Prozesswasserbehandlung – notwendiges Übel ... - Die Wasserlinse

4 Die Wasserlinse 2/2005
Prozesswasserbehandlung – notwendiges
Übel oder kostengünstige Alternative?
Die getrennte Prozesswasserbehandlung wird immer öfter als
alternativer und kostengünstiger Weg gegenüber dem Ausbau/
der Erweiterung der gesamten Kläranlage gesehen um den geforderten
Grenzwert an Gesamt N sicher einzuhalten. Welche
Möglichkeiten bietet die Prozesswasserbehandlung? Welche Verfahren
sind möglich? Was ist sinnvoll? Was nicht? Wie steht es
um die Kosten einer solchen Prozesswasserbehandlung? Wie aufwändig
ist der Betrieb einer solchen Anlage? Der folgende Artikel
beschäftigt sich mit der Behandlung von Prozessabwässern,
wie sie im Kläranlagenbetrieb als Schlammwasser/Trübwasser/
Überstandswasser aus der statischen Eindickung, Filtrate, Zentrate
oder Dekantate aus der Schlammentwässerung, sowie Brüden
aus der Schlammtrocknung entstehen.
Durch die anaerobe Behandlung von
Primär- und Sekundärschlämmen,
deren Entwässerung und Trocknung
entstehen Abwässer, sog. Prozesswässer,
mit hohen Ammoniumkonzentrationen
(Konzentrationen von weit über
500 mg/l NH4-N sind üblich, Werte
um 1.000 mg/l NH4-N sind normal).
Diese Abwässer können 15 - 30 %
der gesamten Fracht an Gesamt-N
betragen.
In vielen Fällen findet die Schlammentwässerung
nicht kontinuierlich im
7d/24h Zyklus statt, sondern nur
während der normalen Dienstzeiten,
also maximal 5d/8h.
Wird die Schlammentwässerung also
nicht kontinuierlich betrieben, sondern
nur während der Betriebszeiten, verschiebt
sich das Gesamt N-Verhältnis
deutlich hin zum Prozesswasser und
es entsteht während der Betriebs-/
Entwässerungszeiten ein deutlicher
Anstieg der Gesamt-N Zulauffracht.
Ungeregelter Zulauf der
Prozesswässer
Dies führt im Allgemeinen zu Grenzwertüberschreitungen,
bzw. großen
Problemen im Klärwerksbetrieb (Blähschlamm,
Dominanz von fadenförmigen
Bakterien, O 2-Defizite, Geruchsbelästigung
usw.).
Eine mögliche einfache Alternative
stellt die "Bewirtschaftung" des Prozesswassers
dar. Hierbei werden die
anfallenden Prozesswässer in einem
Stapelbehälter gespeichert und dem
Kläranlagenzulauf verteilt über 24 h
zugegeben. Dieser Betriebszustand ist
mit den Klärwerken vergleichbar die
ihre Schlammentwässerung über 24
Stunden / 7 Tage betreiben.
Vergleichsmäßigung über 24 h
Diese Verfahrensvariante reduziert die
bestehenden Probleme nur, beseitigt
sie aber nicht. Durch das ungünstige
C-N Verhältnis besonders in den
Nachtstunden und am Wochenende
("dünnes" Abwasser) ist die Denitrifikation
aufgrund des fehlenden Substrates
ungenügend.

Diesem Phänomen kann man gezielt
durch die Installation einer CSB-
Online-Messung und einer dementsprechenden
frachtabhängigen Dosierung
des Prozesswassers entgegenwirken.
Zusätzliche Zugabe von ext.
C - Quelle
Oftmals reicht der im Rohabwasser
verfügbare Kohlenstoff aber trotz
einer noch so intelligenten Onlinemessung-
und Steuerung nicht aus,
um die Denitrifikation mit dem nötigen
Substrat (CSB) zu versorgen. Die
Folge ist eine unvollständige Denitrifikation
und u. U. eine Nichteinhaltung
des geforderten Grenzwertes für
Gesamt-N. Eine mögliche Lösung
wäre eine gezielte Dosierung einer
externen C-Quelle (z.B. Essigsäure
oder Methanol) um in Schwachlastzeiten
der CSB-Unterversorgung der
Denitrifikation entgegenzuwirken.
Neben dem zusätzlichen Schlammwachstum/
-anfall, dessen Behandlung
und Entsorgung sind auch die
Chemikalienkosten für die externe Kohlenstoffquelle
nicht zu unterschätzen.
Spätestens jetzt muss die Frage über
den Sinn einer separaten Prozesswasserbehandlung
gestellt werden.
Grundsätzlich werden die Verfahren
zur Prozesswasserbehandlung in drei
große Gruppen unterteilt.
Zum einem die chemisch-physikalischen
Verfahren, den sog. Austreibeverfahren
(Luft- oder Dampfstrippung).
Zum anderen die biologischen Verfahren,
die sich in weitere Untergruppen
Unterteilen lassen:
Biofilmverfahren wie z.B. Festbettreaktoren,
Belebungsverfahren mit fixiertem
bzw. suspendiertem Trägermaterial
(z.B. Terra-N/D-Verfahren), oder
mit suspendierter Biomasse (SBR-Systeme),
sowie weitere teilweise kombinierte
Verfahren. Außerdem unterscheidet
man zwischen kontinuierlichen
und diskontinuierlichen Verfahren.
Die dritte Übergruppe, die chemische
Behandlung (z.B.: MAP-Fällung) spielt
in der Abwasserbehandlung zur heutigen
Zeit sowohl aus wirtschaftlichen
als auch aus verfahrenstechnischen
Gründen eine geringe bis keine Bedeutung
und wird deshalb hier nur
der Vollständigkeit halber erwähnt.
Bei den chemisch-physikalischen-Verfahren
wird das Prozesswasser in der
Regel einer Vorbehandlung unterzogen.
Im ersten Schritt müssen Feststoffe
und organische Verbindungen
entfernt werden, danach wird der geeignete
pH-Wert durch Zugabe von
Kalkmilch oder Natronlauge einge-
stellt. Die eigentliche Entfernung des
Stickstoffs geschieht über sog. Füllkörperkolonnen,
über die das vorbehandelte
Prozesswasser verrieselt wird
und im Gegenstrom mit Luft oder
Dampf begast wird. Bei diesem Vorgang
wird der Ammoniumstickstoff
aus dem Prozesswasser als Ammoniak
im Abgas gelöst. Das Abgas wird je
nach Verfahren in mehreren Schritten
gereinigt.
Bei der Luftstrippung wird das Abgas
über eine saure Wäsche mit Schwefelsäure
gereinigt, das gereinigte Gas
wird im Kreislauf erneut der Strippkolonne
zugeführt. Als Endprodukt entsteht
Ammoniaksulfat.
Bei der Dampfstrippung wird eine Aufkonzentrierung
des Ammoniaks durch
Brüdenkondensation und Teilrückführung
in die Strippkolonne erreicht.
Das Endprodukt ist Ammoniakwasser.
Bei den chemisch-physikalischen Verfahren
ist der apparative Aufwand –
und dadurch die Investitionskosten –
nicht unerheblich. Ebenfalls muss bedacht
werden, dass der Einsatz der
Chemikalien (Kalkmilch, bzw. Natronlauge
und Schwefelsäure) den
Schwankungen des Marktes unterliegt
und hier erhebliche Kostensteigerungen
auf der Betriebsmittelseite
möglich sind. Auch die energetische
Seite, besonders bei der Dampfstrippung,
muss berücksichtigt werden.
Die Entsorgung des Endproduktes
(Ammoniaksulfat oder Ammoniakwasser)
kann unter Umständen auch
eine sehr kostenintensive Position sein,
bzw. werden. Die bei der Vorbehandlung
anfallenden Schlämme müssen
ebenfalls entsorgt werden. Auch muss
man erwähnen, dass es sich bei den
Austreibeverfahren um ein – für den
Kläranlagenbetreiber – neues Verfahren
handelt, deren Regelparameter
und Verfahrenstechnik nicht viel mit
den auf der Kläranlage bekannten
Techniken zu tun haben.
Strippung mit saurer Wäsche
Die biologischen Verfahren unterscheiden
sich im Grunde nur durch
verfahrens- bzw. anlagentechnische
Unterschiede, primär kommen in
allen derzeit großtechnisch laufenden
Verfahren die selben biologischen
Prozesse zur Geltung. Zum einen die
Nitrifikation, zum anderen die Denitrifikation.
Aufgrund der speziellen Zusammensetzung
der Prozesswässer wie zum
Beispiel:
der hohe Stickstoffanteil,
der geringe biologisch
verfügbare Kohlenstoff (schlechtes
C-N-Verhältnis),
der zum Teil hohe pH-Wert
(bei Eisen-Kalk-Konditionierung
auf der Kammerfilterpresse),
die im Verhältnis zur Stickstoffbelastung
geringe Säurekapazität
die höheren Temperaturen
erfordert die Behandlung dieser
Prozesswässer spezielle Verfahren die
eine Reinigung gewährleisten.
Eines der primären Probleme stellt
die auf Grund der hohen Konzentration
an Stickstoff vorzuhaltenden Nitrifikanten
dar. Die Nitrifikanten sind
Flockenbewohner und siedeln sich
in einer normalen Belebungsbiologie
auf den Flocken an. In der Nitrifikation
einer Prozesswasserbelebung fehlen
die flockenbildenden Bakterien
jedoch völlig, das heißt die nitrifizierenden
Bakterien werden mit der Zeit
ausgeschwemmt und die Nitrifikationsleistung
bricht völlig zusammen.
Um dem entgegenzuwirken und die
Nitrifikanten im System zurückzuhalten,
sind folgende Verfahren zum
heutigen Zeitpunkt in der Erprobung
bzw. im großtechnischen Einsatz:
Belebungsverfahren mit suspendiertem
oder fixiertem Trägermaterial (z.B.
Terra-N/D-Verfahren), Membranfilteranlagen
und als Vertreter der diskontinuierlichen
Verfahrensweise die SBR-
Anlagen, auch die Festbettanlagen
müssen erwähnt werden.
Weiter muss zwischen kombinierten
und getrennten Verfahren differenziert
werden. Bei kombinierten Verfahren
findet sowohl die Nitrifikation als auch
die Denitrifikation im selben Bioreaktor
statt. Bei getrennten Verfahren
wird die Nitrifikation räumlich getrennt
von der Denitrifikation betrieben (z.B.
Terra-N/D-Verfahren).
Terra-N/D - Verfahren
(getrenntes Verfahren mit suspendiertem
Trägermaterial)
Ein Vorteil der getrennten Fahrweise
stellt eine mögliche höhere Raumbelastung
des Bioreaktors (Biozinöse
mit "Spezialisten") und eine an die
Kläranlage angepasste Fahrweise (z.B.
Außerbetriebnahme der Denitrifikation
in den Wintermonaten) und / oder
die gezielte Nitritation (=Nitrifizierung
nur zum Nitrit Kostenreduzierung
an Strom für Belüftung und in der
anschl. Denitrifikation Einsparung bei
der C-Quelle) dar.
Nitrifikation:
NH 4 + + 2 O2
NO 3 - + 2 H + + H2 O
Im Vergleich hierzu die Nitritation:
NH 4 + + 1½ O2
NO 2 - + 2 H + + H2 O
(summarisch dargestellte Reaktionsgleichungen)
Der Abnahme der Säurekapazität
während der Nitrifikation/Nitritation
(Entstehung von H +-Ionen) muss
mit pH-Stabilisierung durch Kalkmilch
oder Natronlauge entgegengewirkt
werden. Bei der Nitritation
entsteht ca. 1/3 weniger H +, d.h. es
muss weniger Natronlauge, bzw. Kalkmilch
zudosiert werden. Bei kombinierten
Verfahren mit Denitrifikation
senkt sich der Verbrauch an Kalkmilch,
bzw. Natronlauge deutlich, da die bei
der Denitrifikation gewonnene Säurekapazität
deren Abnahme bei der
Nitrifikation entgegenwirkt (H + -Verbrauch).
Sollte im vorrausgegangenen
Schritt die Oxidation nur bis zum
Nitrit (Nitratation) erfolgt sein, verringert
sich in der Denitrifikation der
Verbrauch an Kohlenstoff ungefähr
um ein Drittel.
Denitrifikation:
4 NO 3 - + 5 C + 4 H +
Denitritation:
6 NO 2 - + 5 C + 4 H +
2 N 2 + 5 CO 2 + 2 H 2 O
3 N 2 + 5 CO 2 + 2 H 2 O
(summarisch dargestellte Reaktionsgleichungen)
Bei getrennten Verfahren kann durch
geschickte Verfahrenstechnik (z.B.
Rückführung des denitrifizierten Prozesswassers
in den Zulauf der Nitrifikation)
der Verbrauch an Kalkmilch
oder Natronlauge ebenfalls deutlich
gesenkt werden.
Bei beiden Verfahren, der getrennten
und kombinierten Behandlung der
Prozesswässer muss eine externe C-
Quelle zur Denitrifikation zugegeben
werden, da der Kohlenstoff aus dem
Prozesswasser biologisch nur schwer
verfügbar ist und zudem in seiner
Konzentration zu gering ist.
Grundsätzlich kann gesagt werden,
je vielfältiger eine Prozesswasseranlage
betrieben werden kann, um so
größer sind die Vorteile sowohl wirtschaftlich,
als auch verfahrentechnisch
für den sicheren und stabilen
Betrieb der Kläranlage. Die Kosten
einer biologischen Prozesswasserbehandlung
sind sehr stark von den örtlich
vorhandenen Gegebenheiten auf
dem Klärwerk abhängig. Können zum
Beispiel vorhandene ungenützte, bzw.
leerstehende Beckenvolumina für die
Prozesswasserbehandlung genutzt
werden, so reduzieren sich die Investitionskosten
deutlich. Ist nur ein Defizit
bei der Nitrifikation auf dem
Klärwerk vorhanden, so können die
Prozesswässer im ersten Teilschritt in
einer Prozesswassernitrifikation behandelt
werden und im zweiten Schritt der
Hauptstromdenitrifikation zugegeben
werden – dies spart Investitions- und
Betriebskosten. Ebenfalls können örtlich
anfallende Reststoffe wie zum Beispiel
Abwässer mit hohen CSB Gehalten
z.B. aus der Lebensmittelindustrie
als C-Quelle für die Denitrifikation
genutzt werden. Saubere "Abfalllaugen"
können zur pH-Stabilisierung
der Nitrifikation verwendet werden.
Lesen Sie in der nächsten
Ausgabe zu diesem Thema:
Pfiffiges kostengünstiges
Konzept der Prozesswas-
serbehandlung auf die je-
weiligen Bedürfnisse der
Kläranlage zugeschnitten
Autor:
Projektleiter N-Verfahren
Andreas Zacherl
SÜD-CHEMIE AG
Abwasserbehandlung und Anlagentechnik
Ostenriederstr. 15
D-85368 Moosburg
Tel.: +49 (0)8761/82-612
Fax.: +49 (0)8761/82-633
Em@il: andreas.zacherl@sud-chemie.com
www.sud-chemie.com
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