Umbau von Kläranlagen zur Deammonifikation (im Teilstrom) Prof. Dr.-Ing. Norbert Jardin Ruhrverband, Essen

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1 Umbau von Kläranlagen zur Deammonifikation (im Teilstrom) Prof. Dr.-Ing. Norbert Jardin Ruhrverband, Essen

2 Ein Blick zurück Historische Entwicklung der Deammonifikation Broda postuliert missing link in nature : Oxidation von NH 4 mit NO 2 van de Graaf et al. weisen erstmals den Prozess nach: Anoxic Ammonium Oxidation Bock / Stüven prägen den Begriff Deammonifikation Hippen / Helmer untersuchen die Deammonifikation in Biofilmsystemen Ruhrverband baut die erste großtechnische MBBR- Anlage zur Deammonifikation Wett etabliert die Deammonifikation als SBR auf der KA Strass 2

3 Warum Deammonifikation im Teilstrom? Verringerung der N-Rückbelastung durch das Schlammwasser N-Rückbelastung im Mittel ca. 10 bis 15 % der N-Zulauffracht 3

4 Nirifikation Denitrifikation Sauerstoff Kohlenstoff Das Prinzip der Deammonifikation Ammoniumoxidation und Anammox NO 3 NO NO NH 4 N 2 4

5 Nirifikation Nitritation Denitrifikation Denitritation Sauerstoff Kohlenstoff Das Prinzip der Deammonifikation Ammoniumoxidation und Anammox NO 2 NO NH 4 N 2 5

6 Nirifikation Nitritation Nitritation Denitrifikation Denitritation Anammox Sauerstoff Kohlenstoff Das Prinzip der Deammonifikation Ammoniumoxidation und Anammox NO 2 NO NH 4 N 2 6

7 Das Prinzip der Deammonifikation Stöchiometrie NH ,32 NO 2 + 0,066 HCO 3 + 0,13 H + 1,02 N 2 + 0,26 NO 3 + 0,066 CH 2 O 0,5 N 0,2 + 2,03 H 2 O NH 4 N NH 4 N N 2 Nitrosomonas aerob NO 2 N Planctomycetales anoxisch NO 3 N 7

8 Umsetzung der Deammonifikation Technologische Ansätze der einstufigen Deammonifikation suspendierte Flocken Granula Biofilm Hybrid Potsdam-Nord Plettenberg Werdhölzli Hattingen, MBBR Bildquelle: EP-Anlagenbau, 2018 Bildquelle: Techfina, 2018 Strass Bildquelle: Wett, 2010 Sjölunda, MBBR Bildquelle: Paques, 2012 Rotterdam Bildquelle: Veolia, 2017 Bildquelle: Veolia,

9 Wann und warum eine Deammonifikation zur Teilstrombehandlung? bei kommunalen Kläranlagen 1 unzureichende Stickstoffelimination, eingeschränkte Prozessstabilität der Nitrifikation (z. B. ungünstiges C/N-Verhältnis, NH 4 -N-Spitzen) 2 hohe N-Rückbelastung aus der Schlammbehandlung (z. B. gemeinsame Behandlung von Schlämmen mehrerer Kläranlagen) 3 günstige bauliche/verfahrenstechnische Voraussetzungen (z. B. vorhandene Reaktoren) 4 Verrechnung mit der Abwasserabgabe möglich ( 20 % N-Elimination im Hauptstrom) 9

10 Welche Voraussetzungen sind notwendig/günstig? bei kommunalen Kläranlagen 1 hohe NH4-N-Konzentration im Schlammwasser (> 800 mg/l) 2 Schlammwasserbeschaffenheit günstig (keine Feststoffe, keine Hemmstoffe, ausreichende Säurekapazität) 3 Schlammwasseranfall kontinuierlich (Schlammwasserspeicher) 4 ausreichend hohe Temperatur des Schlammwassers (ideal 30 C) 10

11 Deammonifikation beim Ruhrverband Erkenntnisse nach 18 Jahren Betriebserfahrung Duisburg 2017 ~820 kg/d m³ SBR Hemer 2014 ~ 118 kg/d 238 m³ SBR Hattingen 2000 KALDNES KSB 2019/2020 ~440 kg/d m³ SBR Plettenberg 2007 ~ 65 kg/d 134 m³ SBR 11

12 Deammonifikation beim Ruhrverband Beispiel KA Plettenberg Motivation eingeschränkte N-Elimination erhöhte N-Rückbelastung erhöhte Anforderungen an die Einleitung (in eine Restwasserstrecke) Reaktor stand zur Verfügung Möglichkeit der Verrechnung mit der Abwasserabgabe 12

13 Deammonifikation beim Ruhrverband Beispiel KA Plettenberg Planerische und bauliche Umsetzung Parameter Einheit Wert Mittlerer Zufluss m³/d 80 Maximaler Zufluss m³/d 98 C TN mg/l 800 B d,tn kg/d 64 Abbauleistung db R,TN kg/(m 3 d) 0,5 T min C 25 V Reaktor m Gesamtzykluszeit h 12 Aktive Zeit (Intervallbelüftung) h 11 Sedimentation h 0,5 Dekantieren h 0,5 13

14 Deammonifikation beim Ruhrverband Beispiel KA Plettenberg Inbetriebnahme im Oktober 2007 Deammonifikation im einstufigen SBR-Verfahren 1 SBR-Reaktor mit 135 m³ 1 Schlammwasserspeicher Q SW = 57 m³/d NH 4 -N = ca. 800 mg/l NH 4 -N T = 30 C 14

15 Deammonifikation beim Ruhrverband Beispiel KA Plettenberg Betriebsergebnisse und Lessons Learned dauerhafte Hemmung der NOB bedingt Anpassung der Betriebsstrategie wiederholte Hemmung der AOB Schlammeintrag kann kritisch sein regelmäßige Überwachung der Belüftung (Elemente, Sollwerte) 15

16 Deammonifikation beim Ruhrverband Beispiel KA Duisburg-Kaßlerfeld Motivation Steigerung der N-Elimination Verbesserung der Prozessstabilität der Nitrifikation Reaktoren standen zur Verfügung Möglichkeit der Verrechnung mit der Abwasserabgabe 16

17 Deammonifikation beim Ruhrverband Beispiel KA Duisburg-Kaßlerfeld Planerische und bauliche Umsetzung Deammonifikation im einstufigen SBR-Verfahren 2 SBR-Reaktoren á 958 m³ (max. Tiefe 3,95 m) 1 Schlammwasserspeicher Q SW = m³/d NH 4 -N = kg/d mg/l 17

18 Deammonifikation beim Ruhrverband Beispiel KA Duisburg-Kaßlerfeld Einfahrbetrieb ab 7/2016 Installierte Sonden im Reaktor: Leitfähigkeit ph, Temperatur O 2 (und Druck in der Verteilleitung) Füllstand Redox 18

19 B NH4,Z (kg/d), FU (HZ) Temperatur, Wirkungsgrad und Verhältnisse NO3/Nges Deammonifikation beim Ruhrverband Beispiel KA Duisburg-Kaßlerfeld Betriebsergebnisse und Lessons Learned regelmäßige Säuerung der Belüfterplatten erforderlich % 90% 80% Deammonifikation auch bei T < 25 C möglich Leitfähigkeit geeigneter Kontrollparameter <15 C 70% 60% 50% 40% 30% Regelbetrieb seit 4/17, > 90 % N-Elimination genügend Impfschlamm für alle weiteren RV-Anlagen % 50 10% 0 0% FU1 FU2 Wirkungsgrad Nges Wirkungsgrad NH4 NO3/Nges Temperatur R2 B_NH4,Z (gemittelt) 19

20 Was ist im Betrieb einer Deammonifikation zu beachten? stabile Hemmung der Nitritoxidation: intermittierende Belüftung, Anpassung Zykluszeiten aerob/anoxisch konstantes Temperaturniveau bei idealerweise T = 30 C Eintrag von Feststoffen aus der Entwässerung unbedingt vermeiden stabilen Sauerstoffeintrag sicherstellen (Druck kontrollieren) 5 Sensorik sorgfältig warten (insbesondere O 2-Sonden) 6 7 regelmäßige Überwachung der verfahrenstechnischen Parameter bei nachhaltigen Einbrüchen der Eliminationsleistung Neustart mit Impfschlamm bedenken 20

21 Fazit stabile Stickstoff-Eliminationsleistungen deutlich > 75 % erreichbar (bis 90 % N ges bzw. 95 % NH 4 -N) bei Erfordernis einer Teilstrombehandlung i.d.r. das wirtschaftlichste Verfahren DWA-Regelwerk gibt detaillierte Hinweise für Deammonifikationsanlagen noch kein Plug and Play, aber inzwischen genügend Erfahrung vorhanden Merkblatt DWA-M 210: Belebungsanlagen mit Aufstaubetrieb (SBR), DWA-Regelwerk, Juli 2009 Merkblatt DWA-M 229-1: Systeme zur Belüftung und Durchmischung von Belebungsanlagen - Teil 1: Planung, Ausschreibung und Ausführung, DWA-Regelwerk, September 2017 Merkblatt DWA-M 349: Biologische Stickstoffelimination von Schlammwässern der anaeroben Schlammstabilisierung, DWA- Regelwerk, Dezember

22 Dank an: Dr.-Ing. Sophie Dorothee Lensch Dr.-Ing. Jörg Hennerkes