Biologische Abwasserreinigung
Gase: N2, CO2, CH4
Gelöste Stoffe: H2O, NO3-, HCO3
-
Feststoffe: Biomasse, Flocken
Ziel:Abwasserinhaltstoffe, die im Gewässer unerwünschte Folgen haben, in Stoffe überführen,die nur geringen Schaden anrichten oder aus demAbwasser einfach abgetrennt werden können:
Selbstreinigung in Fliessgewässern
org.C
O2
Bio-masse
Biofilm oderfestsitzende Biomasse
'Selbstreinigung' imTropfkörper
Biofilm
Stein mitAufwuchs
Abwasser
Luft
Das Belebtschlammverfahren
Der Algenteich
Das Belebtschlammverfahren
Zufluss
Abfluss
Überschuss-schlamm
Rücklaufschlamm
Belebungsbecken Nachklärbecken
Belüftung
Abbau organischer Stoffe: BSB5
5 CH2+O NH Energie C H NO H O H
4 5 7 2 23
CH CO2 2O O H O Energie 2 2
Katabolismus / Abbau
Anabolismus / Wachstum / Assimilation
+10 CH O CO H2 2 2 2O NH C H NO O H 5 5 84 5 7 2
Total (von aussen beobachtet)
CSB BSB Biomasse320 g 160 g 14 g N 113 g TSS
Die Schlammbelastung
BTS = Schlammbelastung in kg BSB5 kg-1 TSS d-1
Q = Zufluss in m3 d-1
BSB5 = BSB5 Konzentration im Zufluss in kg m-3
VBB = Volumen des Belebungsbeckens in m3
TSBB = Belebtschlammkonzentration in kg TSS m-3
BQ BSB
V TSFood
MikroorganismsFMTS
BB BB
5
Die Fressleistung derMäuse ist abhängigvom VerhältnisKäse / Mäusen
Schlammbelastung BTS in kg BSB5 kg-1 TSS d-1
Wirkungsgrad für die Elimination von BSB5
%100
80
60
40
20
0
> 13°C
< 11°C
0.1 0.2 0.4 0.6 0.8 1 2 4 6 8 10
< 11°C
> 13°C
Typische WerteSchlammbelastung:BTS = 0.3 kg BSB5 kg-1 TSS d-1 für BSB5 Elimination
= 0.15 kg BSB5 kg-1 TSS d-1 für Nitrifikation = 0.05 kg BSB5 kg-1 TSS d-1 für Schlammstabilisierung
Belebtschlammkonzentration:TSBB = 3.0 kg TS m-3 nach Vorklärung
= 3.5 kg TS m-3 mit Simultanfällung (P Elimination) = 4.5 kg TS m-3 ohne Vorklärung
Hydraulische Aufenthaltszeit (BB = VBB / Q):BB = 3 - 18 Stunden
Nitrifizierende Belebungsanlage
BTS = 0.15 kg BSB5 kg-1 TSS d-1
BSB5 = 150 g m-3
TSBB = 3 kg TSS m-3
Wie gross ist die hydraulische Aufenthaltszeit BB im Belebungsbecken?
BB = VBB / Q
h = V/Q = BSB / (BTS*TS) = 150/0.15*3000) = 0.33 d = 8 h
O2 Verbrauch
Biomassen Produktion
CSBZulauf abbaubar
CSBZulauftotal
Inert, nicht abbaubar
CSB Erhaltung
Die Schlammproduktion
Erfahrungswert: ÜSB 0.9 - 1 kg TSS kg-1 BSB5
SPB = Schlammproduktion als Folge des Abbaues von BSB5 in kg TSS d-1
ÜSB = Spezifische Schlammproduktion in kg TSS kg-1 BSB5
Q = Zufluss von Abwasser in m3 d-1
BSB5 = BSB5 Konzentration im Zufluss in kg m-3
ÜSBSPB Q BSB 5
Der Sauerstoffverbrauch
Erfahrungswerte: OVB 0.8 - 1.3 kg O2 kg-1 BSB5 je nach Temperatur und Belastung fB = 1.2 - 1.3
OEB = Erforderlicher Sauerstoffeintrag im Betrieb als Folge des Abbaues von BSB5 in kg O2 d-1
OVB = Spezifischer Sauerstoffverbrauch in kg O2 kg-1 BSB5
Q = Zufluss von Abwasser in m3 d-1
BSB5 = BSB5 Konzentration im Zufluss in kg m-3
fB = Stossfaktor, der den Tagesgang des Sauerstoff- Verbrauches berücksichtigt, dimensionslos
Q BSBOVB fBOEBmax 5
Restverschmutzung (BSB5)
Länge des Reaktors
Tagesgang
0
200
400
600
800
1000
1200
0 6 12 18 24
Sauerstoffbedarf im Belebungsbecken (Beispiel)in g m-3 d-1
Tageszeit in Std.
hinten
Mittel
vorne
Die Stickstoffbilanz
Die Phosphorbilanz
TKN BSB 0 045 5.
TP BSB 0 01 5.
TKN
TP
= Stickstoffelimination durch Inkorporation in die Biomasse, Zulauf - Ablauf= Phosphorelimination durch Inkorporation in die Biomasse, Zulauf - Ablauf
Nitrifikation
H O Energie (2NH4 NO2
H2 O21 5. Nitrosomonas)
Energie (NO2 NO3
O20 5. + Nitritoxidierer)
NO H O Energie (3 2NH4 H2 O22 0. Nitrifikanten)
CO2 Energie Biomasse ( Nitrifikanten)
2 2 23 2 2HCO CO H O2 H
Nitrifikation heisst die mikrobiologische Oxidation vonAmmonium über Nitrit zu NitratNH4
NO2 NO3
Mikrobiologisches, exponentielles Wachstum
N = 1 2 4 8 16
Verdoppelungszeit td
N N t td 0 2 /
r XX
Wachstumsgeschwindigkeit der Nitrifikanten
0
0.2
0.4
0.6
4 6 8 10 12 14 16
Temperatur °C
max der Nitrifikanten d-1
max. ( ). 0 29 0 11 10e T
Ein einfaches System
Die allgemeine Bilanzgleichung
System Volumen V
Konzentration CProduktionsrate r
ZuflussQzu, Czu
AbflussQab, Cab
VdCdt
CdVdt
Q C Q C r Vzu zu ab ab
QXin
QX
V XDer Rührkessel
Im stationären Zustand (dX / dt = 0), mit Xin = 0 ergibt sich:0 0
Q XV X
QV h
1 h 1
VdXdt
Q X Q X X Vin
VdXdt
Q X Q X X Vin
Das Belebtschlamm-verfahren
VBB
XBB
QXin
QÜS
XÜS
Qe
Xe
Im stationären Zustand (dX / dt = 0), mit Xin = 0 ergibt sich:0 0
X 1
Q X Q X
V Xe e ÜS ÜS
BB BB X
1
VdX
dtQ X Q X Q X X VBB
BBin e e ÜS ÜS BB BB
VdX
dtQ X Q X Q X X VBB
BBin e e ÜS ÜS BB BB
Das Schlammalter
Wenn sich im Belebungsbecken 1000 kg TSS befinden(VBB XBB) und pro Tag 100 kg TSS abgezogen werden(Q Xe + QÜS XÜS) verbleibt der Schlamm im Mittelwährend 10 Tagen im Belebungsbecken, das SchlammalterX beträgt 10 Tage.
X BB BBV X
e ÜS ÜSQ X Q X Schlammalter
Das Schlammalter
X BB BBV X
e ÜS ÜSQ X Q X
Im stationären Zustand (oder im Durchschnitt) gilt:
Schlammproduktion = Schlammabzug
oder
SPtot =
und damit:
e ÜS ÜSQ X Q X
V XSP
BB BB
tot
5
0
10
10
0
20
0 12241224122412
22.4.75 23.4.75 24.4.75Ablauf VKB
Ablauf BB
Ablauf Belebungsbeckeng NH4
+-N m-3
Ablauf Vorklärbeckeng NH4
+-N m-3
Uhrzeit
Pilotversuche ARA Werdhölzli, 1975
0
1
2
3
0 6 12 18 24
0
1
2
3
0 6 12 18 24
Uhrzeit Uhrzeit
Verhältnis der momentanen zur mittleren NH4+ Fracht
2000 Einw.13.6 kg N d-1
350’000 Einwohner2900 kg N d-1
NH4+
NO3-
O2
BSB5
Nitrifikation
Dimensionierung für Nitrifikation
SF X
SF = Sicherheitsfaktor in Abhängigkeit der Belastungsvariation, dimensionslos 2 für grosse Anlagen 2.5 - 3 für kleine Anlagen= Maximale Wachstumsgeschwindigkeit der Nitrifikanten in d-1
0.2 - 0.3 d-1 bei 10°C 0.5 - 0.8 d-1 bei 20°C= Schlammalter in dX
Sauerstoffbedarf
OEtotmax OEB
max Q. fN4 6 NO 3
= Maximal erforderlicher Sauerstoffeintrag in kg O2 d-1
= maximal erforderlicher Sauerstoffeintrag für den Abbau des BSB5 in kg O2 d-1
4.6 = Spezifischer Sauerstoffbedarf für die Nitrifikation in kg O2 kg-1 NO3
--N= Zunahme der Nitratkonzentration in g N m-3, (Ablauf - Zufluss)
fN = Stossfaktor für den Tagesgang der Nitrifikation 1.5 - 2.5 je nach Grösse der Anlage
OE totmax
OE Bmax
NO3