- Reaktor einfach ausgerüstet werden. Limitierend hierbei ist die Einhaltung eines stabilen Verhältnisses von aerob-biologisch abbaubaren Abwasserinhaltstoffen und stickstoffhaltigen Verbindungen, welche im UASB-Reaktor nur in geringem Maße durch den Baustoffwechsel der Bakterien entnommen werden, so dass die Nitrifikation und Denitrifikation weiterhin betrieben werden kann bzw. muss. Alternativ oder ergänzend kann eine Nährstoffentfernung und Rückgewinnung zur Behandlung des Ablaufs des UASB-Reaktors vorgesehen werden. Aufgrund des hohen volumetrischen Durchflusses haben UASB-Reaktoren einen hohen Verlust von gelöstem Methan. Zur Verbesserung der Methanausbeute ist eine weitere Entgasungsvorrichtung oder vergleichbare technische Lösung vorzusehen.

9 Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft Bandtäle Stuttgart - Büsnau