Phosphorentfernung durch Flockung und Mehrschichtfiltration Ergebnisse aus Forschung und Praxis

Transkript

1 Phosphorentfernung durch Flockung und Mehrschichtfiltration Ergebnisse aus Forschung und Praxis Dr. Alexander Sperlich, Regina Gnirß (Berliner Wasserbetriebe) Pamela Geyer, Prof. Dr. Matthias Barjenbruch (Technische Universität Berlin)

2 Gliederung 1. Flockenfiltration bei den Berliner Wasserbetrieben 2. Pilotversuche zur einstufigen Flockung und Raumfiltration 3. Übertragung der Ergebnisse 4. Denitrifikation im Biofilter 5. Integration der Spurenstoffentfernung 6. Zusammenfassung Dr. Alexander Sperlich - Forschung und Entwicklung 2

3 Raumfiltration FE und Verfahrensoptimierung Flockung Sedimentation Filtration Großtechnik OWA Tegel (seit 1984) Flockungsfiltration zur weitergehenden Abwasserreinigung Halbtechnische Versuche KW Ruhleben (FE-Projekt Barriere, ) Pilotanlage KW Münchehofe (FE-Projekt Raumfiltration, ) Übertragung von Betriebserfahrungen aus der Trinkwasseraufbereitung (Zweischichtfiltration nach Belüftung zur Enteisenung/Entmanganung) Dr. Alexander Sperlich - Forschung und Entwicklung 3

4 Raumfiltration Ausgangspunkt Platzbedarf: Anzahl benötigter Filterzellen (Filtergeschwindigkeit) Sedimentation? Welche Zielwerte sind erreichbar? Suspendierte Stoffe Gesamtphosphor Chemischer Sauerstoffbedarf Übertragung auf andere Standorte Dr. Alexander Sperlich - Forschung und Entwicklung 4

5 FE-Projekt Barrieren Halbtechnische Versuche Schnellfiltration: TP < 0,15 mg/l (80% Perzentil; 10 m/h), Flockungsfiltration ohne Sedimentation: TP < 0,09 mg/l (80% Perzentil, 10 m/h, 1,1 mg Fe(III)/L). Reduktion der Indikatorkeime nach Badegewässerrichtlinie um 90%. Sehr gute Entfernung von Steroidhormonen (unpolare organische Stoffe) durch Schnellfilter. Moderate Entfernung von polaren Spurenstoffen (Miehe, 2010) Dr. Alexander Sperlich - Forschung und Entwicklung 5

6 Ausgangspunkt Vergleich OWA Tegel OWA Tegel FE-Projekt Raumfiltration Ziel TP 0,02 mg/l TP 0,1 mg/l, TSS 1 mg/l Verfahren Dosierung Betriebserfahrung Filterbettaufbau 2-stufig Flockung - Sedimentation- Nachflockung - Filtration Flockungsmittel Flockungshilfsmittel (Polymer) Kontinuierliche Optimierung der Rohrflockung (stat. Mischer), Filteraufbau (keine Stützschicht), Filtermaterial 1-stufig Flockung - Filtration Flockungsmittel Flockungshilfsmittel notwendig? auf Betriebserfahrungen aufbauen: statischer Mischer, Rohrflockung, keine Stützschicht 80 cm 130 cm Bims 2,3-4 mm Sand 0,71-1,25 mm 60 cm 110 cm Anthrazit 1,4-2,5 mm Sand 0,71-1,25 mm Dr. Alexander Sperlich - Forschung und Entwicklung 6

7 FE-Projekt Raumfiltration Pilotversuche Ausgangspunkt: Langjährige Betriebserfahrungen in der OWA Tegel und bei der Wasseraufbereitung Eigenfinanziertes FE-Projekt, Auftrag an TU Berlin, FG Siedlungswasserwirtschaft, Prof. Barjenbruch Hohe Dringlichkeit (Planung für den Ausbau des KW Was) Denitrifikationsfilter Flockungsfilter C-Quelle FM, FHM Dr. Alexander Sperlich - Forschung und Entwicklung 7

8 FE-Projekt Raumfiltration Pilotversuche Ziele: Übertragung der Technik auf Klärwerke (insbesondere Waßmannsdorf) Optimierung des Prozesses in einen kompakten einstufigen Prozess ohne Polymerzugabe und Sedimentation Bestätigung der Ergebnisse im halbtechnischen Maßstab Stickstoffentfernung Denitrifikationsfilter Flockungsfilter C-Quelle FM, FHM Dr. Alexander Sperlich - Forschung und Entwicklung 8

9 Filteraufbau Dr. Alexander Sperlich - Forschung und Entwicklung 9

10 Ergebnisse Raumfiltration Betriebsparameter Dynamischer Betrieb Volumenstrom proportional zum Klärwerk Münchehofe Diskontinuierliche Spülung jeweils alle 12 bzw. 24 h Luft-, Luft/Wasser-, Wasserspülung Dosierung Phosphatfrachtpropotional kein Flockungshilfsmittel Summenhäufigkeit Fe 3+ Filtergeschwindgkeit (Versuchsphase 1) Filtergeschwindigkeit (Versuchsphase 2) OWA Tegel Raumfiltration Mhf. Fe 3+ [g/m 3 ] Filtergeschwindigkeit [m/h] Flockungsmittel 15 g/m 3 4 g/m 3 Flockungshilfsmittel 0,5 g/m 3 -- Dr. Alexander Sperlich - Forschung und Entwicklung 10

11 Ergebnisse Raumfiltration Phosphor 100% Zulauf 100% Ablauf 80% 80% Summenhäufigkeit 60% 40% Zulauf OWA Tegel 20% Zulauf Raumfiltration 10 m/h Zulauf Raumfiltration 7 m/h 0% Gesamtphosphor [mg/l] Summenhäufigkeit 60% 40% 20% 0% Gesamtphosphor [mg/l] Ablauf OWA Tegel Ablauf Raumfiltration 10 m/h Ablauf Raumfiltration 7 m/h OWA Tegel Raumfiltration Mhf. Zulauf: arithm. Mittelwert 0,2 mg/l 0,6 mg/l Ablauf: arithm. Mittelwert 0,02 mg/l 0,06 mg/l Ablauf: 80%il-Wert 0,02 mg/l 0,08 mg/l Mittl. Entfernung 91% 90% Dr. Alexander Sperlich - Forschung und Entwicklung 11

12 Ergebnisse Raumfiltration Suspendierte Stoffe 100% 100% 80% Zulauf 80% Ablauf Summenhäufigkeit 60% 40% Zulauf OWA Tegel Zulauf Raumfiltration 10 m/h Summenhäufigkeit 60% 40% Ablauf OWA Tegel Ablauf Raumfiltration 10 m/h Ablauf Raumfiltration 7 m/h 20% Zulauf Raumfiltration 7 m/h 20% 0% 0% Suspendierte Stoffe [mg/l] Suspendierte Stoffe [mg/l] OWA Tegel Raumfiltration Mhf. Zulauf: arithm. Mittelwert 4,6 mg/l 4,3 mg/l Ablauf: arithm. Mittelwert 0,5 mg/l 0,3 mg/l Ablauf: 80%il-Wert 0,6 mg/l 0,5 mg/l Mittl. Entfernung 90% 93% Dr. Alexander Sperlich - Forschung und Entwicklung 12

13 Ergebnisse Raumfiltration Phosphorfraktionen Anteil der Phosphorfraktion am Gesamtphosphor [%] 100% 80% 60% 40% 20% 0% gelöster, nicht reaktiver Phosphor gelöster reaktiver Phosphor partikulärer Phosphor Zulauf Ablauf Zulauf Ablauf OWA Tegel Raumfiltration Mhf. Mittlere Entfernung [%] Gelöster nicht reaktiver P OWA Tegel Kompakte, einstufige Flockung Sichere Einhaltung der Zielwerte TSS 1 mg/l TP 0,1 mg/l Raumfiltration Mhf. 62 % 43 % Gelöster reaktiver P 99 % 95 % Partikulärer P 91 % 95 % Keine Sedimentation und Polymerdosierung notwendig Dr. Alexander Sperlich - Forschung und Entwicklung 13

14 Übertragung der Ergebnisse Jar-Tests Prognose der Ablaufwerte der Raumfiltration an anderen Standorten Raumfiltration Münchehofe 1 Jar-Test Münchehofe n=17 PROGNOSE Raumfiltration Waßmannsdorf 3 Jar-Test Waßmannsdorf n=25 Versuchsdurchführung in Anlehnung an das DVGW-Arbeitsblatt W218 Einmischung des FM (25 s bei 350 U/min G = 939 1/s) Flockenbildung in Langsamrührphase (20 min. bei 40 U/min G = 39 1/s) Dr. Alexander Sperlich - Forschung und Entwicklung 14

15 Übertragung der Ergebnisse Jar-Tests Münchehofe (n=17) 100% 100% Entfernung [%] Gelöster reaktiver Phosphor 80% 60% 40% 20% Entfernung [%] Gelöster nicht reaktiver Phosphor 80% 60% 40% 20% 0% Jar-Test Mhf. Raumfiltration Mhf. Mittlere Dosierung von 4 mg/l Fe 3+ (2,6-6,3 mg/l Fe 3+, 4,4 mol Fe 3+ /mol srp) Jar-Tests bilden die Ergebnisse der Flockung gut ab 0% Jar-Test Mhf. Raumfiltration Mhf. Dr. Alexander Sperlich - Forschung und Entwicklung 15

16 Übertragung der Ergebnisse Jar-Tests Waßmannsdorf (n=25) Entfernung Removal [%] [%] srp snrp scod CSB f Entfernung [%] Gelöster Phosphor Fe Fe [mg/l] mol Fe / mol srp Hohe Varianz in den Daten Dr. Alexander Sperlich - Forschung und Entwicklung 16

17 Übertragung der Ergebnisse Jar-Tests Waßmannsdorf (n=25) Entfernung [%] Gelöster reaktiver Phosphor 100% 80% 60% 40% 20% 0% 12 mg/l Fe 10 mg/l Fe 8 mg/l Fe 6 mg/l Fe 5 mg/l Fe 4 mg/l Fel <30% 30-50% 50-70% 70-90% >90% Anteil nicht reaktiven P an gelöstem Phosphor snrp/sp [%] Anteil von reaktivem und nicht reaktivem Phosphor bestimmt die Entfernung von gelöstem Phosphor Einfaches Prognosemodell: 95% Entfernung von partikulärem Phosphor Ablaufkonzentration KW Was Ergebnisse Jar-Tests TP = pp + srp + snrp Dr. Alexander Sperlich - Forschung und Entwicklung 17

18 Übertragung der Ergebnisse 100% 1.0 Anteil der Phosphorfraktion am Gesamtphosphor [%] 80% 60% 40% 20% Gesamtphosphor [mg/l] % KW Was gelöster, nicht reaktiver Phosphor gelöster reaktiver Phosphor partikulärer Phosphor 0.0 Ablauf KW WAS 4 mg/l Fe 5 mg/l Fe 6 mg/l Fe 8 mg/l Fe 10 mg/l Fe 12 mg/l Fe Ausblick: empirisches Modell für Phosphorentfernung an anderen Berliner Standorten Dr. Alexander Sperlich - Forschung und Entwicklung 18

19 Ergebnisse Biofiltration Stickstoffentfernung Kontinuierlicher Biofilterbetrieb mit Dosierung von Essigsäure Bestätigung der wichtigsten Auslegungsparameter Filtergeschwindigkeit 6 m/h Nitratumsatzraten 0,5-1,0 kg NO 3 -N/m 3 *d Sicherer Betrieb der Denitrifikation im Zweischichtfilter möglich Suspendierte Stoffe 2mg/L NO 3 -N 5 mg/l Entfernung von partikulärem Phosphor und CSB durch Entfernung suspendierter Stoffe Nitritemissionen treten zeitweise auf und werden untersucht Dr. Alexander Sperlich - Forschung und Entwicklung 19

20 ASKURIS / IST4R Integration der Spurenstoffentfernung Vergleich und Bewertung von Verfahrensalternativen Pulverkohleadsorption Kontaktreaktor mit Rückführung und Sedimentation direkt vor Raumfiltration Adsorption an Granulierte Aktivkohle als zweite Filterschicht als nachgeschalteter GAK-Filter Ozonung Ozonung und Adsorption (Biologische Aktivkohle) Kombination mit Phosphorentfernung (Integration in Technologieansätze der 4. Reinigungsstufe) Dr. Alexander Sperlich - Forschung und Entwicklung 20

21 Ergebnisse Einstufige Flockung und Zweischichtfiltration ist ein geeigneter Prozess, um sichere Zielwerte für die suspendierten Stoffe und Gesamtphosphor von TSS 1 mg/l und TP 0,1 mg/l einzuhalten Keine Sedimentation und Polymerdosierung notwendig Teilentfernung des CSB ca. 16% Hohe Prozessstabilität, Entfernungsleistung bei mittl. Filtergeschwindigkeiten von 7 und 10 m/h vergleichbar Berücksichtigung in der Planung, Reduzierung der Investitionskosten Berücksichtigung in der Ökobilanz (OXERAM) Biofiltration: Sicherer Betrieb der Denitrifikation im Zweischichtfilter möglich Integration der Spurenstoffentfernung durch Kombination mit Ozonung oder Adsorption an Aktivkohle wird untersucht Dr. Alexander Sperlich - Forschung und Entwicklung 21

22 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Dr. Alexander Sperlich Berliner Wasserbetriebe Forschung und Entwicklung Dr. Alexander Sperlich - Forschung und Entwicklung 22