Überschussschlammanfall Einflussgrößen, Kennzahlen, Bilanzen, Plausibilitätsprüfung

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1 Überschussschlammanfall Einflussgrößen, Kennzahlen, Bilanzen, Plausibilitätsprüfung Prof. Dr. Otto Nowak Professur für Industriewasserwirtschaft Technische Universität Dresden & NOWAK ABWASSERBERATUNG Ingenieurbüro in Eisenstadt

2 Vorklärung entfernt ca. 1/3 der org. Stoffe (CSB, BSB 5 ), mehr nicht-abbaubaren als abbaubare Feststoffe. ÜS-Anfall von Belebungsanlagen mit Vorklärung nur ca. 1/2 so groß wie von Anlagen ohne Vorklärung. Inhalt des Vortrags: - Fraktionen des Überschussschlamms - (Klär-)Schlammanfall von Belebungsanlagen - mit simultaner aerober Schlammstabilisierung bzw. - mit Vorklärung und beheizter Schlammfaulung Angaben zu spez. Schlammproduktion in g/(ew d): Nach umfangreichen Untersuchungen von den Zuläufen österreichischer kommunaler Kläranlagen: Basierend auf 60 g BSB 5 /(EW d) 110 g CSB/(EW.d)

3 Belebungsanlage mit gleichzeitiger (= simultaner) aerober Schlammstabilisierung MECHANISCHE REINIGUNG Rechen Sandfang anaerob BIOLOGISCHE REINIGUNG Belebungsbecken Nachklärbecken anoxisch SCHLAMMBEHANDLUNG Eindickung Schlammlagerung (ggf. Entwässerung)

4 Belebungsanlage mit getrennter Schlammstabilisierung z.b. mit Vorklärung und beheizter Schlammfaulung MECHANISCHE REINIGUNG BIOLOGISCHE REINIGUNG Rechen Sandfang Vorklärung Belebungsbecken anaerob Nachklärbecken anoxisch aerob SCHLAMMBEHANDLUNG Schlammfaulung + Gasverwertung Nacheindickung Schlammentwässerung Voreindickung

5 Fraktionen des Überschussschlamms Schlammproduktion Einteilung d. Schlammproduktion v. Belebungsanlagen Wichtig: Analyse d. org. Anteils (als Glühverlust GV [%]) von Schlämmen über Glührückstand (GR) Hier wird zunächst unterschieden in Organischer Überschussschlammanfall... Anorganischer Überschussschlammanfall - mineralische (anorganische) Stoffe, die mit dem Zulauf in die Belebungsanlage gelangen - Fällschlamm zufolge Phosphatfällung

6 Anorganischer Überschussschlammanfall Mineralische Stoffe aus dem Zulauf vor allem bedingt durch Abschwemmungen aus der Fläche mehr bei Mischkanalisationen, insbesondere bei sehr weitgehender Mischwasserbehandlung allenfalls auch aus Industriebetrieben generell zwischen 15 und 30 g TS/(EW d) Fällschlamm zufolge Phosphatfällung im Zulauf ca. 1,7 g P/(EW d), davon ca. 0,6 g in Biomasse ca. 1,1 g P/(EW d) durch chem. Fällung zu entfernen Ohne Bio-P bei Fällung mit Fe: 7,5 mit Al: 6 g TS/(EW d) generell zwischen 3 und 8 g TS/(EW d)

7 Anorganischer Überschussschlammanfall Insgesamt: Spezifische Überschussschlammfracht an anorganischen Feststoffen aus dem Zulauf: Fällschlamm aus der P-Fällung: Anorg. Überschussschlammfracht gesamt: 15 bis 30 g TS/(EW d) 3 bis 8 g TS/(EW d) 18 bis 38 g TS/(EW d) Anorg. ÜS-Fracht liegt in einer großen Bandbreite, weil unabhängig v. org. Zulauffracht (kg CSB/d od. kg BSB 5 /d) Anorg. ÜS-Fracht ist unabhängig vom Stabilisierungsgrad des Schlammes.

8 Die organische Trockensubstanz im Belebtschlamm und somit die organische ÜS-Fracht setzt sich zusammen aus Nicht abbaubare (= inerten ) organische Feststoffe des Zulaufs Organischer Überschussschlammanfall aktiven Mikroorganismen, vornehmlich Bakterien ( ÜS H ) sowie abgestorbenen Mikroorganismen und deren Abbauprodukten ( ÜS P ), die ebenfalls als inert, d.h. nicht weiter abbaubar, anzusehen sind. CSB-Bilanz

9 CSB-Bilanz um ein Belebtschlammsystem OVC CSB XA Systemgrenze CSB zu Belebung CSB ab ÜS CSB CSB zu...csb-fracht im Zulauf der Belebungsanlage CSB ab...csb-fracht im Ablauf der Belebungsanlage OVC...Sauerstoffverbrauch für den Abbau der Kohlenstoffverbindungen (= Kohlenstoffatmung ) ÜS CSB...CSB-Fracht im Überschussschlamm CSB XA...CSB-Fracht, die durch das autotrophe Wachstum der nitrifizierenden Biomasse zufolge Zellsynthese von CO 2 eingetragen wird.

10 CSB-Bilanz Hinweise CSB XA 0,3 NO 3 -N produziert ( = N ox ) Verhältnis CSB/oTS (Bakterienmasse) = 1,42 g CSB/g ots Einschl. inerter organischer Feststoffe des Zulaufs: Verhältnis CSB/oTS (Belebtschlamm) 1,4 g CSB/g ots Ohne inerte organische Feststoffe im Zulauf könnten ÜS H & ÜS P relativ genau aus der abbaubaren CSB-Fracht ( CSB-biol ) über kinetische Parameter ermittelt werden. CSB-biol = ÜS CSB,H + ÜS CSB,P + OVC

11 100% 90% CSB-biol = ÜS CSB,H + ÜS CSB,P + OVC von CSB-biol T = 15 C 80% 70% 60% 50% OVC 40% 30% 20% 10% 0% ÜS CSB,H ÜS CSB,P t TS [d]

12 Org. ÜS-Anfall Belebungsanlagen ohne Vorklärung In kommunalem Abwasser nicht nur abbaubarer CSB, sondern auch nicht abbaubare organische Feststoffe Produktion an organischem Überschussschlamm erhöht sich um diese inerten organischen Feststoffe In der folgenden Abb. der spez. ots-anfall von mehreren Belebungsanlagen ohne Vorklärung, d.h. mit simultaner aerober Schlammstabilisierung, abhängig von Schlammalter Schlammalter umgerechnet auf ein so genanntes Vergleichsschlammalter bei 15 C

13 Org. ÜS-Anfall Belebungsanlagen ohne Vorklärung 50 ARA 1 45 ARA 2 40 ARA 3 (Jahresmittel) 35 ARA 4 (Jahresmittel) g ots/(ew.d) Vergleichsschlammalter (d) Bezugstemp.: 15 C

14 Org. ÜS-Anfall Belebungsanlagen ohne Vorklärung In kommunalem Abwasser nicht nur abbaubarer CSB, sondern auch nicht abbaubare organische Feststoffe Produktion an organischem Überschussschlamm erhöht sich um diese inerten organischen Feststoffe In der folgenden Abb. der spez. ots-anfall von mehreren Belebungsanlagen ohne Vorklärung, d.h. mit simultaner aerober Schlammstabilisierung, abhängig von Schlammalter Schlammalter umgerechnet auf ein so genanntes Vergleichsschlammalter bei 15 C Vergleicht man die Kurve in dieser Abbildung mit der in der vorigen, so fällt auf, dass die Kurve in der vorigen deutlich flacher ist als die Kurve für den spez. ots-anfall von realen Anlagen sehr langsam abbaubarer CSB wird bei Schlammalter > 60 Tagen besser abgebaut als 25 oder 30 Tagen

15 100% 90% CSB-biol = ÜS CSB,H + ÜS CSB,P + OVC von CSB-biol T = 15 C 80% 70% 60% 50% OVC 40% 30% 20% 10% 0% ÜS CSB,H ÜS CSB,P t TS [d]

16 Org. ÜS-Anfall Belebungsanlagen ohne Vorklärung 50 ARA 1 45 ARA 2 40 ARA 3 (Jahresmittel) 35 ARA 4 (Jahresmittel) g ots/(ew.d) Vergleichsschlammalter (d) Bezugstemp.: 15 C

17 Überschussschlammanfall simultane aerobe Schlammstabilisierung Spezifische Überschussschlammfracht an anorganischen Feststoffen aus dem Zulauf: Fällschlamm aus der P-Fällung: 15 bis 30 g TS/(EW d) 3 bis 8 g TS/(EW d) organischen Feststoffen (Biomasse & Zulauf): 30 bis 35 g TS/(EW d) Spezifische Überschussschlammfracht gesamt: 48 bis 73 g TS/(EW d) GV (typischerweise) 45 bis 65 % mit 110 g CSB zu & 5 g CSB ab /(EW d) 105 g CSB entf /(EW d): g ots/(ew d) 0,27 0,33 g ots/g CSB entfernt mit 1,4 g CSB/g ots im ÜS 0,38 0,45 g CSB ÜS /g CSB entf mit CSB entf = CSB ÜS + OVC 0,55 0,62 g OVC/g CSB entf

18 Org. ÜS-Anfall Belebungsanlagen mit Vorklärung CSB-Bilanz um die Belebung von 3 österr. kommunalen Kläranlagen I N P U T O U T P U T CSB zu CSB XA CSB ab ÜS CSB OVC hcsb ÜS CSB / OVC/ ÜS ots [g/(ew. CSB110 d)] [g/(ew. CSB110 d)] [g/(ew. CSB110 d)] /hcsb /hcsb [g/(ew.d)] ARA A % 65% 16 ARA B % 57% 25 ARA C % 64% 16 CSB (= CSB entf ) = CSB zu + CSB XA CSB ab CSB (= CSB entf ) = OVC + ÜS CSB CSB im ges. Rohschlamm (Primär- und Überschussschlamm): ARA B: 61 g CSB/(EW. d); ARA A & C: 65 g CSB/(EW. d)

19 OVC/ CSB [g O 2/g CSB] 0,60 0,55 0,50 0,45 0,40 0,35 0,30 0,25 0,20 0,15 0,10 0,05 0,00 Belebungsanlagen mit Vorklärung Versuchsanlage Dresden-Kaditz (CSB ÜS = CSB OVC) VA1 (Vaer/V = 0,57-0,63) VA2 (Vaer/V = 0,57-0,63) VA1 (Vaer/V = 0,40-0,45) VA2 (Vaer/V = 0,40-0,45) Regr. (Vaer/V = 0,57-0,63) Regr. (Vaer/V = 0,40-0,45) "Vergleichsschlammalter" (d) Basistemp.: 15 C

20 Org. ÜS-Anfall Belebungsanlagen mit Vorklärung Erkenntnisse aus den Versuchen an der KA Dresden-Kaditz: Bei großem unbelüftetem Volumsanteil mehr ÜS-Anfall weniger Sauerstoffverbrauch OVC weniger Energie weniger Bakterienzerfall mehr Nitrifikanten Spez. ots-fracht im ÜS von Belebungsanlagen mit Vorklärung und Nährstoffentfernung (Schlammalter ca. 20 Tage): CSB ÜS = 35% bis 50% von CSB entfernt spez. ots-fracht in ÜS: 15 bis 25 g ots/(ew. d) Keine Aussage über anorganischen ÜS-Anfall möglich!

21 Spez. ots-anfall im Faulschlamm [g CSB bzw. g ots/(ew.d)] von 9 österr. Belebungsanlagen mit Vorklärung & Schlammfaulung g ots/(ew.d) bzw. g CSB/(EW.d) CSB-ÜS ots-üs mit 110 g CSB/(EW.d) im Zulauf W1 W2 L E1 E2 T1 T2 T3 T4 Kläranlage 21 17

22 ots-anfall im Faulschlamm (KS ots ) von Belebungsanlagen mit Vorklärung In ausstabilisiertem Schlamm, z.b. Faulschlamm: spez. ots-fracht in stab. Schlamm: 17 bis 21 g ots/(ew. d) teilweise Werte von bis zu 23 g ots/(ew. d): Vermutliche Ursachen: nicht ausgefault / ausstabilisiert hoher Vorabbau im Kanalnetz (CSB-Fracht in das Kanalnetz ist wesentlich größer als CSB-Fracht im Zulauf der Kläranlage)

23 Klärschlammanfall von Belebungsanlagen mit beheizter Schlammfaulung (bzw. mit vollständiger Schlammstabilisierung) Spezifische Klärschlammfracht an anorganischen Feststoffen aus dem Zulauf: Fällschlamm aus der P-Fällung: ausgefaulten organischen Feststoffen: Spezifische Klärschlammfracht gesamt: 15 bis 30 g TS/(EW d) 3 bis 8 g TS/(EW d) 17 bis 21 g TS/(EW d) 35 bis 59 g TS/(EW d) aus diesen Werten: Glühverlust (GV) = 31% bis 54% GV (typischerweise) 35 bis 50 %

24 Bilanzen Plausibilitätsprüfung Überprüfung des ÜS-Anfalls von Belebungsanlagen mit simultaner Schlammstabilisierung CSB-Bilanz nicht verifizierbar, da OVC i.d.regel nicht bekannt CSB ÜS und folglich die ots-fracht im Überschussschlamm mit der CSB-Bilanz alleine nicht überprüfbar Geeignetes Mittel um ÜS-Anfall von Belebungsanlagen mit simultaner aerober Stabilisierung zu überprüfen (verifizieren), Phosphor-Bilanz um die Belebungsanlage über mind. ½ Jahr, besser über 1 Jahr P ÜS = P zu - P ab

25 Phosphor-Bilanz um ein Belebtschlammsystem Systemgrenze P zu Belebung P ab P ÜS P zu...phosphorfracht im Zulauf der Belebungsanlage P ab...phosphorfracht im Ablauf der Belebungsanlage P ÜS...Phosphorfracht im Überschussschlamm ÜS = ( P zu - P ab ) / (P/TS) P/TS.. Phosphorgehalt im ÜS bzw. Klärschlamm

26 Kombination von CSB-, Phosphor- und Stickstoff-Bilanz um die biologische Stufe N ox = TKN zu TKN ab N ÜS CSB XA 0,3. N ox

27 Überprüfung des Klärschlammanfalls von Belebungsanlagen mit beheizter Schlammfaulung Vorgehensweise wie bei Komb. von CSB-, P- und N-Bilanz bei Belebungsanlagen mit simultaner aerober Stabilisierung

28 Kombination von CSB-, Phosphor- und Stickstoff-Bilanz um eine ARA mit Faulung 4 CSB(CH 4 ) Belebung mit Faulung Belebung mit Faulung Belebung mit Faulung KS KS KS 4 3 KS KS N ox = TKN zu TKN ab N KS CSB XA 0,3. N ox

29 Überprüfung des Klärschlammanfalls von Belebungsanlagen mit beheizter Schlammfaulung Vorgehensweise wie bei Komb. von CSB-, P- und N-Bilanz mit zusätzlich CSB(CH 4 ): OVC = CSB zu + CSB XA CSB ab ÜS CSB CSB(CH 4 ) [kg CSB/d] mit CSB(CH 4 ) = CH 4 / 0,35 Nm³/kg CSB [kg CSB/d] CH 4... Methananfall im Faulgas [Nm³/d] Bestimmung des Methananfalls im Faulgas (CH 4 ): Faulgasanfall unter Abzug des zu messenden CO 2 -Anteils besser, im Falle einer Gasverwertung über ein BHKW: Methananfall über die Stromproduktion abzuschätzen: CH 4 [Nm³] = Strom[kWh] 10 kwh/nm³ Wirkungsgr. elektr

30 Kombination von CSB-, Phosphor- und Stickstoff-Bilanz um eine ARA mit Faulung zur Verifikation OV 4 CSB(CH 4 ) Belebung mit Faulung Belebung mit Faulung Belebung mit Faulung KS 1. KS KS 4 3 KS KS N ox = TKN zu TKN ab N KS CSB XA 0,3. N ox

31 Parameter zur Verifikation der Betriebsdaten von Belebungsanlagen mit beheizter Schlammfaulung ots-anfall im Faulschlamm: KS ots = 17 bis 21 g ots/(ew d), max. 23 g ots/(ew d) Nitratatmung OVD (= 2,86 N D ) [kg O 2 /d]: i.d.regel : OVD 0,55 OVC, max.: OVD 0,65 OVC Verhältnis Sauerzufuhr zu Belüftungsenergie OC/P: OV = OVC OVD + OVN [kg O 2 /d] mit OVN = 4,3 NO x OC = OV c s / (c s c x ) mit c s / (c s c x ) 1,25 OC/P = 1,2 bis 1,7 kg O 2 /kwh bei Oberflächenbelüftung = 1,5 bis 2,1 kg O 2 /kwh bei Druckbelüftung

32 Bei simultaner Stab. selbst bei Schlammalter von 50 d: ÜS ots = KS ots 25 bis 30 g ots/(ew d) Klärschlamm von Anlagen mit Schlammfaulung: Anmerkungen zur Schlammstabilisierung KS ots 17 bis 21 g ots/(ew d) Vermutete Ursache: Unter sauerstofffreien Bedingungen, bei gleichzeitiger Substratzufuhr über den Zulauf nur wenig Abbau organischer Substanz (= Stabilisierung ) Bei getrennter aerober Stabilisierung, d.h. ohne Substratzufuhr, bei Raumtemperatur unter anox. Bedingungen etwa gleicher Stabilisierungseffekt wie im aeroben Milieu! Stabilisierungskriterien (Nikolavcic, 2004): aus heutiger Sicht: spez. Atmungsaktivität 1 mg O 2 /(g ots h) bei 20 C gut stabilisierter Klärschlamm

33 Zusammenfassung (1) Ein hoher spezifischer anorganischer Überschussschlammanfall und Klärschlammanfall ist zu erwarten bei Mischwasserkanalisationen mit Abschwemmungen aus der Fläche bei sehr weitgehender Mischwasserbehandlung und allenfalls bei industriellen Einleitern, wobei das Abwasser zahlreicher Industriebetriebe, insbesondere der Lebensmittelindustrie, allerdings eher gelöste organische Stoffe als anorganische Feststoffe aufweist.

34 Zusammenfassung (2) Ein hoher spez. ots-anfall im ÜS ergibt sich bei niedrigen Temperaturen im Belebungsbecken, geringem Schlammalter, hohem Anteil an unbelüfteten Phasen oder Zonen im Belebungsbecken, allenfalls bei speziellen Industrieeinflüssen, z.b. Fasern aus der Papierherstellung, oder einem hohen Vorabbau im Kanalsystem, weil dann ein wesentlicher Teil der Verschmutzung bereits im Kanal abgebaut bzw. in Feststoffe (Biomasse) eingelagert wird, der spezifische ots-anfall aber auf die Fracht im Zulauf zur Kläranlage bezogen wird.