Erste Erfahrungen über den Betrieb und die Wirtschaftlichkeit von Festbettreaktoren auf deutschen Kläranlagen

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1 Erste Erfahrungen über den Betrieb und die Wirtschaftlichkeit von Festbettreaktoren auf deutschen Kläranlagen von Dr. Michael Gassen, Hydro-Ingenieure, Düsseldorf Vortrag auf der 31. Essener Tagung für Wasser- und Abfallwirtschaft, bis , Essen

2 Inhaltsverzeichnis 1. Definition 3 2. Anlagen in Deutschland 6 3. In Betrieb befindliche Anlagen 8 4. Abschluss 19

3 1. Definition Die Begriffe im Bereich der neuen biologischen Abwasserreinigung sind nicht eindeutig geklärt. Teilweise wird von Biofiltern gesprochen, wobei eine Verwechslung mit Biofiltern im Bereich der Abluftbehandlung möglich ist. Teilweise wird von Festbetten gesprochen, wobei dieser Begriff auch bei Anlagen mit Einbauten in Belebungsbecken eingesetzt wird. Im folgenden geht es um Anlagen, bei denen die Biomasse vollkommen fixiert ist. Das Trägermaterial ähnelt Filtermaterial und hat auch die Aufgabe des Feststoffrückhaltes. Das Material selbst ist nur für den Spülvorgang in Bewegung. Es werden also keine Fließbettreaktoren betrachtet. Diese Abwasserreinigungstechnik soll im folgenden Festbettreaktor genannt werden. Diese Art der Festbettreaktoren hat sich aus der Abwasserfiltration bzw. Trinkwasserfiltration entwickelt. Aus diesem Grunde stammen auch die Lieferanten dieser Technik aus dem Bereich Anlagenbau für Wasseraufbereitung. Bei den Festbettreaktoren existieren zur Zeit auf dem Markt zwei grundsätzlich unterschiedliche Typen. In beiden Fällen handelt es sich um aufwärtsdurchströmte Festbettreaktoren. Diese Technik hat sich zur Zeit durchgesetzt. Der Unterschied zwischen den beiden Typen liegt im Festbettmaterial. In einem Fall handelt es sich um Blähton oder ähnliches Material mit einer je nach Hersteller unterschiedlichen Körnung. Im zweiten Fall handelt es sich um schwimmfähiges Material (Styropor). Als Beispiel für die heute verwendeten Techniken sei für den ersten Typ der bekannte Biofor (Abb. 1) der Firma Philipp Müller genannt. Bei Festbettreaktoren liegt die Höhe des Festbettes im allgemeinen bei mindestens drei Meter. Die Art der Belüftung unterscheidet die einzelnen Hersteller. Diese betrifft natürlich nur aerobe Festbetten. Im Falle des Biofors befinden sich die Belüftungseinrichtungen oberhalb des Düsenbodens. Auch die angewandten Rückspültechniken unterscheiden sich je nach Hersteller. Das gleiche gilt für die Konstruktion der Ablaufrinne und die Entnahme des Filterspülwassers. Abbildung 1: Biofor Betrieb Im Falle des Biofors und ähnlicher Festbettreaktoren erfolgt die Rückspülung aus einem Klarwassertank mit Luft und Wasser (Abb. 2). Das Filterrückspülwasser wird im allgemeinen gesammelt und kontrolliert in den Prozeß zurückgegeben. Seite 3 / 19

4 Abbildung 2: Biofor Spülung Als Beispiel für Festbettreaktoren mit schwimmendem Filtermaterial sei der Biostyr der Firma OTV genannt (Abb. 3). Da es sich um schwimmendes Festbettmaterial handelt, muß der Düsenboden oberhalb des Materials angeordnet sein. Auch der Biostyr wird von unten nach oben durchströmt. Oberhalb des Düsenbodens befindet sich das gereinigte Wasser. Innerhalb des Festbettreaktors kann für Prozeßluft ein Belüftungsgitter angeordnet werden. Der oberhalb des Belüftungsgitters liegende Bereich des Festbettes ist damit aerob, der unterhalb liegende Bereich anaerob. Ordnet man oberhalb des Klarwasserbereiches eine Rückführung des gereinigten Abwassers an, ist eine vorgeschaltete Denitrifikation möglich. Abbildung 3: Biostyr Betrieb Die Rückspülung erfolgt mit dem über dem Düsenboden befindlichen Klarwasser (Abb. 4). Das gereinigte Abwasser durchströmt das Festbett und nimmt die Schmutzstoffe mit. Außerdem besteht natürlich die Möglichkeit, das Festbett durch Spülluft zu brechen. Seite 4 / 19

5 Abbildung 4: Biostyr Spülung Es sollte noch darauf hingewiesen werden, daß natürlich Kombinationen und Varianten dieser beiden grundsätzlich unterschiedlichen Verfahrenstechniken möglich sind. Seite 5 / 19

6 2. Anlagen in Deutschland Die Festbettechnik stammt nicht aus Deutschland, sondern hat ihren Ursprung in Frankreich. Die beiden dortigen großen Abwasserfirmen Degremont und OTV haben diese Technik aus ihrer Filtrationstechnik heraus entwickelt. Es hat deshalb relativ lange gedauert, bis erste Anlagen in Deutschland gebaut wurden. Diese ersten Anlagen hatten lediglich die Aufgabe, eine Restnitrifikation im Ablauf von Nachklärbecken sicherzustellen. Sie stehen damit in Konkurrenz zu konventionellen Abwasserfiltern mit einer entsprechenden vorgeschalteten Restnitrifikation, wie sie relativ häufig gebaut wurden. Anlagen dieser Art sollen im folgenden nicht betrachtet werden, weil sie von der biologischen Reinigungsleistung her nur begrenzt gefordert wurden. In der folgenden Übersicht werden Anlagen aufgeführt (Tab. 1), welche die folgenden Aufgaben haben: nachgeschaltete Nitrifikation und Denitrifikation reine nachgeschaltete Denitrifikation volle biologische Reinigung Der wesentliche Unterschied besteht darin, daß nachgeschaltete Festbettreaktoren der beschriebenen Art sehr gut bestehende Kläranlagen ergänzen können. Im allgemeinen werden sie dann einem bestehenden Belebungsbecken oder Tropfkörpersystem nachgeschaltet. Diese Anlagen haben andere Betriebsbedingungen als Kläranlagen, die mit Rohwasser beschickt werden und die gesamte biologische Reinigung übernehmen müssen. In der folgenden Tabelle 1 sind in Deutschland bekannte Kläranlagen mit Festbettreaktoren aufgeführt. Die Tabelle erhebt keinen Anspruch auf Vollständigkeit. Tabelle 1: Festbettreaktoren in Deutschland Mittlerweile existieren also relativ viele Kläranlagen, die bereits eine Festbettanlage besitzen oder damit ausgerüstet werden. Die Größenordnung geht von kleinen Kläranlagen bis zu relativ großen Kläranlagen mit mehreren hunderttausend Einwohnerwerten Anschlußgröße. Die größte Kläranlage von der Kapazität her ist mit Sicherheit die Kläranlage Frankfurt mit einer Auslegungswassermenge von 6,8 m 3 /s maximal. Von der spezifischen Fracht her ist Seite 6 / 19

7 die Kläranlage Gütersloh besonders erwähnenswert, die Nitratzulaufkonzentrationen bis in die Höhe von 100 mg NO 3 -N/l verarbeiten können. An dieser Stelle sollte noch angemerkt werden, daß für Festbettreaktoren zur Zeit keine festgelegten Bemessungsregeln existieren. Es gibt offensichtlich auch nach wie vor Bedarf, insbesondere das dynamische Verhalten der Reaktoren genauer zu untersuchen, um zu sicheren und wirtschaftlichen Auslegungen zu kommen. Festzuhalten ist allerdings, daß seit den ersten Ausschreibungen (z.b. für die Kläranlagen Herford, Lemgo, Rostock und Vlotho) erhebliche Veränderungen im Rahmen der Bemessung erfolgten. Dies führte dazu, daß die Anlagen insgesamt kleiner, aber auch technisch optimiert und damit wirtschaftlicher wurden. Die spezifischen Investitionskosten, die im vorigen Jahrzehnt noch eher bei ,00 bis ,00 DM/m 3 nutzbarer Fläche lagen, reduzierten sich auf Werte zwischen ,00 und ,00 DM/m 3. Aufgrund dieser Entwicklung ergaben sich z.b. für nachgeschaltete Anlagen erhebliche Kostenvorteile gegenüber einem konventionellen Ausbau der vorhandenen Belebungsanlagen. Dies bedeutet nicht, daß Festbettanlagen auf jeden Fall immer eine optimale Lösung sind, aber es muß daraus geschlossen werden, daß solche Anlagen als Planungsvariante zu berücksichtigen sind. Seite 7 / 19

8 3. In Betrieb befindliche Anlagen Kläranlage Rostock Im folgenden soll auf vier Kläranlagen eingegangen werden, die bereits in Betrieb sind. Dies ist zum einen die Kläranlage Rostock, welche am längsten in Betrieb ist. Außerdem sollen die Kläranlagen Herford, Ahlen und Lemgo besprochen werden. Abbildung 5: Lageplan Rostock Zuerst zur Kläranlage Rostock. Die wesentlichen Auslegungsdaten für die Kläranlage Rostock sind in der Tabelle 2 zusammengefaßt. Die Anordnung der Festbettanlage ergibt sich aus dem Lageplan (Abb. 5). Wie bereits gesagt, handelt es sich um eine nachgeschaltete Anlage. Das Verfahrensschema zeigt die Aufgaben der Festbettreaktoren im Gesamtsystem (Abb. 6) Abbildung 6: Schemaplan Rostock Seite 8 / 19

9 Tabelle 2: Auslegungsdaten Rostock Die Betriebsergebnisse der Festbettanlagen wurden für einen Monat zusammengestellt (Abb. 7). Abbildung 7: Ablaufganglinie Rostock Seite 9 / 19

10 Kläranlage Herford Als nächstes Beispiel sei die Kläranlage Herford genannt. Über diese Kläranlage ist bereits mehrfach berichtet worden, weil dies die erste Kläranlage mit Vollreinigung über Festbettreaktoren in Deutschland ist und die Randbedingungen dazu geführt haben, daß baulich und technisch eine besondere Anlage entstand. Tabelle 3: Auslegungsdaten Herford Die Kläranlage befindet sich seit Anfang des Jahres im Probebetrieb und wird in Kürze den Leistungsnachweis durchführen. Auch hier sind die wesentlichen Daten der Kläranlage in Tabelle 3 zusammengefaßt. Das Bild der Kläranlage zeigt die besondere bauliche Anordnung in einem vollkommen geschlossenen Baukörper (Abb. 8). Bei der Verfahrenstechnik (Abb. 9) handelt es sich um einen Biostyr, also einen Reaktor mit schwimmendem Festbettmaterial, in dem vorgeschaltet denitrifiziert wird. Die gesamte Anlage umfaßt auch die Vorreinigung inklusive der Vorfällung sowie eine Nachreinigung aufgrund der Anforderungen an die Ablaufqualität, die über die Mindestanforderungen hinausgeht. Abbildung 8: Kläranlage Herford - Lageplan Seite 10 / 19

11 Abbildung 9: Kläranlage Herford - Schemaplan - Seite 11 / 19

12 Kläranlage Ahlen Als weiteres Beispiel sei die Kläranlage der Stadt Ahlen genannt. In dieser Festbettanlage wird ein Teilstrom des zufließenden Abwassers gereinigt. Ein weiterer Teilstrom bleibt in der vorhandenen Belebungsanlage, so daß diese ebenfalls die geforderte Reinigungsleistung erreicht. Die technischen Daten finden sich in Tabelle 4. Tabelle 4: Auslegungsdaten Ahlen Abbildung 10: Kläranlage Ahlen - Lageplan Im Lageplan wird noch einmal deutlich, wie klein Festbettanlagen im Vergleich zum System Belebungsbecken-Nachklärbecken sein können (Abb. 10). Dem Verfahrensschema (Abb. 11) ist zu entnehmen, daß es sich bei der Festbettanlage in Ahlen um eine zweistufige Anlage handelt. Die erste Stufe bildet ein nicht belüfteter Biofor und die zweite Stufe ein belüfteter Biofor. Die beiden Festbettreaktoren werden nacheinander durchflossen und der Ablauf der belüfteten Stufe wird rezirkuliert. Seite 12 / 19

13 Abbildung 11: Kläranlage Ahlen - Schemaplan Auch diese Anlage ist seit Anfang 1998 in Betrieb. Die Anforderungen an die Reinigungsleistung liegen auch hier höher als es durch die Mindestanforderungen vorgegeben ist. Seite 13 / 19

14 Kläranlage Lemgo Als letztes Beispiel sei auf die Kläranlage Grevenmarsch der Alten Hansestadt Lemgo eingegangen. Dabei handelt es sich wieder wie im Fall Rostock um eine nachgeschaltete Anlage. Die Auslegungsdaten der Kläranlage enthält die Tabelle 5. Im Lageplan (Abb. 12) ist die Anordnung der Festbettreaktoren auf dem Gesamtgelände zu erkennen. Tabelle 5: Auslegungsdaten Lemgo Abbildung 12: Kläranlage Lemgo - Lageplan Ursprünglich sollte auf diesem Standort lediglich eine konventionelle Filteranlage errichtet werden. Das Verfahrensschema (Abb. 13) zeigt, daß es sich hier um eine dreistufige Anlage handelt. Die erste Stufe ist belüftet und dient der Restnitrifikation, weil die bestehende Belebungsanlage nicht immer den zu garantierenden Grenzwert von 3 mg NH 4 -N/l einhalten kann. In der zweiten Stufe wird mit Methanolzugabe denitrifiziert und in der dritten Stufe, einem konventionellen Mehrschichtfilter, erfolgt eine zusätzliche Feststoffentnahme und eine weitere Reduzierung des Phosphorgrenzwertes. Seite 14 / 19

15 Abbildung 13: Kläranlage Lemgo - Schemaplan Die Festbettanlage auf der Kläranlage Grevenmarsch ist seit Anfang 1997 in Betrieb. Der Leistungsnachweis wurde durchgeführt und die Anlage wird in der Verantwortung der Abwasser GmbH Lemgo betrieben. In den folgenden Abbildungen werden die Betriebsergebnisse während des Leistungsversuches dargestellt. Die Kläranlage Grevenmarsch wird mit dem maximalen dreifachen Trockenwetterzufluß bei Regenwetter beschickt. Während des Versuchszeitraums wurde aufgrund von Regenereignissen die maximale Zuflußmenge ausreichend oft erreicht. Damit wurde innerhalb des Leistungsnachweises auch der Nachweis für den Regenwetterfall geführt. Die der Festbettanlage vorgeschaltete Belebungsanlage reinigt den größten Teil des Jahres hervorragend, so daß nur geringe oder gar keine Konzentrationen an Ammonium im Ablauf der Nachklärung enthalten sind. Aufgrund dieser Tatsache stellte sich der Leistungsnachweis für die Nitrifikation schwierig. Während des Leistungsnachweises wurde deshalb die Ammoniumkonzentration im Zulauf des Festbettes künstlich erhöht, um die Abnahme möglich zu machen. Die Ammoniumablaufkonzentration darf maximal 3 mg/l betragen. Dies gilt für Temperaturen < 10 C. Die Anlage arbeitet stabil, wenn eine geringe Ammoniumkonzentration im Zulauf zur Festbettanlage sichergestellt werden kann. Dazu genügt das Zentrat aus der Entwässerungszentrifuge. Es stellte sich allerdings heraus, daß die vorgesehene Steuerung der Prozeßluftgebläse in dem Fall nicht ausreichend war, wenn bei Regenwetter ein schneller Anstieg der Zulaufwassermenge, verbunden mit dem Verdrängen des Vorklärbeckeninhaltes mit relativ hohen Ammoniumkonzentrationen durch die Kläranlage zusammentraf. Die Gebläse waren so eingestellt, daß in Abhängigkeit von der Sauerstoffkonzentration im Überstau, möglichst wenig Strom verbraucht wird. Erst durch die Hinzuführung einer übergeordneten Regelung, welche den Anstieg der zulaufenden Abwassermenge berücksichtigt, konnte sichergestellt werden, daß die Regelung der Kompressoren ausreichend schnell erfolgte. Keinerlei Probleme bereitete die nachgeschaltete Denitrifikation mit Methanol. Nachdem die Nitratfrachtbildung meßtechnisch möglich war, konnte in Abhängigkeit von der Nitratfracht Methanol dosiert werden und der gewünschte Nitratablaufwert eingestellt werden. Bei der erzielten Ablaufkonzentration gab es keine Erhöhung des CSB-Wertes. Probleme mit Nitritbildung konnten durch Änderung der Dosierung gelöst werden. In den Abbildungen 14 bis 19 sind Ergebnisse im Rahmen des Leistungsnachweises dargestellt. Nach Inbetriebnahme der Anlage wurden auf Anhieb - bis auf eine Ausnahme - alle garantierten Leistungen eingehalten. Es darauf hinzuweisen, daß die Leistungsfahrt bei Seite 15 / 19

16 Temperaturen um und unter 10 C begann. Bei einem starken Anstieg der Zulaufwassermenge zur Festbettanlage und dem beschriebenen Ammoniumstoß konnten die Garantiewerte erst nach einer Optimierungsphase eingehalten werden. Abbildung 14: Kläranlage Lemgo - Zulauffracht - Abbildung 15: Kläranlage Lemgo - CSB - Abbildung 16: Kläranlage Lemgo - P ges - Seite 16 / 19

17 Abbildung 17: Kläranlage Lemgo - NO 3 -N Abbildung 18: Kläranlage Lemgo - NH 4 -N - Abbildung 19: Kläranlage Lemgo - NH 4 -N, optimiert - Seite 17 / 19

18 Nachdem also durch den Leistungsnachweis gezeigt wurde, daß die ausgeschriebene Reinigungsleistung erzielt wurde und damit die Garantiewerte in diesem Bereich erfüllt wurden, stellte sich die Frage nach der Wirtschaftlichkeit der Anlage. Wie bereits ausgeführt, sind Festbettanlagen im Investitionsbereich in Abhängigkeit von den Randbedingungen durchaus konkurrenzfähig zu konventionellen Lösungen. Unklar war in der Vergangenheit, ob die Reinigungsleistung eingehalten werden kann und ob dies unter wirtschaftlichen Bedingungen möglich ist. Es besteht kein Zweifel, daß die Einhaltung der üblichen Reinigungsziele mit Festbettanlagen im allgemeinen durchaus möglich ist. Es bleibt die Frage nach den Betriebskosten. Die wesentlichen Betriebskosten, die hier betrachtet werden müssen, sind die Personalkosten, die Energiekosten und die Kosten für Betriebsmittel und die Instandhaltung. Ergebnisse über die Instandhaltungskosten liegen bisher zwangsläufig noch nicht vor. Da sich die mechanische und elektrische Ausrüstung von Festbettanlagen allerdings nur unwesentlich von derjenigen, die ansonsten in der Abwassertechnik eingesetzt werden unterscheidet, dürften hier kaum wesentliche Unterschiede zu suchen sein. Im Hinblick auf die Personalkosten können auf den bestehenden Kläranlagen Aussagen bisher in der Form gemacht werden, daß ein überproportionaler Zuwachs an Personalaufwendungen nicht gesehen wird. Dies gilt auch im Hinblick auf die Qualifikation des Betriebspersonals. An dieser Stelle muß darauf hingewiesen werden, daß die Anforderungen an die Qualifikation nicht höher sein dürften als beim Betrieb eines konventionellen Filters oder beim Betrieb einer Kaskadenbelebung. Bleiben die Energie- und Betriebsmittelkosten. Im Falle der Kläranlage Lemgo waren diese Kosten zu garantieren. Während der Leistungsfahrt wurden diese Daten erfaßt. Sie sind in der Tabelle 6 zusammenfassend aufgeführt. Tabelle 6: Betriebskosten KA Lemgo, Leistungsnachweis Seite 18 / 19

19 4. Abschluss Die neue Technologie der Abwasserreinigung in Festbettreaktoren hat auch in Deutschland Anwendung gefunden. Die ersten Kläranlagen sind seit kurzem in Betrieb. Die gewünschte Reinigungsleistung wird erzielt und es hat den Anschein, daß auch die Betriebskosten im bekannten Rahmen liegen. In ein bis zwei Jahren dürften auch die Fragen beantwortet werden können, die einen längeren Betrieb einer Reihe von Anlagen notwendig machen. Die Vielseitigkeit des möglichen Einsatzes, vor allem im Rahmen bestehender Kläranlagen, erlaubt interessante und günstige Lösungen. Diese Technologie wird deshalb auch weiter eingesetzt werden. Ergänzend sollte erwähnt werden, daß zwischen den ersten Anlagen und denjenigen, die heute konzipiert werden, ein deutlicher technologischen Unterschied besteht. Die Wettbewerbssituation wird dazu führen, daß Festbettreaktoren noch effizienter werden. Autor: Dr. Michael Gassen c/o Hydro-Ingenieure GmbH Stockkampstr Düsseldorf Seite 19 / 19