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