Beim Betrieb von Kläranlagen ist ein zu hoher Gesamtstickstoffgehalt (TN) im Abwasser oft eines der schwieriger zu behebenden Probleme. Wenn ein Abwasserqualitätsalarm ausgelöst wird, besteht die erste Reaktion häufig in der Annahme, dass der anoxische Tank nicht über genügend Volumen verfügt. Die Betreiber können dann reagieren, indem sie mehr externen Kohlenstoff hinzufügen oder die Schlammkonzentration erhöhen.
Allerdings können diese Maßnahmen die Betriebskosten schnell in die Höhe treiben und sogar Folgeprobleme wie eine schlechte Schlammabsetzung verursachen. Dies wirft eine wichtige Frage auf:
Ist der Sauerstofftank wirklich zu klein-oder bewerten wir seine Kapazität anhand der falschen Kriterien?
In der technischen Praxis wird die in den Konstruktionszeichnungen angegebene hydraulische Verweilzeit (HRT) häufig als primärer Indikator für die Kapazität eines anoxischen Tanks verwendet. HRT lässt sich leicht berechnen, beschreibt jedoch nur die hydraulischen Bedingungen des Tanks. Es sagt uns nicht direkt, wie viel Nitrat das biologische System tatsächlich entfernen kann.
Die herkömmliche Annahme ist, dass die Denitrifizierung abgeschlossen ist, wenn das Abwasser über einen ausreichend langen Zeitraum im anoxischen Becken verbleibt. In der Realität trifft diese Annahme nicht immer zu. Denitrifikation ist ein biologischer Prozess und seine Geschwindigkeit wird stark von Faktoren wie Wassertemperatur, Schlammaktivität, MLVSS-Konzentration, Nitratbelastung im Zulauf, Kohlenstoffverfügbarkeit und gelöstem Sauerstoff beeinflusst.
Daher muss bei der Bewertung der tatsächlichen Kapazität eines anoxischen Tanks Folgendes berücksichtigt werden:Eine HRT sollte nicht isoliert betrachtet werden. Ein sinnvollerer Ansatz besteht darin, die spezifische Denitrifikationsrate zu bewerten und damit die tatsächliche Behandlungskapazität der Anlage zu überprüfen.
Warum HRT allein die Kapazität eines anoxischen Tanks nicht bestimmen kann
Die Formel für die hydraulische Verweilzeit ist einfach:
HRT=Tankvolumen ÷ Durchflussrate
Wenn beispielsweise ein anoxischer Tank ein Volumen von 300 m³ hat und die Durchflussrate 100 m³/h beträgt, beträgt die theoretische HRT 3 Stunden.
Doch bei der biologischen Stickstoffentfernung bedeuten drei Stunden nicht immer das Gleiche.
Denitrifikation ist ein mikrobiell gesteuerter biochemischer Prozess, dessen Reaktionsgeschwindigkeit sich daher je nach Betriebsbedingungen ändert. Die Wassertemperatur ist einer der wichtigsten Faktoren. Im Winter können niedrigere Temperaturen die mikrobielle Aktivität und die Denitrifikationsleistung deutlich reduzieren.
Bei der gleichen HRT von drei Stunden kann die Denitrifikationsrate bei 25 Grad mehr als doppelt so hoch sein wie bei 12 Grad. Dies bedeutet, dass ein Tankvolumen, das im Sommer eine ausreichende Stickstoffentfernung ermöglicht, möglicherweise nur etwa die Hälfte der effektiven Stickstoffentfernungskapazität im Winter hat.
Die Temperatur ist jedoch nur ein Faktor.
Auch die Schlammkonzentration und die Zuflussbeladung sind von entscheidender Bedeutung. Wenn die Belebtschlammkonzentration in einem anoxischen Becken von 2.500 mg/L auf 4.000 mg/L steigt, erhöht sich die verfügbare Biomasse für die Denitrifizierung erheblich. Die resultierende Stickstoffentfernungskapazität ändert sich daher nicht unbedingt proportional zur Erhöhung der Schlammkonzentration.
Wenn die Nitratkonzentration im Zulauf von 20 mg/L auf 35 mg/L ansteigt, erhöht sich in ähnlicher Weise die Nitratmenge, die innerhalb derselben hydraulischen Verweilzeit entfernt werden muss, erheblich.
Aus diesem Grund liefert ein HRT-Wert allein nur begrenzte Informationen über die tatsächliche biologische Kapazität eines anoxischen Beckens.
Spezifische Denitrifikationsrate: Ein nützlicherer Leistungsindikator
Wenn HRT allein die Kapazität eines anoxischen Tanks nicht vollständig beschreiben kann, worauf sollten Ingenieure stattdessen achten?
Ein wichtiger Parameter ist derspezifische Denitrifikationsrate.
Die spezifische Denitrifikationsrate beschreibt, wie viel Nitratstickstoff von einer bestimmten Menge aktiver Biomasse innerhalb eines bestimmten Zeitraums entfernt werden kann. Im Gegensatz zur HRT, die nur hydraulische Bedingungen beschreibt, spiegelt die spezifische Denitrifikationsrate die tatsächliche biologische Leistung des Schlamms unter bestimmten Betriebsbedingungen wider.
Die Denitrifikationsrate kann abhängig von Faktoren wie Wassertemperatur, Schlammaktivität, MLVSS-Konzentration, Kohlenstoffverfügbarkeit, Nitratbeladung im Zufluss, gelöstem Sauerstoff und dem Vorhandensein hemmender Substanzen erheblich variieren.
Daher gibt es keine einheitliche Denitrifikationsrate, die universell auf jede Kläranlage angewendet werden kann.
Für bestehende Anlagen sind standortspezifische -Tests der bevorzugte Ansatz. Mischlauge kann aus dem anoxischen Tank gesammelt und unter kontrollierten Bedingungen mit echtem Abwasser und gegebenenfalls einer externen Kohlenstoffquelle getestet werden. Die zeitliche Veränderung der Nitratkonzentration kann dann zur Beurteilung der tatsächlichen Denitrifikationsleistung des Schlamms herangezogen werden.
Wenn keine Labortests verfügbar sind, können Betriebsdaten auch verwendet werden, um die tatsächliche Stickstoffentfernungskapazität des Systems abzuschätzen. Der Schlüssel liegt darin, die Nitratentfernung zusammen mit der Menge an aktiver Biomasse im anoxischen Tank zu bewerten, anstatt sich nur auf die HRT zu verlassen.
Dieser Ansatz bietet eine realistischere Grundlage für die Feststellung, ob dem vorhandenen anoxischen Tank tatsächlich die Kapazität fehlt oder ob seine verfügbare biologische Kapazität einfach nicht vollständig genutzt wird.
So ermitteln Sie die spezifische Denitrifikationsrate
Der zuverlässigste Ansatz ist die Durchführung eines standortspezifischen Batchtests.
Am Auslass des anoxischen Tanks kann gemischte Flüssigkeit gesammelt und unter kontrollierten Bedingungen unter Verwendung von tatsächlich einströmendem Abwasser oder einer geeigneten Kohlenstoffquelle getestet werden. Aus der zeitlichen Veränderung der Nitratkonzentration kann dann die Denitrifikationsrate ermittelt werden.
Diese Art von Test ermöglicht ein realistischeres Verständnis der biologischen Aktivität des Schlamms unter tatsächlichen Anlagenbedingungen.
Wenn keine Labortests verfügbar sind, kann auch ein vereinfachter Rückrechnungsansatz verwendet werden.
Das Grundkonzept besteht darin, die pro Zeiteinheit entfernte Menge an Nitratstickstoff zu berechnen und diese dann durch die gesamte im anoxischen Tank verfügbare MLVSS-Masse zu dividieren.
In vereinfachter Form:
Spezifische Denitrifikationsrate=Stickstoffentfernungslast ÷ Gesamt-MLVSS-Masse
Die Stickstoffentfernungslast kann aus der Differenz zwischen der Nitratkonzentration im Zufluss und der angestrebten Nitratkonzentration im Abfluss multipliziert mit der entsprechenden Durchflussrate geschätzt werden.
Ein wichtiger Punkt sollte nicht übersehen werden:Die Berechnung sollte auf MLVSS und nicht auf MLSS basieren, wenn die spezifische Denitrifikationsrate auf der Basis flüchtiger Feststoffe ausgedrückt wird.
MLSS enthält sowohl organische als auch anorganische Feststoffe. Der anorganische Anteil bzw. die Asche nimmt nicht direkt an der biologischen Denitrifikation teil. MLVSS bietet daher eine bessere Darstellung der am Prozess beteiligten aktiven biologischen Feststoffe.
Im Allgemeinen wird eine MLVSS-Konzentration von ungefähr aufrechterhalten2.000–4.000 mg/Lim anoxischen Tank gilt als angemessen, obwohl der optimale Wert von der gesamten Prozesskonfiguration und den Betriebsbedingungen abhängt.
Was tun, wenn die Kapazität des Anoxic-Tanks nicht ausreicht?
Wenn Berechnungen ergeben, dass der vorhandene anoxische Tank keine ausreichende Denitrifikationskapazität bieten kann, ist die Erweiterung des Tanks nicht unbedingt die erste oder einzige Lösung.
Bevor kostspielige bautechnische Änderungen vorgenommen werden, können mehrere Betriebsstrategien in Betracht gezogen werden.
1. Effektive Biomasse steigern (MLVSS)
Die Erhöhung der Menge an aktiver Biomasse ist eine der direktesten Möglichkeiten zur Steigerung der Denitrifikationskapazität.
Eine einfache Erhöhung der Schlammkonzentration ist jedoch nicht immer vorteilhaft.
Die zusätzliche Biomasse muss durch die gefördert werdenFeststoffe-Förderkapazität des Nachklärbeckens. Wenn das Klärbecken bereits nahe an seiner Feststoffflussgrenze arbeitet, kann ein übermäßiger MLSS zu einem schlechten Absetzen, einem Ansteigen der Schlammdecke oder einem Auswaschen des Schlamms führen.
Die Mischfähigkeit des anoxischen Tanks muss ebenfalls berücksichtigt werden. Eine höhere Feststoffkonzentration erhöht die Anforderungen an eine effektive Durchmischung. Wenn das Mischsystem den Schlamm nicht in der Schwebe halten kann, kann eine Erhöhung des MLVSS nur geringe praktische Vorteile bringen.
Daher sollte der angestrebte MLVSS unter Berücksichtigung sowohl der biologischen Anforderungen als auch der Hydraulik- und Feststofftransportkapazität des Gesamtsystems bestimmt werden.
2. Optimieren Sie die externe Kohlenstoffzugabe
Die externe Kohlenstoffzugabe kann ein wirksames Mittel zur Verbesserung der Denitrifikation sein, wenn der im Abwasser verfügbare leicht biologisch abbaubare Kohlenstoff nicht ausreicht.
Jedoch,Mehr Kohlenstoff bedeutet nicht unbedingt eine bessere Stickstoffentfernung.
Eine übermäßige Kohlenstoffdosierung erhöht die Betriebskosten und kann dazu führen, dass im behandelten Abwasser restliche organische Stoffe zurückbleiben, wodurch das Risiko einer Sekundärverschmutzung entsteht.
Daher werden Tests im Labor-maßstab empfohlen, um festzustellen, wie sich eine bestimmte Kohlenstoffquelle auf die spezifische Denitrifikationsrate des Klärschlamms der Anlage auswirkt. Basierend auf den Testergebnissen kann dann der theoretische Kohlenstoffbedarf abgeschätzt werden.
GegebenenfallsMehrpunkt-Kohlenstoffdosierung oder Feedback-SteuerungEs kann auch in Betracht gezogen werden, die Dosiergenauigkeit zu verbessern und auf Schwankungen der Stickstoffbeladung des Zuflusses zu reagieren.
3. Reduzieren Sie den gelösten Sauerstoff am Ausgang der aeroben Zone
Dies ist eine häufig-übersehene betriebliche Maßnahme.
Wenn der gelöste Sauerstoff (DO) am Ende der aeroben Zone übermäßig hoch ist, kann durch die interne Nitratrückführung eine erhebliche Menge Sauerstoff in die anoxische Zone transportiert werden.
Dies kann die anoxische Umgebung beeinträchtigen, da denitrifizierende Mikroorganismen bevorzugt leicht verfügbaren gelösten Sauerstoff verwenden, bevor sie Nitrat als Elektronenakzeptor verwenden.
Reduzieren Sie beispielsweise die DO-Konzentration am Auslass der aeroben{0}}Zone von ca2,5 mg/L bis 1,5 mg/Lkann unter geeigneten Betriebsbedingungen die effektive Nutzung der anoxischen Zone verbessern, ohne dass zusätzliche Ausrüstung oder Bauarbeiten erforderlich sind.
Aus diesem Grund sollte DO nicht nur als Belüftungskontrollparameter, sondern auch als wichtiger Faktor bei der biologischen Stickstoffentfernung betrachtet werden.
4. Optimieren Sie das Belüftungsmuster
Bei Anlagen mit geeigneten Prozesskonfigurationen kann eine intermittierende Belüftung am Ende der aeroben Zone eine weitere Möglichkeit zur Verbesserung der Stickstoffentfernung darstellen.
Während der Belüftungsperioden erfüllt die Zone ihre aerobe Behandlungsfunktion. Während Nicht--Belüftungsperioden kann derselbe Bereich jedoch effektiv als fungierenpost-anoxische Zone.
Während dieser Nichtbelüftungsperioden kann gelöster Sauerstoff von den Mikroorganismen verbraucht werden, wodurch günstigere Bedingungen für die Denitrifikation geschaffen werden. Dies kann die Nitratentfernung verbessern, bevor die recycelte Mischlauge in die anoxische Zone zurückkehrt.
In diesem Sinne kann die intermittierende Belüftung als eine angesehen werden„Zeit gegen Raum tauschen“Strategie: Anstatt das Volumen des anoxischen Tanks physisch zu vergrößern, nutzen die Betreiber das verfügbare Tankvolumen und die Prozesszeit effizienter, um zusätzliche Denitrifikationskapazität zu schaffen.