Abwasserbehandlung (Wastewater Treatment) Bemessung der Kläranlage Gevelsberg nach ATV-DVWK-A Teil 2

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1 Abwasserbehandlung (Wastewater Treatment) Bemessung der Kläranlage Gevelsberg nach ATV-DVWK-A Teil 2 1

2 Aufgabe 6: Selbststudium A 131 Arbeiten Sie die Kapitel Ermittlung der Schlammproduktion und Annahme des Schlammindexes und des Trockensubstanzgehaltes im ATV-DVWK-A 131 durch! Welche Einflussgrößen bestimmen den Überschussschlammanfall? 5 Minuten 2

3 Überschussschlammanfall ÜS d Welche Einflussgrößen bestimmen nach ATV-DVWK-A 131 den Überschussschlammanfall? Feststoffe im Zulauf zur Belebung Organische Stoffe im Zulauf zur Belebung Bemessungsschlammalter X TS,ZB C BSB,ZB t TS, Bem Verfahrensweise der Phosphateliminierung (BioP und/oder P-Fällung) Abwassertemperatur Ertragsfaktoren (Yield) des mikrobiologischen Wachstums Y heterotroph / Y autotroph Wirken sich die o. g. Einflussgrößen proportional oder umgekehrt proportional auf den Überschussschlammanfall aus? 4

4 Überschussschlammanfall ÜS d / Q ÜS,d ÜS d = ÜS d,c + ÜS d,p Insgesamt anfallender Überschussschlamm Anfallender Schlamm aus Biomassenentwicklung durch Abbau der Organika (C-Substrat) Anfallender Schlamm aus der Phosphatfällung ÜS d ÜS d,c ÜS d,p Q ÜS,d = ÜS d TS ÜS Täglicher Überschussschlammabzug Trockensubstanzgehalt des Überschussschlammes Q ÜS,d TS ÜS 5

5 Überschussschlammanfall KA Gevelsberg ÜS d kg TS/d ÜS d 150 kg TS/h Q ÜS,d = kg TS/d 7 kg TS/m³ Q ÜS,d 22 m 3 /h 530 m 3 /d Vgl. Excel-Tabelle, Register 7 ÜSd, FT, tts 6

6 Zusammenhang zwischen V BB, t TS, M TS und B TS Feststoffmasse im BB M TS,BB = V BB TS BB [kg TS] Schlammalter t TS = M TS,BB ÜS d = V BB TS BB ÜS d [d] Volumen des Belebungsbeckens V BB M TS,BB TS BB BSB 5 -Schlammbelastung = ÜS d t TS TS BB [m 3 ] BSB 5 -Tagesfracht B d,bsb [ kg BSB 5 ] d B TS = B d,bsb M TS,BB = B d,bsb V BB TS BB 0,15 kg BSB 5 kg TS d 7

7 Zusammenhang zwischen V BB, TS BB, M TS und B TS Gegenüberstellung zweier Belebungsbecken mit unterschiedlichen Volumina (konstruiertes Beispiel): V BB,Länge = 80 m V BB,Breite = 25 m V BB,Tiefe = 5 m V BB = m³ V BB,Länge = 80 m V BB,Breite = 12, 5 m V BB,Tiefe = 5 m V BB = m³ Für beide BBs gilt: TS BB = g TS/m³ B d,bsb = kg O 2 /d Bemessungsvorgabe: B TS 0, 15 kg BSB 5 m 3 d 8

8 Zusammenhang zwischen V BB, TS BB, M TS und B TS Gegenüberstellung zweier Belebungsbecken mit unterschiedlichen Volumina (konstruiertes Beispiel): M TS = m³ 3,5 kg TS/m³ = kg TS M TS = m³ 3,5 kg TS/m³ = kg TS B TS = kg BSB 5/d kg TS = 0, 14 B TS = kg BSB 5/d kg TS = 0, 29 9

9 Zusammenhang zwischen V BB, TS BB, M TS und B TS Gegenüberstellung zweier Belebungsbecken mit unterschiedlichen Volumina (konstruiertes Beispiel): Ergo: Bemessung des kleinen BB muss geändert werden! TS BB erhöhen (TS-Gehalt im BB, sollte aber nicht höher sein als mg/l) und, sofern das allein nicht ausreicht, um B TS im zulässigen Bereich zu halten V BB erhöhen M TS = m³ 5,0 kg TS/m³ = kg TS B TS = kg BSB 5/d kg TS M TS,min. = B d,bsb B TS,max. = 0, 20 = kg BSB 5/d 0,15 = kg TS V BB min. = M TS,min kg TS = TS BB,max. 5 kg TS/m³ = m³ gewählt: V BB,Breite = 17,0 m B TS = 17 m 80 m 5 m = m³ kg BSB 5 /d m³ 5 kg TS/m³ 0, 15 11

10 Berechnung von TS BB, TS RS und RV TS BB = RV TS RS 1 + RV TS RS = TS BB 1 + RV RV TS BS 10 kg/m³ = 10 g/l TS RS 0,7 * TS BS 7 kg/m³ = 7 g/l RV = TS BB TS RS TS BB Faustwerte, als erster Ansatz für die meisten KA gut geeignet Einer der beiden folgenden Werte muss zunächst (innerhalb des zulässigen bzw. üblichen Wertebereichs) gewählt werden: RV = 0,75 1,5 TS BB = mg/l 17

11 Anwenden der Formeln auf KA Gevelsberg Regenwetterfall: Rücklaufschlammpumpwerk Q max RV = 712 l/s 950 l/s 0,75 Mischwasserzulauf Q m Siehe Kenndaten und Kurzbeschreibung KA Gevelsberg TS BB = RV TS RS 1 + RV = 0,75 7 g/l 1 + 0,75 = 3 g l = mg/l TS RS = TS BB 1 + RV RV = 3 g l 1 + 0,75 0,75 = 7 g l = mg/l Gegenprobe: RV = TS BB TS RS TS BB = 3 g/l 7g/l 3 g/l = 0,75 18

12 Anwenden der Formeln auf KA Gevelsberg Trockenwetterfall: Rücklaufschlammpumpwerk Q max RV = 712 l/s 475 l/s 1,5 Trockenwetterzulauf Q t Siehe Kenndaten und Kurzbeschreibung KA Gevelsberg TS BB = RV TS RS 1 + RV = 1,5 7 g/l 1 + 0,75 = 3 g l = mg/l Zu hoch! Begrenzen auf mg/l! TS RS = TS BB 1 + RV RV = 5 g l 1 + 1,5 1,5 = 8,333 g l = mg/l Gegenprobe: RV = TS BB TS RS TS BB = 5 g/l 8,333g/l 5 g/l = 1,5 19

13 Berechnung von RF RF = S NH4,N S NO3,AN 1 = Q RS Q t + Q RZ Q t Vgl. Excel-Tabelle, Register 10 int. Rezi RF S NH4,N S NO3,AN Q RS Q RZ Q t Rückführverhältnis, für das die Pumpen auszulegen sind Zu nitrifizierender Ammoniumstickstoff Konzentration an Nitratstickstoff, die im Ablauf der Nachklärung einzuhalten ist (ergibt sich aus den Überwachungswerten) Rücklaufschlammstrom Interne Rezirkulation bei vorgeschalteter Denitrifikation Maximaler Trockenwetterzufluss 20

14 η D 1 Berechnung von RF RF η D Maximal möglicher Wirkungsgrad der Denitrifikation RF Rückführverhältnis, für das die Pumpen auszulegen sind Die Gleichung auf der vorhergehenden Folie berücksichtigt lediglich den sich ergebenden Wirkungsgrad infolge des zur Verfügung stehenden Nitrats. Die theoretischen Werte stimmen jedoch mit den Praxiswerten oft nicht überein, da infolge des Sauerstofftransportes in die Denitrifikationsstufe, der Verdünnung und der abnehmenden Kontaktzeit negative Wirkungen eintreten. aus LONDONG,

15 RF und Q Rz berechnen für KA Gevelsberg Warum darf hier TKN anstelle von Ammonium gesetzt werden? TKN-Konzentration im Zulauf zur Belebung C TKN,ZB RF = 36,4 mg N/l 9,1 mg N/l 1 = 3,0 Siehe Excel-Tabelle, Register 3 N-Bilanz Nitratstickstoff im Ablauf S NO3,AN Q RZ = RF Q ZB RV Q ZB = RF RV Q ZB Q RZ = 3 0, m 3 /h m 3 /h Warum ist der Volumenstrom der Rücklaufschlammförderung auf den für die Denitrifikation zu rezirkulierenden Volumenstrom an nitratreichem Abwasser aus der Nitrifikation anzurechnen? 22

16 Volumenstrombilanz KA Gevelsberg für Q t Q ZB = Q t = m³/h RF = 3 RV = 0,75 Q ÜS,d = 529 m³/d 22 m 3 /h m³/h = m³/h (Trockenwetterfall) = m 3 /h Q RZ = (3 0,75) m 3 /h = m³/h Q RS = 0, m 3 /h 22 m³/h RF = Q RS + Q RZ Q ZB Q RS = RV Q ZB Q RZ = RF RV Q ZB 23

17 Feststoffbilanz KA Gevelsberg für Q t Q ZB = Q t = m³/h RF = 3 RV = 0,75 Q ÜS,d = 529 m³/d 22 m 3 /h m³/h 0,1 kg/m³ 0.2 t/h m³/h 3,0 kg/m³ 9.0 t/h (Trockenwetterfall) m³/h 0,020 kg/m 3 0,03 t/h TS BB = 3.0 kg/m³ TS RZ = 3 0, m 3 /h 3,0 kg/m³ 11, 5 t/h m³/h 7 kg/m³ 9,1 t/h TS RS = 0, m 3 /h 7 kg/m³ 9,0 t/h TS ÜS = 22 m³/h 7 kg/m³ 0,15 t/h 24

18 Zusammenhang zwischen V BB, TS BB, ÜS d und t TS Gegenüberstellung zweier Belebungsbecken mit unterschiedlichen Volumina (konstruiertes Beispiel): V BB,Länge = 80 m V BB,Breite = 25 m V BB,Tiefe = 5 m V BB = m³ V BB,Länge = 80 m V BB,Breite = 12, 5 m V BB,Tiefe = 5 m V BB = m³ Für beide BBs gilt: TS BB = g TS/m³ B d,bsb = kg O 2 /d ÜS d = kg TS/d Bemessungsvorgabe: t TS 12 d Wovon hängt ÜS d ab? Oder, anders gefragt: Kann ÜS d im kleinen BB genau so hoch sein wie im großen BB? 25

19 Zusammenhang zwischen V BB, TS BB, ÜS d und t TS Gegenüberstellung zweier Belebungsbecken mit unterschiedlichen Volumina (konstruiertes Beispiel): M TS = m³ 3,5 kg TS/m³ = kg TS M TS = m³ 3,5 kg TS/m³ = kg TS t TS = kg TS kg TS/d = 12, 5 d t TS = kg TS kg TS/d = 6, 25 d Kann ÜS d im kleinen Belebungsbecken für die weitere Berechnung einfach verringert werden, um t TS von 12 d einzuhalten? Wenn nein, warum nicht? Begründen Sie Ihre Antwort! 26

20 Zusammenhang zwischen V BB, TS BB, ÜS d und t TS Gegenüberstellung zweier Belebungsbecken mit unterschiedlichen Volumina (konstruiertes Beispiel): Ergo, auch bei dieser Betrachtungsweise: Bemessung des kleinen BB muss geändert werden! TS BB erhöhen (TS-Gehalt im BB, sollte aber nicht höher sein als mg/l) und, sofern das allein nicht ausreicht, um t TS im zulässigen Bereich zu halten V BB erhöhen M TS = m³ 5,0 kg TS/m³ = kg TS t TS = kg TS kg TS/d = 8, 9 d M TS,min. = t TS ÜS d = 12 d kg TS/d = kg TS V BB min. = M TS,min kg TS = TS BB,max. 5 kg TS/m³ = m³ gewählt: V BB,Breite = 17,0 m 17 m 80 m 5 m = m³ m³ 5 kg TS/m³ t TS = = 12, 1 d kg TS/d 28

21 NO x -N und NH 4 -N kommen ausschließlich in gelöster Form vor! N-Bilanz Summe aus NO x -N und NH 4 -N ist i.a.r auch Überwachungswert (N ges.anorg. )! Gesamter anorganischer Stickstoff Total Inorganic Nitrogen (TIN) gasförmiger Stickstoff Nitrit Nitrat Ammonium Leicht zugänglich (bioverfügbar) für Wasserpflanzen und andere -organismen Gesamtstickstoff Total Nitrogen (TN) Gesamter Kjeldahl-Stickstoff Total Kjeldahl Nitrogen (TKN) Gelöster organischer Stickstoff Dissolved Organic Nitrogen (DON) Fraktionen des Stickstoff Gesamter organischer Stickstoff Total Organic Nitrogen (TON) Partikulärer organischer Stickstoff Particulate Organic Nitrogen (PON) Bioverfügbar erst nach mikrobiellem Abbau 30

22 N-Bilanz Metabolisierung der Stickstoffkompartimente bei der Abwasserbehandlung aus LONDONG,

23 N-Bilanz Grobbilanz der Stickstoffkompartimente in Kläranlagen mit Denitrifikation aus LONDONG,

24 Nitrifikation / Denitrifikation Wie viel Sauerstoff wird verbraucht, um 1 g NH 4 -N vollständig zu oxidieren? Reaktionsgleichung: NH O 2 NO 3 + H 2 O + H 2 + Atomgewichte: N=14, H = 1, O = 16 Molekulargewicht des Ammoniumstickstoffs: 14 g N Molekulargewicht des Sauerstoffs: 16 2 = 32g Mol O 2 Um 1 Mol NH 4 -N zu oxidieren, werden 2 Mol Sauerstoff verbraucht, d. h.: es sind 64 g Sauerstoff je 14 g NH 4 -N erforderlich. Danach ergibt sich: 64 g O 2 14 g NH 4 N = 4,57 g O 2 g NH 4 N 34

25 Nitrifikation / Denitrifikation Aber: Die Umwandlung des Ammoniumstickstoffs in der Nitrifikation erfolgt nicht als Oxidation im streng stöchiometrischen Verhältnis, denn es handelt sich um eine biologische Metabolisierung. Dabei wird ein Teil des Stickstoffs in die Zellen der Nitrifikanten eingebaut. Dieser Zellertrag vermindert den tatsächlich erforderlichen Sauerstoffbedarf. Üblicherweise rechnet man deshalb mit: 4,3 g O 2 g NH 4 N aus ATV-DVWK-A 131,

26 Nitrifikation / Denitrifikation Wie viel Sauerstoff wird bei der Denitrifikation je g NO 3 -N zurückgewonnen? Reaktionsgleichung: NO ½ H 2 O ½ N / 2 O + OH - Molekulargewicht des Nitratstickstoffs: 14 g N Mit anderen Worten: 1 Mol Nitratstickstoff wiegt 14 g Sauerstoffgewinn: = 40 g O 2 Mit anderen Worten: Der Sauerstoffgewinn beträgt 40 g g O 2 Mol NO 3 N g Mol NO 3 N 2,9 g O 2 g NO 3 N 37

27 Nitrifikation / Denitrifikation Wie stellt sich somit die Sauerstoffbilanz der Nitrifikation / Denitrifikation dar? Sauerstoffverbrauch bei der Nitrifikation: 4,3 g O 2 g NH 4 N Sauerstoffrückgewinnung bei der Denitrifikation: 2,9 g O 2 g NO 3 N 2,9 4,3 g O 2 g NO 3 N g g NH 4 N = 0,67 Mit anderen Worten: Bei der Denitrifikation werden ca. 2/3 des Sauerstoffverbrauchs aus der Nitrifikation wieder zurückgewonnen. 39

28 Aufgabe 7: Selbststudium A 131 Arbeiten Sie Kapitel Säurekapazität im ATV-DVWK-A 131 durch! Wie ist es zu verstehen, dass in der Nitrifikation Säurekapazität aufgezehrt und in der Denitrifikation teilweise wieder aufgefüllt wird? 5 Minuten 40

29 Nitrifikation / Denitrifikation Reaktionsgleichung Nitrifikation: NH O 2 NO 3 + H 2 O + H 2 + Die Nitrifikation ist gekennzeichnet durch einen hohen Sauerstoffverbrauch (1 g NH 4 -N benötigt 4,3 g 0 2 ) und durch eine hohe Säureproduktion (1 Mol NH 4 -N bildet 2 Mol H + ). Wie verändert sich demzufolge der ph-wert bei der Nitrifikation? Reaktionsgleichung Denitrifikation: NO ½ H 2 O ½ N / 2 O + OH - Die Denitrifikation ist gekennzeichnet durch einen Gewinn an Sauerstoff (1 g NO 3 -N liefert 2,9 g O 2 ) und durch eine Basenproduktion, die die in der Nitrifikation gebildete Säure zur Hälfte wieder neutralisiert (1 Mol NO 3 -N bildet 1 Mol OH - ). 42

30 Literaturverzeichnis ATV-DVWK-A 131, 2000 ATV-DVWK-A 198, 2003 DROSTE, 1997 GUJER, 2007 HENZE et al., 1987 KUNZ, 1992 KREBS, 2007 LONDONG et al., 2009 SCHNEIDER, 2014 ATV-DVWK-A 131 Bemessung von einstufigen Belebungsanlagen Abwassertechnische Vereinigung e.v. / Deutsche Vereinigung für Wasserwirtschaft und Kulturbau e.v., Mai 2000 ATV-DVWK-A 198 Vereinheitlichung und Herleitung von Bemessungswerten für Abwasseranlagen Abwassertechnische Vereinigung e.v. / Deutsche Vereinigung für Wasserwirtschaft und Kulturbau e.v., April 2003 Droste, R. L.: Theory and Practice of Water and Wastewater Treatment John Wiley & Sons, Inc., New York, 1997 Gujer, W. Siedlungswasserwirtschaft Springer-Verlag Berlin Heidelberg, 2007 Henze, M.; Grady, C. P. L.; Gujer, W.; Marais, G. v. R.; Matsuo, T. Activated Sludge Model No. 1 IAWPRC Scientific and Technical Reports, No. 1, IAWQ, London, 1987 Kunz, P.: Umwelt-Bioverfahrenstechnik Vieweg, Braunschweig 1992 Krebs, P.: Vorlesung Grundlagen der Siedlungswasserwirtschaft TU Dresden, Institut für Siedlungswasserwirtschaft, 2007 Londong, J.; Lützner, K. u. a. Abwasserbehandlung Weiterbildendes Studium Wasser und Umwelt Bauhaus-Universität Weimar, 3. überarbeitete Auflage, September 2009 Schneider, F. Vorlesungsskript Entsorgung (Abfall & Abwasser) für Master Urbane Infrastrukturplanung, Abwasserreinigung Beuth-Hochschule für Technik, Berlin,