Vergleich der Deammonifikation in ein- und zweistufigen SBR-Anlagen

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1 Beitrag für DECHEMA/DWA Industrietage Wassertechnik 215, November, Frankfurt Kurzfassung Vergleich der Deammonifikation in ein- und zweistufigen SBR-Anlagen Claus Lindenblatt und Jörg E. Drewes, Technische Universität München, Lehrstuhl für Siedlungswasserwirtschaft, Garching Biologische Stickstoffentfernung Zur Behandlung stickstoffreicher Abwässer aus anaerober Vorbehandlung bietet die Deammonifikation wirtschaftliche Vorteile gegenüber herkömmlichen Verfahren. Durch den Einsatz maschineller Vorentwässerung erreichen die Ammonium- Konzentrationen in den Zentraten kommunaler Kläranlagen nach der Schlammbehandlung heutzutage Werte von 1,2 bis 1,5 g/l. Dabei liegt das CSB zu NH 4 -N Verhältnis je nach Vergärungsgrad zwischen,5 und 1,2 und kann bei Zentraten aus der Bioabfallvergärung größer werden als 4,. Zudem sinkt die Pufferkapazität [ 1 ] bei längerer Lagerung. Die biochemischen Vorgänge des Stickstoffabbaus gelten als weitestgehend geklärt, jedoch ist die Prozessgestaltung, mit Blick auf den geringsten Einsatz von Additiven, an die Eigenschaften des jeweiligen Zentrats und der Biozönose anzupassen. Zur biologischen Stickstoffbehandlung sind mehr als ein Dutzend verschiedene, zum Teil lizensierte Verfahrensbezeichnungen am Markt von denen bereits mehrere großtechnische Anlagen realisiert wurden. Allen diesen Verfahren ist der Einsatz speziell adaptierter Mikroorganismen gemeinsam, die mit weniger Belüftung und ohne Zugabe von externem Kohlenstoff auskommen. Im Wesentlichen erfolgt die Einstellung der Verfahrensbedingungen mit der zugegebenen Fracht, der Belüftungsintensität als Produkt von Luftmenge und Zeitintervallen sowie dem selektiven Biomassenabzug und der Temperatur. Während im kontinuierlichen Durchflussbetrieb möglichst ein konstanter Zustand einzuhalten ist, lassen sich im Batchbetrieb verschiedene Vorgänge nacheinander betrachten. Als Vorteile des Sequencing Batch Reaktors (SBR) bieten sich mehrere Eigenschaften an, die mit entsprechender Messtechnik für die Regelung biochemischer Prozesse nutzbar sind. So kann die Reaktionsgeschwindigkeit durch einstellbare Konzentrationsgradienten beeinflusst werden und auch der enzymgebundene Ladungsaustausch [ 2 ] lässt sich zur Regeneration der Biozönose durch geeigneten Milieuwechsel mit aeroben und anoxischen Phasen [ 3 ] unterstützen.

2 2 Swinging Redox Unter dem Arbeitstitel Swinging Redox wurden seit 29 Erfahrungen mit der einstufigen Deammonifikation in SBR s mit 15 L und 2 m³ Volumen gesammelt. Dabei stand neben ph-wert und Leitfähigkeit besonders die Messung des Redoxpotentials (ORP) im Fokus [ 4 ], dessen typische Signale dazu geeignet sind die biochemischen Vorgänge während des Stoffwechsels zu verfolgen [ 5 ]. Nach Zugabe des Prozesswassers während der unbelüfteten anoxischen Phasen fällt das ORP und es steigt während der Belüftung. Abhängig vom Reduktionspotential des Zulaufs und der Biomasse sowie dem Oxidationspotential der Belüftung kann das ORP dabei in gleichmäßigen Amplituden mit einer Spannungsdifferenz bis zu mehr als 12 mv schwingen. So zeigte sich während einer Untersuchung im zyklischen Betrieb mit mehreren Zulauf- und Belüftungsintervallen eine Korrelation der ORP- Amplituden-Grenzwerte mit den Ablauf-Konzentrationen von Ammonium und Nitrat. Auch beim Abbau oxidierter Verbindungen kann der Verlauf des Redoxpotentials Signale anzeigen, die für die Steuerung der Reaktionszeiten brauchbar sind. Unter Berücksichtigung bestimmter Grenzen des schwingenden ORP s wurde auch für die Abwasserbehandlung eines bayerischen Chemieunternehmens eine Strategie zur Verfahrensoptimierung bei oft wechselnden Produktionsabwässern entwickelt. Einstufige Deammonifikation In mehr als einem Dutzend Untersuchungen zur Behandlung von Zentraten aus kommunaler Schlammbehandlung sowie der Bioabfallvergärung konnte an Technikumsanlagen mit ~ 125 L Volumen eine Regelstrategie zur automatischen Prozessführung der Deammonifikation entwickelt und an einer Pilotanlage mit 2 m³ Volumen im Klärwerk Landsberg umgesetzt werden. Abb. 1 : Fließbild der SBR- Technikumsanlage mit ~ 125 L Volumen.

3 3 Der mittlere spezifische O 2 -Eintrag wurde im Technikum mit 1,7 g O2/(m³ SBR min) in Reinwasser bestimmt, bei einem O 2 -Übergang von 3 g O2/(m³ Luft m Einblastiefe ). Als Additive kam zur Konditionierung der Biomasse zweiwertiges Eisensalz zum Einsatz und während des Einfahrbetriebs auch testweise Kläranlagenzulauf. Die Temperatur lag zwischen 32 und 28 C ph-wert - mv ORP Redoxpotential Leitfähigkeit Lf ms/cm Zulaufintervall ph ORP mit Limiter Ablauf Absetz- Zeit -4 Lf 2, 4, 1,8 3,6 Belüftungszeit -8 3, SBR Zyklus-Zeit min Abb. 2 : Online Ganglinien von ph-wert, ORP und LF (4-1 Uhr am ). 8, 7,6 7,2 6,8 6,4 6, 5,6 5,2 4,8 2,2 4,4 ORP, ph-wert und Leitfähigkeit wurden online gemessen, abwasserrelevante Parameter zwei bis dreimal pro Woche. Auch in der zweiten Wiederholung konnte im Jahr 214, im mehr als halbjährigen Versuch, bestätigt werden, dass mit der einstufigen Deammonifikation im SBR bei Raumbelastungen von 3 bis 4 g N /(m³ d) Abbaugrade für Gesamtstickstoff von mehr als 8 % gehalten werden können. 5 4 g / (m³ d) NH 4 -N Raum-Belastung und Stickstoff-Abbau Temperatur 32 C 3 C 28 C 3 C 28 C Intervalle d Abbaugrad N ges.anorg Frachten im Ablauf ab KW 12 NO 3 -N < 5, % NO 2 -N <,2 % NH 4 -N < 5, % ,6 % 77,9 % 73,3 % 67,9 % 68,2 % 72,6 % 81,2 % 85,3 % 9,1 % 93,4 % 89,7 % 9,8 % 9,9 % 92, % 91,3 % 92,6 % 91,7 % 92,6 % 91,3 % 91,7 % 91,6 % 89,6 % Jan Feb Mär Apr Mai Messphase KW 214 Abb. 3 : Bilanz der einstufigen Deammonifikation (Jan-Juni 214).

4 4 Zweistufige Deammonifikation Beim aktuellen Betrieb mit getrennter Biomasse in einer zweistufigen SBR- Kaskadenanlage mit je ~ 32 L werden dauerhaft mehr als 8 % N-Gesamtabbau erreicht bei Belastungen von 8 bis 1. g N /(m³ d). Abb. 4 : Fließbild der zweistufigen SBR-Kaskadenanlage. Die erste Stufe wird bei Raumtemperatur betrieben und war mit kommunalem Belebtschlamm innerhalb von vier Wochen anzufahren. Sie ermöglicht eine stabile Nitritation von 5 % bei TS-Konzentrationen um 1, bis 1,4 g/l. Dabei kann der ph- Wert während des Zyklus zwischen 7,8 und 6,8 schwanken. Das Redoxpotential und die Leitfähigkeit werden in bestimmten Grenzen gehalten mv Redoxpotential Zulauf ph-wert und LF ms/cm ph ORP NO 2 -N Abbau beendet LF : 16: 22: 4: Uhrzeit 1: 1 Abb. 5 : ph-wert, ORP und LF in der 2. Stufe ( ).

5 5 In der zweiten Stufe bei 3 C, gestartet innerhalb zweier Wochen mit planktomycetenhaltiger Biomasse vorangegangener Untersuchungen, kann der ph-wert im Zyklus zwischen 7, und 7,6 schwanken, TS wird zwischen 1, und 1,8 g/l gehalten. Das Redoxpotential zeigt im Zyklusverlauf der zweiten Stufe ein deutliches Signal bei Abwesenheit von Nitrit. In dem Schlaufenreaktor wird Überschuss-Schlamm bis zu einem Mindestschlammvolumen abgezogen. Der Anteil der Granula (Siebrückstand > 2 µm) an der Biomasse konnte bisher auf 6 % der Biomasse gesteigert werden mit einem Glühverlust von 8 %. Zurzeit wird die Abbauleistung bei geringeren Temperaturen untersucht g/(m³d) N ges. anorg. Raumbelastung und Stickstoff-Abbau 2. Stufe Temperatur 3 C Intervalle 4 d -1 Rückgang Nitritation 1. Stufe Erhöhte TS-Entnahme 1. Stufe 8 6 Anfahr Betrieb NO 3 -N < 9, % NO 2 -N <,1 % NH 4 -N < 8, % Frachten im Ablauf ab KW ,1 % 85,7 % 84,7 % 87,45 % 85,28 % 81,54 % 75,24 % 65,56 % 46,5 % 48,2 % 6,66 % 71,51 % 78,21 % 79,38 % 85,14 % 84,2 % 85,37 % 85,59 % 87,12 % 87,72% Abbaugrad Messphasen KW 215 Abb. 6 : Bilanz der zweistufigen Deammonifikation (Feb-Juni 215). Bedeutsam für eine stabile Abbauleistung ist die Anpassung der Schlamm- Konzentration nach der Einfahrphase. Besonders in der ersten Stufe kann eine erhöhte TS-Konzentration des Zentrats, bzw. ein Anstieg der Schlammkonzentration zu einer reduzierten Nitritbildung führen. Während in der ersten Stufe der Überschuss-Schlamm aus der Mischung abgezogen wird, ist bei der zweiten Stufe eine selektive Schlammentnahme nach einer bestimmten Absetzzeit erforderlich, um planktomycetenhaltige Biomasse im Reaktor zurückzuhalten. Die Aktivität der Biomasse steigt in der 2. Stufe mit der möglichen Akkumulation an und es zeigt sich, dass die Abbauleistung eines eingefahrenen Reaktors gegenüber der Leistung der ersten Stufe angehoben werden könnte, bzw. die zweite Stufe auch mit kleinerem Volumen, oder mit niedrigerer Temperatur zu betreiben ist. Eine Leistungsgrenze der Deammonifikation ergibt sich durch die Pufferkapazität des Zentrats, da der ph-wert in der ersten Stufe nicht unter 6,8 fallen sollte.

6 6 Resümee und Ausblick Die Ergebnisse der bisher durchgeführten Untersuchungen zeigen, dass eine betriebsstabile Deammonifikation in ein- oder auch zweistufigen SBR-Anlagen mit entsprechender Mess- und Regelungstechnik mit zufriedenstellender Leistung möglich ist. Auch nach Betriebsstörungen, wie kurzzeitigem Zulauf- oder Belüftungsausfall, konnte die Biologie immer wieder in den Normalbetrieb zurückgeführt werden. Als sensibler Verfahrensschritt ist der erste Schritt der Ammoniumoxidation zu betrachten, der im einstufigen SBR eine besondere Sorgfalt bei der Prozesskontrolle erfordert. Bezogen auf das gesamt Reaktionsvolumen steht somit der einstufigen Betriebsführung mit Abbauleistungen von 24 bis 32 g N /(m³ d) der zweistufige SBR- Betrieb mit Abbauleistungen von 32 bis 4 g N /(m³ d) gegenüber. Zwar ist der bauliche Aufwand einer zweistufigen Anlage mit entsprechender messtechnischer Ausstattung höher zu bewerten, doch zeigen die Erfahrungen, dass der zweistufige Prozess bezüglich der Betriebsstabilität, vor allem bei niedrigen C/N Verhältnissen, auch ohne Additive komfortabler zu führen ist. Mit Blick auf die Anwendungspotentiale im industriellen Bereich kann der Vorteil der Abwasserbehandlung im SBR mit den Möglichkeiten der Analyse einzelner Reaktionsschritte herausgestellt werden. Im Intervallbetrieb mit wechselnden aeroben und anoxischen Phasen steht neben dem ph-wert (H + ) mit dem Redoxpotential ein Messwert zur Verfolgung des möglichen Ladungsaustauschs (e - ) zur Verfügung, der gut zur automatischen Prozessregelung geeignet ist. Weiterer Forschungsbedarf besteht zur Analyse der Reaktionszeiten und Enzymaktivitäten. Literatur [ 1 ] Grömping, M. (1999): Stickstoffrückbelastung Stand der Technik 1999, Klenkes Verlag. [ 2 ] Nowak, O. (1996): Nitrifikation im Belebungsverfahren bei maßgebendem Industriewassereinfluss. Wiener Mitteilungen, Band 135. [ 3 ] Schmid, A. (2): Das Phänomen der biologischen Resonanz Basis zur Optimierung biologischer Reinigungsstufen. Oldenbourg-Industrieverlag, München. [ 4 ] Gerardi, M.H. (27): Oxidation-Reduction Potential and Wastewater Treatment, Interstate Water Report, New England Interstate Water Pollution Control Commission. [ 5 ] Lackner, S.; Lindenblatt, C.; Horn, H. (212): Swinging ORP as operation strategy for stable reject water treatment by nitritation-anammox in sequencing batch reactors, Chemical Engineering Journal, Vol 18, pp [ 6 ] Lindenblatt, C.; Drewes, J.E. (213): Deammonification Energy efficient concentrate treatment -, GFW Seminar: Energy efficiency of wastewater treatment plants sources of savings, 6. November 213, Gdansk.