DE19948197A1 - Verfahren zur Behandlung von Abwasser einer biologischen Kläranlage - Google Patents

Abstract

Ein bekanntes Verfahren zum Abbau von Stickstoff-Verbindungen im Abwasser einer biologischen Kläranlage umfaßt eine erste Behandlungsstufe, bei der dem Abwasser ein sauerstoffhaltiges Gas in Abhängigkeit eines vorgegebenen O¶2¶-Sollwertes für den Sauerstoffgehalt im Abwasser geregelt zugeführt wird, wobei das im Abwasser enthaltende Ammonium unter Bildung von Nitraten oxidiert wird, und eine zweite Behandlungsstufe, bei der die Nitrate unter Bildung von gasförmigem Stickstoff eliminiert werden. Um hiervon ausgehend bei gleichbleibend hoher Betriebssicherheit den Sauerstoffbedarf bei der Abwasserreinigung zu verringern und damit die Betriebskosten zu senken, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß der Ammonium-Gehalt oder eine damit korrelierbare Eigenschaft des Abwassers fortlaufend gemessen, und der O¶2¶-Sollwert in Abhängigkeit vom gemessenen Ammonium-Gehalt vorgegeben wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Behandlung von Abwasser einer biologischen Kläranlage, umfassend eine erste Behandlungsstufe, bei der dem Abwasser ein sauerstoffhaltiges Gas in Abhängigkeit eines vorgegebenen O₂-Sollwertes für den Sauerstoffgehalt im Abwasser geregelt zugeführt wird, wobei im Abwasser enthaltende Ammonium- Verbindungen unter Bildung von Nitraten oxidiert werden, und eine zweite Behandlungsstufe, bei der die Nitrate unter Bildung von gasförmigem Stickstoff aus dem Abwasser entfernt werden.

Im Rahmen der Reinigung kommunaler und industrieller Abwässer ist unter anderem auch eine weitgehende Eliminierung von Stickstoffverbindungen erforderlich. Ein dafür geeignetes Verfahren ist unter der Bezeichnung "Biox-N-Verfahren" in der Produktinformationsschrift "Gas aktuell 48, Berichte aus Forschung und Technik" der Messer Griesheim GmbH (Ausgabe 9124/VII; 1994) beschrieben. Bei diesem Verfahren werden die im Belebtschlamm von Kläranlagen enthaltenen Stickstoffverbindungen in zwei Behandlungsschritten abgebaut. Im ersten Schritt - als Nitrifikation bezeichnet - werden Ammonium (NH₄ ⁺)-haltige Verbindungen durch spezielle aerobe Mikroorganismen (sogenannte "Nitrifizierer") zu Nitraten oxidiert. Dieser Behandlungsschritt läßt sich schematisch anhand folgender Reaktionsgleichungen beschreiben:

2NH₄ ⁺ + 3O₂ → 2NO₂ ^- + 4H⁺ + 2H₂O

2NO₂ ^- + O₂ → 2NO₃ ^-

Für die Nitrifikation ist Sauerstoff erforderlich; konkret werden für die Umsetzung von 1 g NH₄ ⁺-Ionen 4,6 g O₂ benötigt. Zur Beschleunigung des Vorganges wird dem Belebtschlamm Sauerstoff künstlich zugeführt. Durch eine geeignete Regelung kann der Sauerstoffgehalt auf einem vorgegebenen O₂-Sollwert gehalten und eine ausreichende Sauerstoffversorgung der Mikroorganismen gewährleistet werden. Die Höhe des O₂-Sollwertes hängt von einer Vielzahl von Parametern, wie beispielsweise Art und Umfang der zu erwartenden Schmutzfracht ab und kann sich von Kläranlage zu Kläranlage unterscheiden. Üblicherweise wird der Sauerstoffgehalt bei einem O₂-Sollwert von etwa 2 mg/l (mg pro Liter Abwasser) gehalten.

Der zweite Behandlungsschritt wird als "Denitrifikation" bezeichnet. Dabei nutzen die herkömmlichen kohlenstoffabbauenden Bakterien unter anaeroben Bedingungen das im Abwasser vorhandene Nitrat als Sauerstoffquelle. Der verbleibende gasförmige Stickstoff entweicht in die Atmosphäre. Die "Denitrifikation" läßt sich anhand folgender chemischer Gleichung beschreiben:

2NO₃ ^- + 10H → N₂↑ + 2OH^- + 4H₂O

Das bekannte Verfahren ist für die Eliminierung von Stickstoff sehr gut geeignet und es zeichnet sich durch hohe Betriebssicherheit aus. Für die Sauerstoffversorgung der Mikroorganismen während der ersten Behandlungsstufe wird üblicherweise technischer Sauerstoff verwendet.

Daraus ergibt sich ein wesentlicher Teil der Betriebskosten bei dem bekannten Behandlungsverfahren.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, bei gleichbleibend hoher Betriebssicherheit den Sauerstoffbedarf bei der Abwasserreinigung zu verringern und damit die Betriebskosten zu senken.

Diese Aufgabe wird ausgehend vom eingangs genannten Verfahren erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Ammonium-Gehalt oder eine damit korrelierbare Eigenschaft des Abwassers fortlaufend gemessen, und der O₂-Sollwert in Abhängigkeit vom gemessenen Ammonium-Gehalt vorgegeben wird.

Das erfindungsgemäße Verfahren umfaßt einen ersten und einen zweiten Regelmechanismus. Durch den ersten Regelmechanismus wird die Zufuhr von Sauerstoff zum Abwasser in Abhängigkeit von einem vorgegebenen O₂-Sollwert geregelt. Regelgröße ist demnach der Sauerstoffgehalt im Abwasser. Beim zweiten Regelmechanismus wird der O₂-Sollwert für den Sauerstoffgehalt im Abwasser in Abhängigkeit vom Ammonium-Gehalt des Abwassers geregelt. Regelgröße ist hierbei der O₂-Sollwert. Dieser ist beim erfindungsgemäßen Verfahren somit keine konstante Größe, sondern eine Variable, die durch den im Abwasser gemessenen Ammonium-Gehalt vorgegeben und dementsprechend im Rahmen des ersten Regelmechanismus verwendet wird.

Mit dieser Verfahrensweise läßt sich der Sauerstoffeintrag in das Abwasser dem aktuellen Bedarf für die Nitrifikation anpassen. Es hat sich gezeigt, daß die Nitrifikationsgeschwindigkeit vom Sauerstoffgehalt des Abwassers abhängt. Daher kann insbesondere in Schwachlastzeiten, beispielsweise während der Nacht, der Sauerstoffgehalt im Abwasser ohne weiteres abgesenkt werden, mit der Maßgabe, daß die Absenkung in Abhängigkeit vom Ammonium-Gehalt des Abwassers erfolgt. Je geringer der Ammonium-Gehalt des Abwassers ist, umso niedriger kann der Sauerstoffgehalt - und damit einhergehend, der O₂-Sollwert eingestellt werden. Erfindungsgemäß wird daher der O₂-Sollwert nicht konstant - wie bei dem bekannten Verfahren - sondern variabel vorgegeben. Dadurch ist es möglich, den Sauerstoffverbrauch für die Abwassereinigung ohne erkennbare Beeinträchtigung der Reinigungswirkung zu verringern und dementsprechend die Betriebskosten zu senken.

Der O₂-Sollwert wird in Abhängigkeit vom Ammonium-Gehalt vorgegeben. Zur Ermittlung des Ammonium-Gehalt wird dieser entweder unmittelbar im Abwasser gemessen, oder es wird eine mit dem Ammonium-Gehalt korrelierbare Eigenschaft des Abwassers gemessen. Im letztgenannten Fall kann beim Regelmechanismus für den O₂- Sollwert als Stellgröße anstelle des Ammonium-Gehaltes auch die entsprechende korrelierbare Eigenschaft des Abwassers verwendet werden. Die Messung kann kontinuierlich oder nach Zeitintervallen erfolgen.

Das zu behandelnde Abwasser durchläuft die erste und die zweite Behandlungsstufe mindestens einmal. Es kann die Behandlungsstufen auch mehrfach, beispielsweise im Kreislauf, durchlaufen.

Vorzugsweise wird für die Einstellung des O₂-Sollwertes eine Untergrenze von 0,5 mg/l vorgegeben. Diese Vorgabe dient der Betriebssicherheit des Verfahrens, da bei Sauerstoffgehalten unterhalb dieser Untergrenze die Kultur der aeroben Mikroorganismen und die Effektivität der Abwasserreinigung beeinträchtigt werden könnte.

Als Obergrenze für den O₂-Sollwert wird bevorzugt ein Wert von 3 mg/l, vorgegeben. Zwar kann der optimale Sauerstoffgehalt m Hinblick auf die Effektivität der Abwasserreinigung auch über diesem Wert liegen. Die angegebene Obergrenze dient jedoch der Senkung der Betriebskosten, wenn die Kosten für die Aufrechterhaltung eines höheren Sauerstoffgehaltes nicht mehr durch eine entsprechende Verbesserung der Abwasserreinigung gerechtfertigt sind.

Der Ort der Messung des Ammonium-Gehaltes oder der damit korrelierbaren Eigenschaft hat Einfluß auf den Meßwert und damit auf das Regelverhalten der oben genannten Regelmechanismen. Beispielsweise wird eine Messung im Bereich vor der ersten Behandlungsstufe - also vor der Nitrifikation - einen anderen Meßwert für den Ammonium-Gehalt liefern als eine Messung im Bereich nach der ersten oder nach der zweiten Behandlungsstufe. Im Hinblick auf eine hohe Betriebssicherheit hat es sich als vorteilhaft erwiesen, den Ammonium-Gehalt im Abwasser zu ermitteln, nachdem es mindestens einmal die erste Behandlungsstufe durchlaufen hat. Dadurch werden Schwankungen des Ammonium-Gehaltes, wie sie beispielsweise im Bereich des Einlaufes von unbehandeltem Abwasser in ein Klärbecken beobachtet werden, abgepuffert. In der Praxis hat sich die Messung des Ammonium-Gehalt im Ablauf des Abwassers in ein nachgeschaltetes Nachklärbecken bewährt.

Der so gemessene Ammonium-Gehalt wird bevorzugt auf einem NH₄- Sollwert im Bereich zwischen 0,2 und 2,0 mg/l gehalten. Bei einer Abweichung vom NH₄-Sollwert wird der O₂-Sollwert entsprechend variiert.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels und einer Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigen im einzelnen

Fig. 1 eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens in schematischer Darstellung, und

Fig. 2 ein Meß- und Regelschema für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahren.

In Fig. 1 sind schematisch mehrere Becken (1-4) einer Kläranlage dargestellt, wie sie üblicherweise zur mikrobiellen Behandlung organisch belasteter kommunaler und industrieller Abwässer eingesetzt werden. Dabei handelt es sich um ein Vorklärbecken 1, ein Denitrifikationsbecken 2, das eigentliche Belebungsbecken 3 und ein Nachklärbecken 4. Der Zulauf des zu behandelnden Abwassers zum Vorklärbecken 1 ist mit dem Pfeil 5 und der Ablauf aus dem Belebungsbecken 3 in das Nachklärbecken 4 mit dem Pfeil 6 symbolisiert. Im übrigen wird die Fließbewegung des Abwassers durch die verschiedenen Becken (1-4) während der Behandlung durch die Richtungspfeile 7 angedeutet.

Zur Belüftung des Belebtschlamms im Belebungsbecken 3 sind am Beckenboden zwei sogenannte Begasungsmatten 8 montiert, über die technisch reiner Sauerstoff in das Abwasser eingebracht wird. Hierzu sind die Begasungsmatten 8 über eine Sauerstoff-Zufuhrleitung 9 mit einem (in Fig. 1 nicht dargestellten) Sauerstofftank verbunden. Die Sauerstoffzufuhr zu den Begasungsmatten 8 wird mittels einer Meß- und Regeleinrichtung 10 in Abhängigkeit von einem vorgegebenen Sollwert für den Sauerstoffgehalt im Abwasser des Belebungsbeckens 3 geregelt. Zur Messung des Sauerstoffgehaltes taucht eine Sauerstoff- Meßsonde 11 in den Belebtschlamm ein. Die von der Sauerstoff- Meßsonde 11 ermittelten Meßwerte werden über die Leitung 12 der Regeleinrichtung 10 zugeführt.

Im Ablauf 6 vom Belebungsbecken 3 zum Nachklärbecken 4 wird der Ammonium-Gehalt des Abwassers gemessen. Hierzu ist eine NH₄- Meßeinrichtung 13 vorgesehen, die ebenfalls über eine Leitung 14 mit der Regeleinrichtung 10 verbunden ist.

Im Denitrifikationsbecken 2 und im Belebungsbecken 3 sind jeweils Tauchmotorrührwerke 15 vorgesehen, die ein Absetzten von Belebtschlamm verhindern.

Vom Vorklärbecken 1 und Denitrifikationsbecken 2 gelangt das zu behandelnde Abwasser in das Belebungsbecken 3. Dort findet die sogenannte Nitrifikation statt, bei der im Abwasser bzw. im Belebtschlamm des Belebungsbeckens 3 enthaltene Ammoniumverbindungen durch Mikroorganismen zu Nitraten oxidiert werden. Hierzu wird technischer Sauerstoff über die Begasungsmatten 8 in den Belebtschlamm eingetragen. Der Sauerstoffgehalt des Belebtschlamms wird fortlaufend mittels der Sauerstoffmeß-Sonde 11 gemessen und mittels der Regeleinrichtung 10 anhand eines ersten Regelmechanismus auf einem vorgegebenen O₂-Sollwert gehalten. Die Vorgabe des O₂-Sollwertes liegt im Bereich zwischen 0,5 mg/l und 3 mg/l.

Die Vorgabe des O₂-Sollwertes ergibt sich durch einen zweiten Regelmechanismus, der auf einer Messung des Ammonium-Gehaltes im Abwassers beruht. Hierzu wird der Ammonium-Gehalt im Bereich des Ablaufes 6 fortlaufend gemessen und die Meßwerte der Regeleinrichtung 10 zugeführt. Der NH₄-Sollwert für den Ammonium- Gehalt im Bereich des Ablaufes 6 beträgt im Ausführungsbeispiel 1,0 mg/l (Liter, bezogen auf Abwasser). Mittels der Regeleinrichtung 10 wird der O₂-Sollwertes gesenkt, sobald der Ammonium-Gehalt unter den voreingestellten NH₄-Sollwert fällt und erhöht, sobald der Ammonium- Gehalt über dem voreingestellten NH₄-Sollwert liegt.

Über einen Wasser-Kreislauf 17 wird stark nitrathaltiges Wasser in das Denitrifikationsbecken 2 zurückgeleitet. Außerdem wird aus dem Nachklärbecken 4 Schlamm abgezogen und ein Teil davon als Rücklaufschlamm über die Rückschlammleitung 16 in das Denitrifikationsbecken 2 geführt. Unter den dort herrschenden anoxischen Bedingungen dienen die Nitrate den Mikroorganismen als Sauerstoffquelle. Der verbleibende gasförmige Stickstoff entweicht in die Atmosphäre.

In der Praxis konnte durch diese variable Vorgabe des O₂-Sollwertes im Belebungsbecken 4 und die damit einhergehende Zurücknahme des Sollwertes in Schwachlastzeiten eine Einsparung an Sauerstoff bis zu 30% erzielt werden.

Nachfolgend wird das erfindungsgemäße Verfahren anhand dem Meß- und Regelschema gemäß Fig. 2 näher erläutert. Die in Fig. 2 genannten Bezugsziffern beziehen sich auf die Bauteile der in Fig. 1 dargestellten Vorrichtung.

Die Regeleinrichtung 10 umfaßt einen Regler für die Einstellung des Ammonium-Gehaltes im Ablauf 6 des Belebunsgbeckens 3 (als "NH₄- Regler" bezeichnet), einen Einsteller für die Einstellung des O₂- Gehaltes im Belebungsbecken 3 (als "O₂-Sollwert-Steller" bezeichnet) und einen Regler für die Einstellung des O₂-Sollwertes (als "O₂-Sollwert -Regler" bezeichnet).

In der Regeleinrichtung 10 werden Werte für den Sollwert der Ammonium-Konzentration im Ablauf 6 (als "NH₄-Sollwert bezeichnet) und ein oberer und ein unterer Grenzwert für den O₂-Sollwert vorgegeben und gespeichert. Die Grenzwerte für den O₂-Sollwert liegen im Ausführungsbeispiel bei 0,5 mg/l bzw. bei 3 mg/l und der NH₄- Sollwert wird auf 1 mg/l eingestellt.

Wie aus dem in Fig. 2 dargestellten Meß- und Regelschema ersichtlich, wird mittels der Sauerstoff-Meßsonde 11 der Sauerstoffgehalt des Abwassers 4 (im folgenden als "O₂-Istwert" bezeichnet) nach regelmäßigen Zeitintervallen gemessen. Ebenso wird der Ammonium-Gehalt des Abwassers im Ablauf 6 mittels der NH₄- Meßeinrichtung fortlaufend ermittelt (im folgenden als "NH₄-Istwert" bezeichnet), sobald dieses. Der NH₄-Istwert wird der Regeleinrichtung 10 zugeführt und mittels eines Prozessors mit dem Sollwert verglichen.

Bei einer Abweichung zwischen dem NH₄-Istwert und dem NH₄-Sollwert (ΔNH₄ # 0) wird der O₂-Sollwert für die Sauerstoffregelung neu eingestellt, sofern der einzustellende O₂-Sollwert innerhalb der vorgegebenen Grenzwerte liegt. Diese Neu-Einstellung des O₂- Sollwertes erfolgt im O₂-Sollwert-Steller. Der neu eingestellte O₂- Sollwert wird dann der üblichen Regelung des Sauerstoffgehaltes im Belebungsbecken mittels des O₂-Reglers zugrundegelegt, d. h., bei einer Abweichung zwischen dem mittels der Sauerstoffmeß-Sonde 11 gemessenen O₂-Istwert und dem neu eingestellten O₂-Sollwert (ΔO₂ # 0) wird der Sauerstoffeintrag über die Begasungsmatten 8 entsprechend eingestellt.

Claims (5)

1. Verfahren zum Abbau von Stickstoff-Verbindungen im Abwasser einer biologischen Kläranlage, umfassend eine erste Behandlungsstufe, bei der dem Abwasser ein sauerstoffhaltiges Gas in Abhängigkeit eines vorgegebenen O₂-Sollwertes für den Sauerstoffgehalt im Abwasser geregelt zugeführt wird, wobei im Abwasser enthaltende Ammonium unter Bildung von Nitraten oxidiert werden, und eine zweite Behandlungsstufe, bei der die Nitrate unter Bildung von gasförmigem Stickstoff eliminiert werden, dadurch gekennzeichnet, daß der Ammonium-Gehalt oder eine damit korrelierbare Eigenschaft des Abwassers fortlaufend gemessen, und der O₂-Sollwert in Abhängigkeit vom gemessenen Ammonium-Gehalt vorgegeben wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für die Untergrenze für den O₂-Sollwert ein Wert von 0,5 mg/l vorgegeben wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Obergrenze für den O₂-Sollwert ein Wert von 3 mg/l vorgegeben wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Ammonium-Gehalt im Abwassers gemessen wird, nachdem es mindestens einmal die erste Behandlungsstufe durchlaufen hat.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Ammonium-Gehalt auf einem NH₄-Sollwert im Bereich zwischen 0,2 und 2,0 mg/l gehalten wird.