im kommunalen Abwasser

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1 Die P-Bilanz P im kommunalen Abwasser Georg Schwimmbeck,

2 Stand: 2/2011 aktuell : 150 l/ (E x d) 12 mg/l Nach der mechanischen Reinigung Der im Rechengut und im Schlamm der Vorklärung gebundene Phosphor entspricht einer Masse von rund 0,2 g/(e d) bzw. einem Phosphorgehalt von 1,3 mg/l, der aus dem Abwasser entfernt wird. Bei einer optimalen mechanischen Reinigung (z.b. Siebrechen) kann auch deutlich mehr entfernt werden, wenn das Rechengut nicht in der Kläranlage gewaschen wird.

3 Nach der biologischen Reinigung (nur Kohlenstoff - Abbau) Bei der biologischen Reinigung im Belebungsbecken werden rund 0,4 g/(e d) an Phosphor im Überschussschlamm gebunden. Auch bei Tropfkörpern oder Rotationstauchkörpern erfolgt dies in ähnlicher Größe. Damit werden bis zu 2,7 mg/l P ges durch die Stoffwechseltätigkeit der Bakterien aus dem Abwasser entfernt. Höhere Wirkungsgrade sind meist bereits auf eine erhöhte Bio-P-Entnahme zurückzuführen. Nach der biologischen Reinigung mit Denitrifikation und Bio-P Bei einer durch Wechsel von anaerob und aeroben Verhältnissen erreichbaren erhöhten biologischen Phosphor-Entnahme (Bio-P-Verfahren), die auch fast immer in aeroben Schlammstabilisierungsanlagen(mit Denitrifikation) zu beobachten ist, können zusätzlich bis zu 0,8 g/(e d) an Phosphor mit dem Überschussschlamm entnommen werden. Auf diese Weise senkt sich die Pges- Konzentration um weitere 5,3 mg/l. Bei optimalen Betriebsverhältnissen sind noch größere Verminderungen erreichbar.

4 Nach der chemischen Fällung Für die chemische Fällung bleibt bei gut funktionierender Bio-P-Elimination nur noch ein geringer Rest an Phosphor übrig. Bei richtiger Anwendung der verschiedenen verfahrenstechnischen Möglichkeiten der Phosphatfällung sind Ablaufkonzentrationen für P ges unter 1,0 mg/l möglich. Es muss allerdings mit einer Zunahme der Schlammenge zwischen 20 und 30 % gerechnet werden. Mit einer Flockungsfiltration sowie Membrananlagen können Ablaufwerte unter 0,3 mg/l erreicht werden. Gesamtphosphor im Ablauf Nach den Anforderungswerten der Abwasserverordnung (AbwV) müssen Kläranlagen über EW Ausbaugröße eine Ablaufkonzentration für P ges von 2 mg/l einhalten. Für Anlagen mit einer Ausbaugröße über EW liegt dieser Wert bei 1 mg/l. Im Einzelfall können auf Grund der örtlichen Gegebenheiten auch strengere Überwachungswerte behördlich festgesetzt werden.

5 12 mg/l?

6 Grundlagen der biologischen P-EliminationP Phosphat ist ein essentieller Nährstoff für Bakterien Nährstoffverhältnis BSB 5 : N : P = 100 : 5 : 1 Phosphat kann auch vermehrt durch bestimmte Bakterienarten als Polyphosphat aufgenommen werden (Bio-P) statt 1-2 % P/ g TS 2,5 3,5 % P/ g TS in techn. KA Durch entspr. Betriebsführung (lfd. Wechsel von aeroben und anaeroben Phasen) kann eine Anreicherung der polyphosphatspeichernden Bakterien erzielt werden!

7 Voraussetzungen für f r die Bio-P-Elimination ausreichend lange Aufenthaltszeit im Anaerobteil optimale Zeit liegt bei 1 1,5 Stunden für Q t,max + RLS genügend leicht abbaubares Substrat im Zulauf der AN-Zone ideal sind organische Säuren in einer Größenordnung von mg/l möglichst wenig Nitrat (= Sauerstoffträger) im Zulauf und RLS Konzentration sollte ca. 5 (max. 10) mg/l nicht überschreiten ausreichende ÜSS-Produktion zur Entfernung des gespeich. P Verhältnis zwischen Phosphor zum BSB 5 im Zulauf zur Biologie sollte kleiner als 0,03 betragen

8 Einflußfaktoren faktoren für r die Bio-P-Elimination Gehalt an leicht abbaubaren Kohlenstoffverbindungen: - pro 100 mg/l organischer Säuren rd. 3-4 mg/l P-Bindung Temperatur - bei Erhöhung von 10 auf 20 C rd. 30%iger Wirkungsanstieg Nitrateinträge in die anaerobe Zone -pro 1 mg NO 3 -N/l Eintrag Verminderung um rd. 0,1 mg P/l Kontaktzeit in der anaeroben Zone > 0,5 bis 2 Stunden Fremdwasser- und Mischwasserzuflüsse bewirken Minderung

9 Berechnung der einzelnen Anteile der P-EliminationP C P,Z = X P,VK + X P,BM + X P,Bio-P + X P,Fäll + X P,nV + C P,A mit: C P,Z [g/m³] Konzentration von P ges im Zulauf X P,VK [g/m³] durch Vorklärung eliminierter Phosphor X P,BM [g/m³] Phosphor zum Zellaufbau der heterotrophen Biomasse X P,Bio-P [g/m³] durch erhöhte biologische P-Elimination entfernter Phosphor X P,Fäll [g/m³] durch chemische Fällung eliminierter Phosphor X P,nV [g/m³] durch nachfolgende Verfahren eliminierter Phosphor C P,A [g/m³] Konzentration von P ges im Ablauf der Kläranlage

10 Die Phosphorbilanz in der kommunalen Abwasserreinigung Zulauf Ablauf VK Ablauf NK/Zulauf Filter Gewässer C P,AN rd. 1,0 mg/l X P,nV ggf. C P,A rd. 0,5 mg/l C P,Z = 1,8 g P/Exd ca. 12 mg/l - 1 g/d = 6,5 mg/l rd. 55 % X P,Bio-P + X P,Fäll Elimination über Filterrückspülung - 0,4 g/d = 2,7 mg/l rd % - 0,2 g/d = 1,3 mg/l rd. 10 % Elimination über Primärschlamm X P,VK ggf. X P,BM Elimination über Überschußschlamm aus der Bio-P und Fällungsschlamm Elimination über Überschußschlamm aus der Assimilation

11 Berechnung der einzelnen Anteile der P-Elimination P C P,Z = X P,VK + X P,BM + X P,Bio-P + X P,Fäll + X P,nV + C P,A Die Aufteilung des der biologischen Stufe zugeführten Phosphors C P,ZB auf die zuvor beschriebenen Anteile und die Einbeziehung der P-Konzentration im Ablauf C P,A lässt sich wie folgt darstellen: C P,Z -X P,VK = C P,ZB = X P,BM + X P,Bio-P + X P,Fäll + X P,nV + C P,A Meßwert Meßwert Meßwert Meßwert

12 Berechnung der einzelnen Anteile der P-EliminationP Bei der Entfernung von Phosphor auf biologischem Weg ist zu unterscheiden zwischen: dem Einbau des Phosphors in die Mikroorganismen, entsprechend dem Phosphorbedarf für den Zellaufbau Eine Abschätzung dieses Anteils X P,BM kann unter Bezugnahme auf die BSB 5 - oder CSB-Konzentration im Zulauf zur Belebung erfolgen: X P,BM = 0,01 C BSB,ZB = 0,005 C CSB,ZB [g/m³] sowie der Speicherung von Phosphor in den Mikroorganismen als Polyphosphat (vermehrte biologische P-Elimination, auch als Bio-P bezeichnet) Eine Abschätzung des X P,Bio-P - Anteils ist wegen der vielen Einflußfaktoren nur mit einem für die Praxis ungeeignetem Berechnungsmodell möglich!

13 Berechnung der einzelnen Anteile der P-EliminationP Hinsichtlich des Beitrags der chemischen P-Elimination ist zu berücksichtigen, daß das Fällmittel bei der Simultanfällung für die Zeit eines Schlammalters in der Belebungsstufe verbleibt. Dadurch ist eine weitestgehende Ausnutzung des Fällmittels gewährleistet. Somit kann angenommen werden, dass dieses in erster Näherung zu 100 % zur Phosphatfällung beiträgt; insbesondere wenn die als Nebenreaktionen stattfindende Metallhydroxidfällung und damit die Mitfällung und Adsorption von partikulärem Phosphor als in positivem Sinne auftretende Effekte ebenfalls in Ansatz gebracht werden. Nach dieser Festlegung wird bei der Dosierung von einem Mol Me (Fe/Al) ein Mol P gebunden, d. h. das molare Verhältnis ß Fäll beträgt 1. Es ergibt sich der (maximal) durch Fällung eliminierbare Phosphoranteil X P,Fäll zu: ß X Fäll X FM FMd Q = [mol/mol] P,Fäll d 31 /31 FM 31 d d P,Fäll = = [g/m³] ßFäll Qd 1 Qd

14 Berechnung der einzelnen Anteile der P-EliminationP C P,ZB = X P,BM + X P,Bio-P + X P,Fäll + X P,nV + C P,A Meßwert Rechenwert aus wert aus? Rechen- BSB 5 /CSB FM-Zugabe Meßwert Meßwert Auf Basis der gemessenen Zu- und Ablaufwerte und bei Festlegung ß Fäll = 1 kann aus der Bilanzierung der P-Anteile der Anteil der vermehrten biologischen P-Elimination X P,Bio-P abgeschätzt werden: X P,Bio-P = C P,ZB - X P,BM - X P,Fäll - X P,nV - C P,A Diese Bilanzierungsanteile lassen sich in Form von Säulendiagrammen sehr anschaulich darstellen!

15 10 C P,Z [mg/l] Beispiel für eine Kläranlage mit Bio-P-Elimination und Flockungsfiltration Monat Pges im Ablauf P durch n.v. entfernt P-Bindung durch Zellaufbau durch Bio-P gebundener P gefällter P mit ß=1 P durch Vorklärung entfernt Pges-Grenzwert

16 Berechnung der einzelnen Anteile der P-EliminationP Bei der Ermittlung nach der angegebenen Gleichung kann der Fall eintreten, dass sich für X P,Bio-P negative Werte errechnen. Das bedeutet, dass entsprechend der Fällmittelzugabe kein Anteil für die vermehrte biologische P-Elimination übrig bleibt und mit einem ß-Verhältnis 1 dosiert wurde. In diesen Fällen ist für X P,Bio-P = 0 anzusetzen. Damit ergibt sich: C P,ZB = X P,BM -0 -X P,Fäll -C P,AN X P,Fäll = C P,ZB -X P,BM -C P,AN und ß Fäll = FM X d P,Fäll 31 Q d Für r die Zeiträume, in denen X P,BioP = 0 ist, lässt sich demnach ein ß Fäll 1 berechnen

17 C P,Z [mg/l] Beispiel für eine Kläranlage mit Denitrifikation ohne Bio-P-Verfahren Monat Pges im Ablauf P-Bindung durch Zellaufbau durch Bio-P gebundener P gefällter P mit ß=1 P durch Vorklärung entfernt Pges-Grenzwert

18 1,4 ß Fäll [mol Me/mol P] Beispiel für eine Kläranlage mit Denitrifikation ohne Bio-P-Verfahren 1,2 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 0, Monat ßFäll?1 ß Fäll? 1 Reihe2 Vergleichswert ß Fäll = 1

19 Berechnungsansatz der Bio-P-Elimination nach A 131 Das Ausmaß der vermehrten biologischen P-Elimination ist neben der Abwassertemperatur vor allem von der Konzentration leicht abbaubarer organischer Kohlenstoffverbindungen im Abwasser abhängig. Die vermehrte biologische P-Elimination X P,Bio-P kann demzufolge in Abhängigkeit von der BSB 5 -Konzentration im Zulauf zur Belebung abgeschätzt werden: X P,Bio-P = f P,Bio-P C BSB,ZB [g/m³] f = P, Bio -P X C P, Bio -P BSB, ZB Der Faktor f P,Bio-P wird von den verfahrenstechnischen Rahmenbedingungen beeinflusst. Bei üblicher Zusammensetzung von kommunalem Abwasser können nach dem Arbeitsblatt ATV-DVWK-A 131 (Mai 2000) folgende Werte angenommen werden: bei vorgeschaltetem Anaerobbecken: f P,Bio-P = 1,0 bis 1,5 % bei Denitrifikation: f P,Bio-P 0,5 % Mit dem für eine Kläranlage berechneten Faktor f P,Bio-P kann die Leistungsfähigkeit der vermehrten Bio-P- Elimination bewertet und mit den Ansätzen im A 131 verglichen werden

20 f P,BioP [%] 2,0 Beispiel für eine Kläranlage mit Denitrifikation ohne Bio-P-Verfahren 1,8 1,6 1,4 1,2 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 0, Monat BioP-Potenzial Wertebereich nach für A131 f P,BioP nach A Reihe3 131 Faktor fbiop Mittelwert von fbiop Faktor f P,BioP Jahresmittel f P,BioP

21 Excel-Arbeitshilfe zur Berechnung der P-Anteile und wichtiger Kennzahlen im Zusammenhang mit der Phosphorelimination Form der Dateneingabetabelle für die Frachten

22 Beispiel für einen Teil der Berechnungstabelle

23 Aus DWA-Leistungsvergleich kommunaler Kläranlagen 2009 Phosphor im Mittelpunkt