Kläranlagenoptimierung Studienarbeit. Lehner Tobias WS 06/07

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1 Kläranlagenoptimierung Studienarbeit Lehner Tobias WS 06/07

2 1. Eingabe der Anlage a) b) Einstellen des Modells asm3_swiss.mod Definieren der Anlage: c) 1.Zulauf: o Q1 = 15000m³/d o CSB (375 g/m³ aufgeteilt nach Tabelle aus Tutorial) [g/m³]: Gelöst Inert Substrate 22,5 37,5 Partikulär Inert Substrate ,25 Heterotroph Storage p Nitrifier 33, o Stickstoff: Annahme: TKN = Ammonium => NH4 = 39 g/m³ d) 2. Zulauf (Rückbelastung aus Schlammbehandlung): Gesamtstickstofffracht: m³/d * 6 g/m³ = 90 kg/d NH4-Konzentration im Faulwasser: 1200 g/m³ Q2 = g/d / 1200 g/m³ = 75m³/d

3 Ergebnis der Relaxation: 2. Einstellen der Belebtschlammkonzentration auf 3000 g/m³ Durch eine Erhöhung des Schlammalters von 12 auf 16 Tage pendelt sich die Belebtschlammkonzentration zwischen 2955 und 2995 g/m³ ein.

4 3. State of the plant nach der Integrationsrechnung Reaktor 1: Der gesamte eingeblasene Sauerstoff wird durch BSB-Abbau und Nitrifikation verbraucht. Der Inert-COD-Wert ist geringer als im Zulauf, was aber nur auf Verdünnungseffekte zurückzuführen ist, den inertes CSB ist nicht biologisch abbaubar. Der Substrate-COD-Wert ist im Vergleich zum Zulauf stark gesunken, weil der leicht verfügbare BSB trotz der geringen Belüftung (nur 5/d) schnell von heterotrophen Bakterien verstoffwechselt wird. Der Ammonium-Wert ist noch hoch, weil durch die geringe Belüftung kaum Nitrifikation stattfindet. Der Nitrat-Wert ist wegen der nur in geringem Maße stattfindenden Nitrifikation noch ziemlich klein. Die Alkalinität (Säurepufferungsvermögen) sinkt wegen der bei der Nitrifikation frei werdenden H+Ionen. Reaktor 2: Die Sauerstoffkonzentration liegt konstant bei 2 g/m³, da für die Belüftung dieses Reaktors der O2-Setpoint auf 2 gestellt ist. Der Inert-COD-Wert bleibt gleich dem im vorhergehenden Reaktor, da inertes CSB nicht biologisch abbaubar ist. Substrate-COD ist wegen der Verstoffwechselung durch heterotrophe Bakterien weiter gesunken. Aufgrund der guten Belüftung wird in diesem Reaktor nitrifiziert, weshalb die Ammoniumkonzentration ungefähr im selben Maße sinkt, wie die Nitratkonzentration steigt. Auch hier nimmt die Alkalinität wegen der Säureproduktion bei der Nitrifikation ab. Reaktor 3: Die Konzentrationen von Sauerstoff und inertem CSB bleiben unverändert. Alle anderen Konzentrationen verändern sich gemäß den im zweiten Reaktor festgestellten Tendenzen. Nachklärbecken: Die Konzentrationen im Nachklärbecken sind gleich denen im dritten Reaktor, da in ASIM keine Reaktionen im Nachklärbecken simuliert werden.

5 Ablauf: Die Mindestanforderungen im Ablauf werden nicht eingehalten. Der Grenzwert für Ammonium (5 g/m³) wird zwar eingehalten, aber der Grenzwert für Nitrat (10 g/m³) wird um mehr als 100% überschritten. Der BSB-Abbau funktioniert gut, die Konzentration sinkt von Reaktor zu Reaktor. Auch die Nitrifikation funktioniert gut, die Ammoniumkonzentration sinkt und die Nitratkonzentration steigt. Wegen der Belüftung aller Reaktoren kann die Anlage nur nitrifizieren, für die Denitrifikation muss ein Teil der Anlage unbelüftet bleiben um einen anoxischen Bereich einzurichten. Steigerung der Nitrifikation: Man könnte die ohnehin schon gut funktionierende Nitrifikation der Anlage durch eine Verbesserung der Belüftung geringfügig verbessern. Um die Nitrifikation noch weiter zu optimieren könnte man durch Zugabe von Natronlauge die Alkalinität erhöhen, was aber nicht nötig ist, da bei der ohnehin noch nötigen Denitrifikation die Alkalinität steigt. Steigerung der Denitrifikation: Durch das Ausschalten der Belüftung des ersten Reaktors und den Einbau einer Rezirkulation vom dritten zum ersten Reaktor wird die Anlage mit einer vorgeschalteten Denitrifikation betrieben. Die Belüftung des dritten Reaktors muss ziemlich niedrig eingestellt werden, dass mit der Rezirkulation nicht zu viel Sauerstoff in Reaktor 1 gelangt.

6 Bei dieser Konfiguration der Anlage werden die Mindestanforderungen eingehalten und es kann mit der dynamischen Berechnung begonnen werden. 4. Dynamische Berechnung Um die dynamische Berechnung durchführen zu können muss zuerst eine Variationsdatei erstellt werden, wobei der Faktor laut Individualisierungstabelle auf 1,4 gestellt werden muss. - Inflows: - dissolved species:

7 - particulate species: Ergebnis der dynamischen Berechnung: Wie man in den oben gezeigten Diagrammen sieht steigen die Konzentrationen im Ablauf durch den Faktor 1,4 in der Variationsdatei am ersten Tag der dynamischen Berechnung stark an und haben sich erst nach 30 Tagen Simulationszeit einigermaßen stabilisiert. Um lange dynamische Berechnungen zu vermeiden wird der Faktor 1.4 aus der Variationsdatei entfernt und in die Werte des Plant Files eingerechnet, so dass er schon in der Relaxation und Integration berücksichtigt wird.

8 Variationsdateien ohne Faktor: Plant File mit Faktor 1.4: Ergebnis der Integration:

9 Es fällt auf, dass durch die Verdopplung der Belastung (1,4-fache Wassermenge mit 1,4facher Konzentration = 1,96 Belastung) die Belebtschlammkonzentration auf knapp 8000 g/m³ steigt, ein Wert der für reale Kläranlagen eigentlich zu hoch ist. Bei so hohen Belebtschlammkonzentration wird die Anlage leicht instabil, weil bei einem Ausfall der Belüftung der Restsauerstoff sehr schnell aufgebraucht ist, was ein Massensterben der Bakterienmasse auslöst und das Belebungsbecken wird zum Faulbehälter. Die Belebtschlammkonzentration kann bei gleicher Leistungsfähigkeit der Anlage nur durch eine Vergrößerung der Becken erreicht werden, was auf unserer fiktiven Anlage aus Platzgründen aber nicht möglich ist. Man muss also zum Beispiel die Belüftungsanlagen redundant ausführen um Versorgungsengpässe zu vermeiden. Optimierung: Da die geforderten Ablaufkonzentrationen schon durch die um 40% erhöhten Werte nicht eingehalten werden muss noch vor einer erneuten dynamischen Berechnung weiter optimiert werden. Für diese weiter durchzuführenden Verbesserungen wird die Anlage bei gleich bleibendem Gesamtvolumen in 6 Reaktoren à 1000 m³ aufgeteilt, um die Konzentrationsverläufe genauer nachvollziehen zu können und feinere Einstellungen vornehmen zu können. Das mit Ammonium hoch belastete Faulwasser sollte direkt in eine Nitrifikationszone geleitet werden, weil hier das Ammonium abgebaut wird, deshalb wird der zweite Zulauf in Reaktor 3 eingeleitet. In Reaktor 4 und Reaktor 5 wird der O2-Setpoint auf 3,2 erhöht um die Nitrifikation weiter zu steigern. Um die, durch diese Maßnahmen steigende Nitratkonzentration in den Griff zu bekommen wird die Rezirkulation von Reaktor 6 in Reaktor 1 auf m³/d (< 5* Zulauf) erhöht.

10 Ergebnis der Integration: Durch die oben genannten Maßnahmen werden die geforderten Ablaufkonzentrationen nicht überschritten und es kann eine dynamische Berechnung durchgeführt werden. Nach 30 Tagen dynamischer Berechnung haben sich die Konzentrationen eingependelt, deshalb zeigen die folgenden Diagramme die Ammonium- und Nitratkonzentrationen im Ablauf an den Tagen 31 bis 35. Aufgrund der hohen Ammoniumkonzentration muss die Nitrifikation verbessert werden, hierfür wird dem Zulauf Natronlauge zugegeben um die Alkalinität auf 9 zu erhöhen, außerdem wird die Belüftung in Reaktor 4 und Reaktor 5 auf eine konstante Konzentration von 3,5 g/m³ hochgefahren.

11 Ergebnis nach Integration mit verbesserter Nitrifikation: Vor einer erneuten dynamischen Berechnung ist es sinnvoll auch die Denitrifikationsleistung zu verbessern um auch die maximal zulässige Nitratkonzentration im Ablauf zu unterschreiten. Um die Denitrifikation in Reaktor 1 zu steigern wird dem Zulauf Methanol zudosiert, so dass dort diekonzentration auf 110 g/m³ ansteigt. Zusätzlich wird die Rezirkulation auf m³/d erhöht um mehr Nitrat in Reaktor 1 zur Denitrifikation zu bringen.

12 Ergebnis der dynamischen Berechnung: Da die geforderten Ablaufwerte eingehalten werden kann nun ein Tag mit Spitzenbelastung simuliert werden. Hierfür wird folgende Variationsdatei geladen:

13 Tag mit Spitzenbelastung: Erholungsphase: Auf den Diagrammen oberhalb kann man erkennen, dass die zulässige Ammoniumkonzentration am Tag der Spitzenbelastung überschritten wird, aber schon am nächsten Tag bei Normalbelastung wieder eingehalten wird. Die zulässige Nitratkonzentration wird nur für ca. 1 Stunde am Tag der Spitzenbelastung überschritten. Die Überschreitung der Grenzwerte am Tag der Spitzenbelastung könnte man eventuell durch die Einführung einer Regelung, die die Alkalinität im Becken 3 bei Spitzenbelastungen erhöht vermeiden.

14 Diagramme bei Normalbelastung: - Ammonium- und Nitratkonzentrationen: - O2-Bedarf für Nitrifikation

15 - O2-Bedarf gesamt Im Diagramm für die Ammoniumkonzentration kann man erkennen, dass sie in den ersten drei Reaktoren nahezu gleich ist, und ab Reaktor 4 immer weiter abnimmt. Genau gegenläufig dazu nimmt die Nitratkonzentration von Reaktor 1 bis 3 ab und dann wieder zu. Außerdem erkennt man, dass die höchste Ammoniumkonzentration in den Reaktoren um 12 Uhr auftritt und vom Nachklärbecken zeitlich versetzt um 14 Uhr abgegeben wird. Auch die höchste Nitratkonzentration im Ablauf wird um 14 Uhr abgegeben. O2-Bedarf für die Nitrifikation tritt, wie zu erwarten nur in den Nitrifikationsbecken auf und nimmt von Reaktor 4 nach 6, genauso wie die Nitratkonzentration ab. Zusammenfassung: Man kann mit erheblichem betrieblichem Aufwand die vorgegeben Belastung in dieser Anlage verarbeiten ohne die Beckengrößen zu verändern. In der Realität würde man aber wahrscheinlich wegen der hohen laufenden Kosten das Beckenvolumen vergrößern.