Betriebsmitteleinsatz auf Kläranlagen im Lichte aktueller Anforderungen

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Heike Hermann
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1 6. IFWW-Fachkoloquium Fachkoloquium Aus der Praxis für die Praxis am in Haltern Betriebsmitteleinsatz auf Kläranlagen im Lichte aktueller Anforderungen Dr.-Ing. Joachim Reichert Niersverband

2 Betriebsmitteleinsatz auf Kläranlagen im Lichte aktueller Anforderungen 1. Einführung 2. Betriebsbedingungen auf dem KW MG-Neuwerk 3. Pilotanlage zur MAP-Fällung auf dem KW MG-Neuwerk 4. Versuchsergebnisse 5. Ausblick

3 1. Einführung 1.1. Arten von Betriebsmitteln /- stoffen Betriebsmittel / -stoff: Fällmittel Flockungshilfsmittel (FHM) C-Quellen (Ethanol, Essigsäure) Chemikalien zur ph-stabilisierung / Anhebung der Säurekapazität Entschäumer Belagsverhinderer Aktivkohle Reinigungschemikalien Anwendungsbereich: Chemische P-Elimination Verbesserung des Schlammindexes Entwässerung / Eindickung Verbesserung des Absetzverhaltens Förderung der Denitrifikation Stabilisierung der N-Elimination Faulbehälter / Entwässerung / Sonderanwendungen Rohrleitungen / Aggregate im Schlammbereich Weitergehende Abwasserreinigung Rohrleitungen, Aggregate

4 1.2. Wirtschaftliche Bedeutung der Betriebsmittel /- stoffe Kosten für Betriebsmittel 2000 Summe (76%) (3%) (18%) (3%) Fällmittel Flockungshilfsmittel Entschäumer Belagsverhinderer

5 1.2. Wirtschaftliche Bedeutung der Betriebsmittel /- stoffe (2) Kosten für Betriebsmittel 2000 Summe (76%) (3%) (18%) (3%) Kosten für Betriebsmittel (60%) (5%) (25%) (10%) Summe Fällmittel Flockungshilfsmittel Entschäumer Belagsverhinderer

6 1.3. Gründe für einen intensivierten Betriebsmitteleinsatz Weitergehende Stickstoffelimination Zunehmender Einsatz der biologischen P-Elimination Geringere Schlammbelastung der biologischen Stufe Zunahme fadenbildender Organismen / Blähschlamm- / Schwimmschlammbildung Einsatz (teurer) Al-haltiger Fällmittel Entschäumer zur Bekämpfung schäumender FB Höherer Glühverlust des ausgefaulten Schlammes Verschlechterte Entwässerbarkeit des Klärschlammes Zunehmender FHM-Einsatz Ungünstige Abwasserzusammensetzung: zuwenig leicht abbaubare Stoffe bei gleichzeitig hohen Anforderungen an Reinigungsleistung Zunehmender Einsatz von C-Quellen / SK-Stabilisierung

7 2. Betriebsbedingungen auf dem KW MG-Neuwerk Blähschlammprobleme im jahreszeitlichen Wechsel (warm/kalt u.umg.) Schäumende Faulbehälter Belagsbildung in Zentrifugen (MAP = Magnesium-Ammonium-Phosphat, MgNH 4 PO 4 *6H 2 O) Vorzeitiger Verschleiß der Austragsschnecke (bis zu 20 mm Abrasion in < Betriebsstunden) Schwingungen: bis zu 30 mm/s Zwangsabschaltungen / eingeschränkte Verfügbarkeit Inkrustierung von Rohrleitungen (MAP): Gefahr der Totalblockade / Unterbrechung der Schlammentsorgungslinie Extreme Verschlechterung der Entwässerbarkeit des Klärschlammes

8 2.1 MAP-Inkrustierungen auf dem KW MG-Neuwerk (1) MAP-Kristalle im Verbund mit Schlammpartikeln in der Trommel der Zentrifugen: Dicke: bis zu 15 mm über gesamten Umfang

9 2.1 MAP-Inkrustierungen auf dem KW MG-Neuwerk (2) MAP-Inkrustierung einer Rohrleitung: Zulaufleitung Zentrifugen (L=250 m, DN 200, verbleibend: DN 70)

10 2.2 Schlammentwässerung auf dem KW MG-Neuwerk 36 Pilot- Versuch: TR-Gehalte entwässerter Schlamm (in %) Zusätzl. Belebungsvolumen: m³ Zusätzl. Belebungsvolumen: m³ Installation 3. Zentrifuge MAP- Fällung vor Z 3 Datenbasis: Monatsmittelwerte 16 Aug 98 Jul 99 Jul 00 Jul 01 Jul 02 Jul 03 Jun 04 Jun 05 TR-Gehalt Austrag Z 1 TR-Gehalt Austrag Z 2/3 Z 1: gleit. Mittelw. (3 Mo) Z 2/3: gleit. Mittelw. (3 Mo) Reduktion des TR-Gehaltes von 33 auf 21% in 7 a!

11 3. Pilot-Anlage zur MAP-Fällung 3.1. Chemische Grundlagen (1) Mechanismen Kristallbildung Salze bilden leicht übersättigte Lösungen - vorhandenes Puffersystem: (NH 4 HCO 3 ) bei ph ph < 7: Mg- und Ca-Ionen in Lösung Anwesenheit von Ionen: Mg 2+, Ca 2+ : aus Trinkwasser PO 3-4 aus P- Inkorporation Biomasse / Freisetzung; NH + 4 aus Faulung - Zerstörung des Puffers durch Temperatur- / Druckänderungen: Ausgasen von CO 2 ph-wert steigt, - ph-wert-erhöhung, Ausfallen der Salze in Reihenfolge der Löslichkeit Bildung von Kristallen (u.a. Ca 10 (PO 4 ) 4 (OH) 2 = Apatit) - bei hoher PO 4 -Konz. MAP (MgNH 4 PO 4 ) ansonsten: Kalkfällung (CaCO 3 ) Problemlösung: Kristallisations-Verhinderer / Fällung

12 3.1. Chemische Grundlagen (2) > Betriebspunkt Ablauf Pilotanlage MAP fällt aus MAP in Lösung Quelle: PCS, Pollution Control-Service, Hamburg

13 3.2. Pilotanlage auf dem KW MG-Neuwerk Fremdschlamm Probe Fremdschlamm FHM Probe FB 1 KV KV ~ 300 m Probe Becken 4,5 Strainpress TR MgCl 2 Becken 7 Zentrifuge 1 ~ 250 m TR TR MAP-Fällungsreaktor Probe Zentratbehälter FB 3 Becken 1,2,3 Probe Luft KV ~ 250 m KV TR KV Zentrifuge 2 FHM TR KV KV Zentrifuge 3 ~ 250 m KV = Kristall.-Verhinderer TR = Feststoffgehalt Kristallstruktur nach Fällung mit MgCl 2 Bildquelle: PCS, Pollution Control-Service, Hamburg

14 4. Versuchsergebnisse (1) Entwicklung der ortho-phosphat-konzentrationen (als PO 4 ) PO4-Konz. (in mg/l) Abl. FB / Zul. Fäll.-R MgCl 2 -Dosierung: 53 l/h; ( : 43 l/h) PO4-Konz. (in mg/l) Zul. Zentr. 3 / Zentrat Z Abl. Faulbeh. Zulauf Fäll.-Reaktor Zulauf Zentrif. 3 Zentrat Zentrif. 3 Reduktion PO 4 -Konzentration (Schlamm): von 500 ca. 40 mg/l

15 4. Versuchsergebnisse (2) Datenbasis: Tagesmittelwerte mit MAP-Vorfällung 26 TR-Gehalte (in %) ohne MAP-Vorfällung Zentrifuge 1+2 Zentrifuge 3 18 Percentil 50% : 21,56 % Percentil 85% : 23,18 % Percentil 95% : 23,61 % Percentil 50% : 23,41 % Percentil 85% : 25,68 % Percentil 95% : 26,37 % TR-Gehalt Austrag Z 1/2 TR-Gehalt Austrag Z 3 Z1/2: gleit. Mittelw. (7d) Z3: gleit. Mittelw. (7d) Verbesserung des TR-Gehaltes um 2-2,5 %-Punkte

16 4. Versuchsergebnisse (3) 27 Abhängigkeit der Austrags-TR-Werte von der PO 4 -Konzentration des zu entwässernden Schlammes 26 TR-Gehalt nach Entwässerung (%) vorbehandelt (MAP-Fällung) nicht vorbehandelt (nach gesunkener PO 4 -Konz. des Faulschlammes, bei Versuchsende) nicht vorbehandelt (bei Versuchsbeginn) Erklärungsansatz: Phosphate PObewirken 4 -Konzentration partielle (in mg/l) Entwässerung wird bei kleinerer PO 4 -Konzentration Lösung des zu entwässernden der Proteine und Schlammes erhöhen damit begünstigt das Wasserbindungsvermögen des Schlamms

17 5. Ausblick Erweiterung der Kapazität der Pilotanlage von 50 % der vorhandenen Schlammmenge auf 100 % (= 60 m³/h) (in Bearbeitung, bis 07/2006) Wirtschaftlichkeit Separate Entwässerung von Fremdschlämmen (Trennung der Schlammströme, bis 07/2006) Errichtung einer Großanlage (in Planung) 2 Vorfällungsbehälter (Mg 2+, Ca 2+ ) und 4 MAP-Fällungsbehälter Positionierung der Großanlage an den Faulbehältern

18 5. Zusammenfassung Betriebsmitteleinsatz nimmt an Bedeutung zu weitergehende N-Elimination / biologische P-Elimination Vielzahl betrieblicher Probleme (Blähschlamm, Schäumen, reduzierte Entwässerungsleistung, usw.) neues Problem: Beläge / Kristallisation (MAP) MAP-Vorfällung / Strippung als verfahrenstechnische Lösung wirkungsvolle Verhinderung von Kristallisation signifikante Verbesserung der Entwässerung Reduktion der P-Rückbelastung Verminderung der Schwingungen Verfahren infolge Verbesserung der Entwässerung wirtschaftlich

19 Herzlichen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! In Kooperation mit: Dr.-Ing. Joachim Reichert Niersverband Am Niersverband Viersen Tel.: Fax: PCS Pollution Control Service Niersverband Saseler Bogen Hamburg Tel.: Fax: info@pcs-consult.de

20 6. IFWW-Fachkoloquium Fachkoloquium Aus der Praxis für die Praxis am in Haltern Betriebsmitteleinsatz auf Kläranlagen im Lichte aktueller Anforderungen Dr.-Ing. Joachim Reichert Niersverband

21 4. Versuchsergebnisse (3) 9 Entwicklung der ph-werte ab 24.4.: Luftmenge erhöht 8,5 8 ph-wert [-] 7,5 7 6, Abl. Faulbeh. Zulauf Fäll.-Reaktor Zulauf Zentrif. 3 Zentrat Zentrif. 3 Zuverlässige Erhöhung des ph-wertes auf ca. 8

22 4. Versuchsergebnisse (4) 160 Entwicklung der Mg 2+ -Konzentrationen 140 MgCl 2 - Dosierung: ß-Wert ca. 1,7 ab 24.4.: Luftmenge erhöht Mg 2+ -Konzentration (in mg/l) Abl. Faulbeh. Zulauf Fäll.-Reaktor Zulauf Zentrif. 3 Zentrat Zentrif. 3 Überstöchimetr. Dosierung von Mg 2+ Überschuss gelöst

23 Wirtschaftlichkeitsbetrachtung erweiterte Pilotanlage: Dosierung von Belagsverhinderern (Nullvariante): Belagsverhinderer: 30 60g/m³ 3*45 kg/d /Mo MAP-Vorfällung (100% Schlammenge vor EWZ) Belagsverhinderer: 30 60g/m³ 45 kg/d /Mo MgCl 2 -Dosierung: 1,7 kg/m³ ca. 100 kg/h Stromverbrauch Belüftung: ca. 20 KW/h /Mo /Mo Summe Betriebskosten: /Mo Instandhaltung: 4 % der Kapitalkosten* 233 /Mo Einsparung Schlammentsorg.: (60 /t DS) gg. Nullvar /Mo. Summe effektive Betriebskosten: /Mo. *) Kapitalkosten: M- und E-Technik: ca

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