Biologische Aufbereitung von Industrie-Abwässern mit Sauerstoff

Für hohe organische Belastungen

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Der Einsatz von Reinsauerstoff zur Verbesserung der Abwasserreinigung gewinnt aufgrund gestiegener Umweltschutzanforderungen und gesetzlicher Auflagen zunehmend an Bedeutung. Für hochbelastete Abwässer bieten sich dabei flexibel einsetzbare kompakte Eintragsysteme an.

Dipl.-Ing. Berthold Müller

Die biologische Aufbereitung von Abwässern beruht auf aeroben, mikrobiellen Vorgängen, die durch reinen Sauerstoff anstelle von Luftsauerstoff gezielt unterstützt und beschleunigt werden. Die Sauerstoffversorgung der Bakterien in Kläranlagen erfolgt üblicherweise durch das Eintragen von Luft über Kreiselbelüfter und Druckbelüftung. Allerdings wird auf diese Weise auch ein Stickstoffanteil von rund 78% eingetragen, der für den Bakterienstoffwechsel unbrauchbar ist. Der „nutzlose“ Stickstoff muß mit hohem Energieaufwand mitgeführt werden, und er bewirkt wegen der großen Gasmengen, die durch das Abwasser strömen, mitunter auch das unerwünschte Ausstrippen von Geruchsstoffen.
Werden durch saisonale, zyklische oder tageszeitliche Schwankungen mehr Nährstoffe eingeleitet, als die vorhandenen Bakterien verwerten können, tritt eine hohe Sauerstoffzehrung ein. Die Kläranlage wird überlastet, und die Reinigungsleistung sinkt wegen Sauerstoffmangel drastisch. Infolge anae-rober Faulprozesse treten häufig zusätzliche Geruchsprobleme auf. Zudem können Faktoren wie Detergenzien oder hohe Abwassertemperaturen eine geringere Sauerstoff-Ausnutzung bewirken.
Soll darüber hinaus in der Kläranlage eine Nitrifikation durchgeführt werden, sind die vorhandenen Belüftungsaggregate aufgrund des hohen Sauerstoffbedarfs oft hoffnungslos überfordert. Es liegt daher nahe, die Leistung des vorhandenen Belüftungssystems zu verbessern. Beim Belüftungskreisel geschieht dies durch Erhöhung der Drehzahl oder der Eintauchtiefe, bei der Druckbelüftung durch Steigerung der Gebläseleistung. Oftmals sind diese Maßnahmen jedoch technisch nicht durchführbar oder scheitern an der begrenzten Leistungsfähigkeit der Aggregate. Daher wird nicht selten eine Anlagenerweiterung, verbunden mit dem Einbau von weiteren Belüftungsaggregaten, erwogen.
Sauerstoff minimiert die Baukosten
Die mit hohem finanziellen wie materiellen Aufwand verbundene bauliche Erweiterung läßt sich durch den Einsatz von reinem Sauerstoff oft umgehen oder kostengünstiger gestalten. Dafür gibt es physikalische Gründe:
• Die Sättigungskonzentration ist für Reinsauerstoff im Wasser bei gleichen Temperatur- und Druckverhältnissen fast fünfmal höher als jene für Luftsauerstoff.
• Das Sättigungsdefizit, also die Differenz zwischen dem Sättigungswert und dem in der Belebung angestrebten Sauerstoffgehalt von 2 mg/l, ist für Reinsauerstoff wesentlich größer als für Luftsauerstoff. Je größer das Sättigungsdefizit ist, desto geringer ist der Energieaufwand, um eine bestimmte Menge Sauerstoff im Wasser zu lösen.
Auf diese Weise kann beim Betrieb einer Kläranlage mit reinem Sauerstoff gegenüber Luft die eingetragene Gasmenge teilweise um das 25fache verringert werden, so daß auch bei hohen Temperaturen noch eine ausreichende Lösung des Sauerstoffs im Wasser erfolgt (Abb. 1). Vor allem bei Industriekläranlagen mit hohen Abwassertemperaturen und geruchsintensiven Stoffen bringt dies Vorteile.
Sauerstoff-Eintragsysteme
Die wirtschaftlichen Vorteile einer Reinsauerstoff-Versorgung können mit geeigneter Anlagentechnik gut genutzt werden. Der Einsatz der kompakten Sauerstoff-Eintragsysteme hängt sehr stark von der Anwendung und örtlichen Gegebenheiten ab. Wichtige Parameter sind unter anderem die Beckengeometrie sowie die Verfügbarkeit und die Kosten für elektrische Energie. In der Praxis bewährt haben sich spezielle Schlauchausströmer, Injektoren und Oxidatoren.
Schlauchsysteme
Schlauchsysteme, wie sie z.B. beim PSB-Verfahren (partielle Sauerstoff-Begasung) eingesetzt werden, sind aufgrund der hohen und gut regelbaren Sauerstoffzufuhr für Industriebetriebe mit stark schwankender Auslastung geeignet. Die Eintragsysteme bestehen aus dickwandigen perforierten Schläuchen. Unter einem erhöhten Innendruck (ab 0,5 bar) öffnen sich die feinen Poren, und es entweichen feine Sauerstoff-Bläschen. Die Schläuche werden flächig am Boden des jeweiligen Belebungsbeckens verlegt (Abb. 2). Die im Belebungsbecken durch herkömmliche Belüftungseinrichtungen vorhandene Strömung wird dabei mitgenutzt, um die Verweilzeit der Bläschen im Wasser zu verlängern. Vorteile: Die Schläuche verstopfen auch nach längeren Stillstandszeiten nicht, und ein gleichmäßiges Ausgasen des Sauerstoffs ist selbst bei Schlauchlängen von mehr als 100 m möglich. Für den Sauerstoff-Eintrag über Schlauchsysteme bzw. Begasungsmatten wird keine zusätzliche Energie benötigt, da der für das Ausströmen erforderliche Druck durch die entsprechende Bevorratung in einem Drucktank kostenfrei zur Verfügung steht. Weil die Luftsauerstoff-Versorgung in einer konventionellen Kläranlage meistens der größte Energieverbraucher ist, können mit dem Reinsauerstoff-Eintrag zudem Energiebedarfsspitzen gekappt werden.
Injektoren (PSB-Jet)
Für den Eintrag von reinem Sauerstoff in Belebungsanlagen mit hohem Sauerstoffbedarf und geringer Beckentiefe empfiehlt sich der Einsatz von Injektorsystemen wie der PSB-Jet. Im PSB-Jet fördert eine Pumpe Abwasser oder Belebtschlamm durch ein Venturi-Rohr, das den Reinsauerstoff sehr fein dispergiert. In der anschließenden Reaktions- und Mischstrecke löst sich der Sauerstoff unter Druck, zum Teil mischt er sich in Form feiner Bläschen mit dem Wasser im Belebungsbecken. Injektoren eignen sich für die Behandlung von hochbelasteten Abwässern mit hohen Abwassertemperaturen und hohen Fett- und Tensid-Konzentrationen.
Oxidatoren
Oxidatoren sind im wesentlichen Druckbehälter mit speziellen Einbauten. Das Abwasser wird durch eine Pumpe in den Reaktor befördert, wo es unter Drücken von 2 bis 4 bar mit Sauerstoff angereichert wird. Der Sauerstoff löst sich blasenfrei mit einer Ausnutzung von über 90% im Wasser. Oxidatoren werden beispielsweise an Speicherbehältern oder an Absetzbecken eingesetzt. Viele Industriebetriebe sammeln in solchen Anlagen Abwasser, um es chargenweise zu reinigen. Oxidatoren ermöglichen hohe Sauerstoffzufuhren und vermeiden so Geruchsemissionen ohne Beeinträchtigung des Absetzvorgangs.
Leistungssteigerung in der Praxis
Die Leistungssteigerung von Belebungsanlagen durch den Einsatz von Reinsauerstoff ist seit langem bekannt und durch zahlreiche Beispiele belegt. Bereits seit 1981 wird eine der größten Kläranlagen in Europa, die Emschermündungskläranlage in Dinslaken, zusätzlich mit Reinsauerstoff versorgt, um Geruchsemissionen zu vermeiden. Besonders Lebensmittelbetriebe mit organisch hochbelasteten Abwässern, die durch biologisch leicht abbaubare Stoffe oft kurzfristig einen hohen Sauerstoffbedarf haben, profitieren von diesem Verfahren. Bewährt hat sich für diesen Industriezweig die Abwasserbehandlung in Stapeltanks bzw. Sequence Batch Reaktoren (SBR). Besonders hohe Sauerstoff-Bedarfsspitzen treten in solchen Reaktoren immer dann auf, wenn eine Charge („batch“) in den Belebungstank gefüllt wird (Abb. 3). Dabei kann es zu Überlastungen kommen, wenn der hohe Sauerstoffbedarf nicht durch das vorhandene Belüftungssystem abgedeckt werden kann. Mit einer Reinsauerstoff-Belüftung kann die Zykluszeit für den aeroben Abbau durch die zusätzliche Sauerstoffspritze nachhaltig verkürzt werden. In der Praxis hat sich gezeigt, daß die Reinigungsleistung der SBR-Reaktoren um bis zu 30% im Vergleich zur konventionellen Belüftung gesteigert werden kann. Bei einer Molkereikläranlage in Sachsen war gegenüber der Bemessung die aktuelle Belastung um bis zu 280% erhöht. Obgleich die Sauerstoffversorgung großzügig dimensioniert war, wurde angesichts der massiven Überlastung die Sauerstoffzufuhr sehr bald zum limitierenden Parameter. Die Sauerstoffversorgung wird jetzt dadurch sichergestellt, daß eine Reinsauerstoff-Anlage (PSB) nachgerüstet wurde. Damit werden jeweils die Phasen des höchsten Sauerstoffbedarfs abgedeckt.
Der größte Bedarf an Sauerstoff in Kläranlagen entsteht jedoch heute durch die vom Gesetzgeber geforderte Stickstoffelimination in der dritten Reinigungsstufe. Mit dem Biox(r)-N-Verfahren wird die Leistungsfähigkeit der biologischen Stufe erheblich gesteigert, indem reiner Sauerstoff die herkömmliche Belüftung unterstützt oder ersetzt und gleichzeitig die vorhandene Biomasse im aeroben System angehoben wird (Abb. 4).
Halle A3, Stand 337
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