Siedlungswasserwirtschaft Vorlesung 24.05.2006 Dipl.-Ing. Pamela Meyer Quelle: Stadt Münster, Tiefbauamt 31.05.2006 Folie 1 Teil 2 Biologische 31.05.2006 Folie 2
Gliederung 3. Biologische - Belebungsverfahren 3.1 Grundsätze und Mikroorganismen 3.2 Nitrifikation und Denitrifikation 3.3 Belebungsverfahren 3.4 Phosphor Elimination 31.05.2006 Folie 3 Gliederung 3. Biologische - Belebungsverfahren 3.1 Grundsätze und Mikroorganismen 3.2 Nitrifikation und Denitrifikation 3.3 Belebungsverfahren 3.4 Phosphor Elimination 31.05.2006 Folie 4
Chemische Grundreaktionen Nitrifikation Mikrobiologische Oxidation von Ammonium (NH 4+ ) über Nitrit (NO 2- ) zu Nitrat (NO 3- ) http://home.t-online.de/home/frank.hochrath/schule/bilder 31.05.2006 Folie 5 Chemische Grundreaktionen - Nitrifikation Mikrobiologische Oxidation von Ammonium (NH 4+ ) über Nitrit (NO 2- ) zu Nitrat (NO 3- ) Nitrosomonas: NH 4+ + 1,5 O 2 -> NO 2- + H 2 O + 2H + Nitrobacter: NO 2 + 0,5 O 2 -> NO 3 Gesamtreaktrion: NH 4+ + 2O 2 + 2HCO 3 -> NO 3- + 2CO 2 + H 2 O Voraussetzungen: Nitrosomonas und Nitrobacter sind Nitrifikanten. Nitrifikanten wachsen langsam, brauchen min. 10 C, ph 7,2 8,0 Anwesenheit von freiem Sauerstoff Sauerstoffverbrauch: 4,6 g O 2 /g NH 4 -N Verbrauch an Säurekapazität: 2 mol HCO 3- /mol NH 4 -N 31.05.2006 Folie 6
Einflussfaktoren auf die Nitrifikation Substratkonzentration (NH 4 ) Temperatur Sauerstoffkonzentration ph-wert hemmende Stoffe 31.05.2006 Folie 7 Nitrifikation (nach Gujer, 1999) O 2 BSB 5 BOD NH 4 + NO 3-31.05.2006 Folie 8
Chemische Grundreaktionen Denitrifikation Mikrobiologische Reduktion von Nitrat (NO 3- ) zu Luftstickstoff (N 2 ) http://home.t-online.de/home/frank.hochrath/schule/bilder 31.05.2006 Folie 9 Chemische Grundreaktionen Denitrifikation Mikrobiologische Reduktion von Nitrat (NO 3- ) zu Luftstickstoff (N 2 ) NO 3- + 2 H + + 10 [H] N 2 + 6 H 2 O [H] entspricht Organik (BSB 5 ) Voraussetzungen: Denitrifikanten (Die meisten Bakterien können denitrifizieren.) Nitrat oder Nitrit Abwesenheit von freiem Sauerstoff Organik (BSB 5 ) 31.05.2006 Folie 10
Einflussfaktoren auf die Denitrifikation Nitratkonzentration Substratkonzentration (Energiequelle) Temperatur Sauerstoffkonzentration (Hemmung) ph-wert 31.05.2006 Folie 11 Erforderliche Umweltbedingungen Aerober Abbau von BSB 5 O 2 CSB, BSB 5 het. Biomasse Nitrifikanten NH + 4 NO - 3 NCO - 3 Schlammalter < 5d muss vorhanden sein Nitrifikation Produktion 7 10 d Denitrifikation hemmt Produktion 12 18 d 31.05.2006 Folie 12
Vorgeschaltete Denitrifikation (nach Gujer, 1999) O 2 BSB 5 BOD NH 4 + NO 3-31.05.2006 Folie 13 Gliederung 3. Biologische - Belebungsverfahren 3.1 Grundsätze und Mikroorganismen 3.2 Nitrifikation und Denitrifikation 3.3 Belebungsverfahren 3.4 Phosphor Elimination 31.05.2006 Folie 14
Bau und Betriebsweisen von Belebungsbecken Denitrifikation Nitrifikation Deni. Nitrifi. Deni. Nitrifi. Interne Rezirkulation QRI Rücklaufschlamm QRS Vorgeschaltete Denitrifikation Rücklaufschlamm QRS Kaskadendenitrifikation Denitrifikation Nitrifikation. Nitrifikation oder Denitrifikation Rücklaufschlamm QRS Simultane Denitrifikation Rücklaufschlamm QRS Intermittierende Denitrifikation Denitrifikation org. C Nachbelüftung Nitrifikation Denitrifikation Nitrifikation Rücklaufschlamm QRS Rücklaufschlamm QRS Alternierende Denitrifikation Nachgeschaltete Denitrifikation 31.05.2006 Folie 15 Verfahrensvergleich Denitrifikation Vorgeschaltete Denitrifikation definierte, knappe Beckenvolumina gute Regelbarkeit, hohe Variabilität = kompliziert vornehmlich für größere Anlagen Simultane Denitrifikation große Beckenvolumina, höhere Investitionskosten stabiler, einfacher Betrieb, sehr gute Ablaufwerte vornehmlich für kleinere Anlagen Nachgeschaltete Denitrifikation externe C-Quelle = hohe Betriebskosten sehr gute Ablaufwerte, keine Rezirkulation Anwendung nur in Ausnahmefällen 31.05.2006 Folie 16
Bemessung über das Schlammalter Schlammmasse im System + Schlammentnahme aus dem System Zufluss V BB TS BB Q T,d,aM Abfluss X TS,AN Rücklaufschlamm Überschussschlamm Q ÜS TS ÜS 31.05.2006 Folie 17 Definition des Schlammalters mit: t V BB TS BB QT,d,aM X TS,AN Q ÜS TS ÜS TS = Q d X V BB TS,AN TS + Q BB ÜS TS ÜS = Volumen Belebungsbecken = Feststoffgehalt Belebung = Durchfluss = Feststoffgehalt Ablauf = Überschussschlammfluss = Feststoffgehalt des Überschussschlamms 31.05.2006 Folie 18
Sauerstoffbedarf für die Kohlenstoffatmung in Abhängigkeit von Temperatur (T) und Schlammalter (t TS ) OV d,c = B d,bsb 0,15 FT t (0,56 + 1+ 0,17 F t T TS TS ) 1,6 spez. O 2 -Verbrauch [kg O2/kg BSB5] 1,4 1,2 1 0,8 0,6 0,4 0,2 0 10 12 15 Temperatur [ C] 18 20 4 6 8 25 15 10 Schlammalter [Tage] Ov d,c t TS = Sauerstoffverbrauch Kohlenstoffelimination = Schlammalter 0,56 = Substratatmungskoeffizient F T = 1,072(t-15) 0,15. F T = endogene Atmungsrate 31.05.2006 Folie 19 Sauerstoffbedarf für die Nitrifikation OV d,n = Q d (S 4,3 NO3,D S NO3,ZB 1.000 + S NO3,AN ) 4,3 stöchiometrischer Faktor S NO3,D S NO3,ZB S NO3,D Konzentration des zu denitrifizierenden Nitrates Konzentration des Nitrates Zulauf BB Konzentration des Nitrates Ablauf NK 31.05.2006 Folie 20
Belüftung mit Druckluft Flächenbelüftung Filterrohre Verteilerring für Luft mit Rührkreisel Injektorbelüfter 31.05.2006 Folie 21 Oberflächenbelüfter Kreiselbelüfter circulating umlaufende installation Brückenkonstruktion in Betrieb Mammutrotor 31.05.2006 Folie 22
Oberflächenbelüfter mit vertikaler Achse mit horizontaler Achse 31.05.2006 Folie 23 Nachklärbecken in Abhängigkeit der Durchströmung Horizontal durchströmte Rundbecken Vertikal durchströmte Rundbecken 31.05.2006 Folie 24
Zonen und Tiefen im Nachklärbecken horizontal durchströmtes Rundbecken vertikal durchströmtes Trichterbecken 31.05.2006 Folie 25 Gliederung 3. Biologische - Belebungsverfahren 3.1 Grundsätze und Mikroorganismen 3.2 Nitrifikation und Denitrifikation 3.3 Belebungsverfahren 3.4 Phosphor Elimination 31.05.2006 Folie 26
Foto: Prof. Londong, Weimar Algenpest durch Nährstoffeintrag Phosphorelimination Phosphor ist in Gewässern häufig der limitierende Faktor. Gefahr der Überdüngung und Vermehrung der Biomasse. Die Gewässer können umkippen (Eutrophierung). Verfahren zur Phosphorelimination - Biologisch (Bakterien) - Chemisch durch Fällung 31.05.2006 Folie 27 Phosphorelimination 31.05.2006 Folie 28
Biologische Phosphorelimination 31.05.2006 Folie 29 Biologische Phosphorelimination Konzentrationsverläufe nach Gujer, 1999 Zulauf anaerob anoxisch anaerobic anoxic anoxisch anoxic aerob aerobic X TSS NO 3 - PH 4 CSB ges 31.05.2006 Folie 30
Chemische Phosphorelimination Flockungsversuch mit Klärschlamm Überführung der Phosphate in schwer lösliche Eisen-, Aluminium- oder Kalzium- Verbindungen Abtrennung erfolgt durch Sedimentation Fällmittel und Bedarf nach ATV-A 131 (2000): Eisen Fe 3+ : 2,7 kg Fe pro kg zu fällendem Phosphor Aluminium: 1,3 kg Al pro kg zu fällendem Phosphor Kalk (Kalkmilch): Bedarf richtet sich nach der Säurekapazität. Ort der Fällmittelzugabe definiert die Verfahren Vorfällung Simultanfällung Nachfällung 31.05.2006 Folie 31 Verfahren der chemischen P-Elimination vorgeschaltet simultan nachgeschaltet Zulauf V D V N Nachklärung Vorklärung Reaktionsbecken Nachklärung AblauF Fällmittel precipitant interne Rezirkulation Q Ri Rücklaufschlamm Q RS vorgeschaltet: einfach zu installieren, evtl. P-Mangel im BB, keine biologische P-Elimination, hoher Fällmittelverbrauch 31.05.2006 Folie 32
Verfahren der chemischen P-Elimination nachgeschaltet Zulauf V D V N Nachklärung Vorklärung Reaktionsbecken Nachklärung Ablauf interne Rezirkulation Q Ri Rücklaufschlamm Q RS Fällmittel precipitant nachgeschaltet: bester Wirkungsgrad, hoher Aufwand wegen zusätzlicher Becken 31.05.2006 Folie 33 Verfahren der chemischen P-Elimination precipitant / Fällmittel simultan Zulauf V D V N Nachklärung Vorklärung Reaktionsbecken Nachklärung Ablauf interne Rezirkulation Q Ri Rücklaufschlamm Q RS precipitant / Fällmittel simultan: positiv für Schlammbeschaffenheit, Reduzierung der Blähschlammbildung, Verwendung von kostengünstigem Grünsalz (Fe(II)-Salz) 31.05.2006 Folie 34
Typ Al Fe II Fe III Ca Kalk CaO Kalkhydrat Kalziumhydroxid Ca(OH) 2 Übersicht Fällmittel Bezeichnung, Formel Aluminiumsulfat Al 3 (SO 4 ) 3.18H 2 O Aluminiumchlorid AlCl 3 Polyaluminiumchlorid (Al 2 (OH) n Cl 6 - n ) m AlCl 3 +FeCl 3 nal 2 (SO 4 ) 3. xh 2 O + Fe 2 (SO 4 ) 3. yh 2 O Eisen(II)-Sulfat FeSO 4. 7H 2 O Eisen(III)-Chloridsulfat FeClSO 4 Eisen(III)-Chlorid FeCl 3 fest Lösung Lösung Lösung fest fest Lösung Lösung fest fest Zustand 31.05.2006 Folie 35 Prinzip der biologischen P-Elimination durch Phosphatspeichernde Bakterien Anaerobe Umgebung Anoxisch oder aerobe Umgebung gelöstes Substrat ortho- Phosphat NO - 3 O 2 ortho- Phosphat Energie Energie Zellwachstum Zellwachstum Energie Energie Poly-Substrat Poly-Substrat Poly-Phosphat Poly-Substrat Poly-Phosphat Poly-Phosphat Poly-Phosphat Geändert nach Gujer, 1999 31.05.2006 Folie 36