Handlungsempfehlungen zum optimierten Betrieb von IC · PDF fileStand 05.06.2009...

Stand 05.06.2009

Bauhaus-Universität

Weimar

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Handlungsempfehlungen zum

optimierten Betrieb von IC-Reaktoren

am Beispiel der Kläranlage Arnsberg-

Neheim

Dipl.-Ing. (FH) Kai Thormeyer

Stand 05.06.2009


Weimar

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Gliederung des Vortrages

Stoffwechselprozesse des anaeroben Abbaus

Gegenüberstellung aerobe und anaerobe Abwasserreinigung

Vor- und Nachteile der Anaerobtechnik

Einflussfaktoren auf die Prozessstabilität anaerober Abbauvorgänge

Funktionsbeschreibung IC-Reaktor

Bemessung eines IC-Reaktors

Gesamtkonfiguration

Betriebsdatenanalyse

Handlungsoptionen zum optimierten Betrieb

Schlussfolgerung und Fazit

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Stoffwechselprozesse des anaeroben Abbaus

Für einen vollständigen Abbau organischer

Substanz in Methan und CO2 ist das

Ineinandergreifen mehrer Abbauschritte und

damit auch die Zusammenarbeit

unterschiedlicher Bakteriengruppen notwendig:

Hydrolysierende und säurebildende

(fermentative) Bakterien

Essigsäure und wasserstoffbildende (acetogene)

Bakterien

Methanbildende (methanogene) Bakterien

In Phase I +II:

-Geringe

Veränderung des

Energiegehaltes.

CSB Abnahme

um rd. 10% bei

Ausgasen von

H2

-Absinken des

pH-Wertes

-Hemmung bei

pH < 4

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Gegenüberstellung aerobe und anaerobe

Abwasserbehandlung

Aerobsystem:

1kg CSB -> rd. 0,5 kg TS der Rest Wärme, CO2 und H2O

Anaerobsystem:

1kg CSB -> rd. 0,1 kg TS der Rest Wärme, CH4 und H2O

)/870.2(666 2226126 molkJGOHCOOOHC )/404(33 426126 molkJGCHCOOHC

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Vor- und Nachteile Anaerobtechnik

Vorteile

Keine Belüftungsenergie erforderlich

Energiegewinn durch Biogas und ggf.

Verstromung

Geringerer Raumbedarf

BR = 30 kg CSB/ m³ anaerobBR = 0,3 kg CSB/ m³ aerob

Anfallender Überschussschlamm ist

stabilisiert

Überschussschlammproduktion ca. 80 %

geringer als bei aeroben Verfahren

(rd. 0,15 kg TS/ kg CSB)

Geringer Nährstoffbedarf (N, P)

(CSB:N:P 1000:5:1) hoch versäuertes Wasser

(CSB:N:P 350:5:1) teilweise versäuertes Wasser

Nachteile

Lediglich Vorbehandlungsverfahren

Etwa 70 – 90 % bezogen auf den CSB

Aerobe Endbehandlung weiterhin

erforderlich

Empfindlichkeit gegenüber

Temperatur- und Belastungs-

schwankungen

Geringes Nährstoffelimi-

nationsvermögen (N, P)

Effizienter Biomasserückhalt im

System von besonderer Bedeutung

Erhöhte Anforderungen an die

Arbeitssicherheit (H2S)

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Einflussfaktoren auf die Prozessstabilität anaerober

Abbauvorgänge

Schwankende Abwassermengen und –konzentrationen(Organische Stoffe werden von verschiedenen Bakteriengruppen in nacheinander ausgeführten Abbauschritten umgesetzt. Hohe Empfindlichkeit und geringe Flexibilität gegenüber Milieuschwankungen)

Mischungsverhältnisse im Reaktor(Bei Biomassenkonzentrationen von bis zu 90 kg oTR/m³ muss sichergestellt werden, dass die Biomasse gut mit dem Abwasser vermischt wird, um lokale Totzonen und Überlastungsbereiche zu vermeiden und einen optimalen Stofftransport sicher zu stellen)

Substratkonzentration(CSB-Konzentrationen von 1.000 – 8.000 mg/l können betriebssicher behandelt werden. Bei höheren Konzentrationen Verdünnung durch Rückführung)

Temperatur(Optimaltemperatur mesophiler Bakterien liegt bei 30 – 40 °C. Je 10 °C Verdopplung der Aktivität, Temperaturschwankungen vermeiden. Ab 42 °C irreversible Schädigung der Methanbakterien)

pH-Wert(Optimaler pH-Wert in der VV etwa 6. Optimaler pH-Wert im IC-Reaktor etwa 6,5 – 7. Ein Absinken des pH-Wertes führt zu einer Hemmung der Methanbakterien. Da die Versäuerer weiterhin aktiv sind steigen die organischen Säuren an -> zunehmende Hemmung. Pufferung durch Kohlensäure Puffersystem)

Hemmwirkung von NH3(Beim relevanten pH-Wert von 6,6 ist eine Hemmung erst ab einer NH4-N-Konzentration > 4.000 mg/l zu befürchten)

Hemmwirkung organischer SäurenHemmwirksam ab einem undissoziierten Säureanteil > 0,1 – 1 mmol/l. Bei pH 7 liegt Essigsäure zu 99% in der „harmlosen“ dissoziierten Form vor. Erhöhte Achtsamkeit bei einem Säurekonzentration > 300 mg/l (rd. 5 mmol/l)

Hemmwirkung von H2S

Nährstoffversorgung(Nährstoffbedarf ist von der Abwassercharakteristik, Versäuerungsgrad und Schlammbelastung abhängig und liegt bezogen auf CSBabb : N : P zwischen 300 : 5 : 1 bis 1.000 : 5 : 1)

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Abbauvorgänge

Das bei der Reduktion von Sulphat entstehende

Sulfid kann in drei Formen vorliegen:

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Abbauvorgänge

Hemmwirkung von H2S

Am Beispiel der Randbedingungen auf der KA Arnsberg-Neheim soll eine mögliche H2S-

Problematik abgeschätzt werden:

CSB: 5.000 mg/l

etaCSB: 80 %

CSBabb: 4.000 mg/l

SO42-: 600 mg/l

T: 35°C

pH: 6,6

Spez. Biogasproduktion: 0,5m³/kgCSBab (bei 35°C)

Annahme: Sulfat wird zu 80% reduziert

lSmg

Smol

Sg

SOmg

Smmol

l

SOmgred

red

redredredS /160

32*

96

1*

600*8,02

4

2

4,

Berechnung des Verhältnisses „CSBabb/ Sred“ = 4.000 mg/l / 160 mg/l = 25

Bei diesem Verhältnis liegt die H2S-Konzentration im Biogas bei rd. 2,0 % sowie die H2S-Konzentration in der

Flüssigkeit bei etwa 50 mg/l. Eine akute H2S-Problematik besteht somit bei stabilen Betriebsverhältnissen nicht.

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Abbauvorgänge

Hemmwirkung von H2S

5

10

15

20

25

30

35

23.0

6.2

006

23.0

8.2

006

23.1

0.2

006

23.1

2.2

006

23.0

2.2

007

23.0

4.2

007

23.0

6.2

007

23.0

8.2

007

23.1

0.2

007

23.1

2.2

007

23.0

2.2

008

23.0

4.2

008

23.0

6.2

008

23.0

8.2

008

23.1

0.2

008

23.1

2.2

008

23.0

2.2

009

Verh

ält

nis

CS

Ba

bb/S

red

0

10000

20000

30000

40000

50000

60000

H2S

[p

pm

]

CSBabb/ Sred

Wepa Abwasser Austritt DL

H2S

Biogas

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Funktionsweise IC-Reaktoren

1) Zuführung und Verteilung des Zulaufes im

Reaktorfuß und Mischung mit der anaeroben,

granulierten Biomasse.

2) Umwandlung der organischen Komponenten in

Methan und Kohlendioxid im expandierten

Schlammbett.

3) Fassung des Biogases im ersten Abscheider und

weitestgehender Rückhalt der granulierten Biomasse

4) Transport des Biogases über Steigleitung (Gasriser)

zum Reaktorkopf. Dabei wird gemäß dem

Mammutpumpenprinzip Wasser mitgerissen (rd. 0,9 m³

Wasser pro m³ Gas)

5) Trennung von Biogas und Wasser im Gasabscheider

6) Zurückströmen des Wassers durch das Fallrohr

zum Reaktorfuss (interne Zirkulation)

7) Nachbehandlung

8) Fassung des restlichen Biogases im zweiten

Abscheider sowie Abtrennung der restlichen Biomasse

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Pelletschlamm

Grundsätzlich kann Biomasse als frei schwebende Biomasse, in flockiger Struktur, als Biofilm oder in

Form von Pellets auftreten. Die hohe Aufstromgeschwindigkeit in UASB-Reaktoren ist das

entscheidende Selektionskriterium für Bakterien, die zur Pelletbildung fähig sind. Die „anderen“

werden ausgespült.

Pellets haben einen Durchmesser von 0,5 bis 3 mm und weisen mit einer Sinkgeschwindigkeit von 50 –

80 m/h ein gutes Absetzvermögen auf. Biomassenkonzentrationen von bis zu 90 kg oTR/m³ möglich.

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Abwassertechnische Grundlagen - Zulauffrachten

Parameter Einheit 2003 2034

Qd,mittel [m³/d] 21.200 24.380

Bd,BSB,85% [kg/d] 4.000 4.600

Bd,CSB,85% [kg/d] 8.400 9.700

Bd,N.85% [kg/d] 924 1.005

Bd,P,85% [kg/d] 124 135

Bd,TS,50% [kg/d] 4.837 5.260

Kommunales Abwasser

Papierabwasser

Parameter Einheit 2003 2034

Qd,mittel [m³/d] 1.900 2.300

Bd,BSB,85% [kg/d] 4.250 5.250

Bd,CSB,85% [kg/d] 8.500 10.500

Bd,N.85% [kg/d] 45 50

Bd,P,85% [kg/d] 20 25

Bd,TS,50% [kg/d] 180 200

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Bemessung

IC-Reaktor

Volumen:

Auslegung erfolgt über die zulässige Schlammlast von 0,5 kg CSB/(kg oTR*d)

Bemessungsfracht: 12.000 kg CSB/d

berechnete erforderliche org. Schlammmasse: MoTR = 24.000 kg o TR

Pelletschlamm hat rd. 90 kg o TR/m³

berechnetes erforderliches Pelletschlammvolumen: VPS = 267 m³

Reaktor ist zu rd. 2/3 seines Volumens mit Pelletschlamm gefüllt

berechnetes erforderliches Volumen: VIC-R.= 267m³/0,67 = 400 m³

gewähltes Volumen VIC-R.= 2 * 200 m³ = 400 m³

(Raumlast als Vergleichsgröße: BR = 30 kg CSB/m³)

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KA Arnsberg-Neheim 2008

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Anlagenübersicht (Gesamtkonfiguration)

Vorversäuerung 2*250 m³

BHKW‘s 3*170 kWel

Gasbehälter 2*750 m³

IC-Reaktoren 2*200 m³

Abluftbehandlung

Siloxanwäsche

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Montagearbeiten im IC-Reaktor

Blick in den Reaktor, hier noch ohne Einbauten und Abscheiderelemente vor dem

Einbau

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Zulaufverteilung IC-Reaktor

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Eingebauter Abscheider

Ansicht von oben Ansicht von unten

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Ablaufbereich

Mit Deckeln verschlossene und offene Ablaufrinnen

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Vorgehensweise

• Im Rahmen der Betriebsdatenanalyse erfolgt eine graphische Auswertung der

Betriebsdaten seit Inbetriebnahme der Reaktoren im Dezember 2005

• Zusammensetzung des Papierabwassers und für den Anaerobprozess BedeutungWassermenge und CSB-Konzentration, CSB-Fracht des Wepa-Abwassers, Organische Säuren und Versäuerungsgrad,

Temperatur, Abfiltrierbare Stoffe und pH-Wert, Stickstoff und Phosphorfracht, Sulfatkonzentration

• Zusammensetzung des konditionierten Abwassers und Bedeutung für den AnaerobprozessWassermenge und CSB-Konzentration, Behandelter Anteil, Zugeführte CSB-Fracht, Organische Säuren und Versäuerungsgrad,

Temperatur, Abfiltrierbare Stoffe und pH-Wert, Zudosierte P-Fracht und Nährstoffverhältnis, Zudosierte N-Fracht und

Nährstoffverhältnis

• Zusammensetzung des anaerob vorbehandelten Abwassers und wesentliche

ProzessparameterCSB-Konzentration, Wirkungsgrad IC-Reaktoren, Gegenüberstellung Temperatur und ablaufender CSB, Organische Säuren, pH-

Wert und Alkalität, Natronlaugeverbrauch, Ablaufende Nährstoffe, Schlammmasse, Schlammbelastung, Aufstromgeschwindigkeit,

Gasproduktion,

• Energetische Betrachtung

Im Folgenden werden einige ausgewählte Parameter vorgestellt

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Temperatur Zulauf IC

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

01.1

2.2

005

01.0

2.2

006

01.0

4.2

006

01.0

6.2

006

01.0

8.2

006

01.1

0.2

006

01.1

2.2

006

01.0

2.2

007

01.0

4.2

007

01.0

6.2

007

01.0

8.2

007

01.1

0.2

007

01.1

2.2

007

01.0

2.2

008

01.0

4.2

008

01.0

6.2

008

01.0

8.2

008

01.1

0.2

008

01.1

2.2

008

01.0

2.2

009

Ab

wassert

em

pera

tur

[°C

]

Optimaler Temperaturbereich für IC

32°C - 39°C

Bei Temperaturen > 39°C erfolgt

zur Kühlung Zugabe von Wasser

aus der Vorklärung

Maximal zulässige IC-Prozesstemperatur (41°C)

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Anaerob behandelter Wepa-Anteil

Haupt Umfahrungssituationen:

Überhöhte Sulfatkonzentration im Papierabwasser

Anstieg der organischen Säuren im IC-Reaktor

Stützung der kommunalen Denitrifikation

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100Jan 0

6

Mrz

06

Mai 06

Jul 06

Sep 0

6

Nov 0

6

Jan 0

7

Mrz

07

Mai 07

Jul 07

Sep 0

7

Nov 0

7

Jan 0

8

Mrz

08

Mai 08

Jul 08

Sep 0

8

Nov 0

8

Jan 0

9

Mrz

09

Mai 09

[%]

Mit Anaerobie behandelter Wepa-Anteil

Stand 05.06.2009


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Schlammbelastung IC-Prozessparameter

0,00

0,10

0,20

0,30

0,40

0,50

0,60

0,70

0,80

0,90

1,00

14.1

2.2

005

14.0

2.2

006

14.0

4.2

006

14.0

6.2

006

14.0

8.2

006

14.1

0.2

006

14.1

2.2

006

14.0

2.2

007

14.0

4.2

007

14.0

6.2

007

14.0

8.2

007

14.1

0.2

007

14.1

2.2

007

14.0

2.2

008

14.0

4.2

008

14.0

6.2

008

14.0

8.2

008

14.1

0.2

008

14.1

2.2

008

14.0

2.2

009

kg

CS

B/

(kg

oT

R*d

)

Bemessungs-

Schlammlast

Wiederanfahren nach SchlammverlustIC-1 IC-2

Schlammbelastung

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CSB-Konzentration

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

01.1

2.2

005

01.0

2.2

006

01.0

4.2

006

01.0

6.2

006

01.0

8.2

006

01.1

0.2

006

01.1

2.2

006

01.0

2.2

007

01.0

4.2

007

01.0

6.2

007

01.0

8.2

007

01.1

0.2

007

01.1

2.2

007

01.0

2.2

008

01.0

4.2

008

01.0

6.2

008

01.0

8.2

008

01.1

0.2

008

01.1

2.2

008

01.0

2.2

009

CS

B [

mg

/]

Durchschnittliche

Reinigungsleistung > 70%

Zulauf Papierabwasser

Ablauf VV

Ablauf IC-Reaktor

Verdünnung mit kommunalem

Abwasser zur Kühlung

Schlammverlust

Stand 05.06.2009


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25


Aufstromgeschwindigkeit im Schlammbett

0,0

5,0

10,0

15,0

20,0

25,0

30,001.0

1.2

007

01.0

3.2

007

01.0

5.2

007

01.0

7.2

007

01.0

9.2

007

01.1

1.2

007

01.0

1.2

008

01.0

3.2

008

01.0

5.2

008

01.0

7.2

008

01.0

9.2

008

01.1

1.2

008

01.0

1.2

009

01.0

3.2

009

01.0

5.2

009

[m/h

]

Aufstromgeschwindigkeit im

Schlammbett (vH2O+Gas)

Öffnung der Rezileitung am

05.03.2009

IC-1 IC-2

Grenzgeschwindigkeit

Langsames

Wiederanfahren nach

Schlammverlust

Stand 05.06.2009


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26


Wirkungsgrad und externe Rezirkulation

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

10001.0

1.2

007

01.0

3.2

007

01.0

5.2

007

01.0

7.2

007

01.0

9.2

007

01.1

1.2

007

01.0

1.2

008

01.0

3.2

008

01.0

5.2

008

01.0

7.2

008

01.0

9.2

008

01.1

1.2

008

01.0

1.2

009

01.0

3.2

009

01.0

5.2

009

[%]

0

300

600

900

1200

1500

Qe

xte

rne

Re

zi [m

³/d

]

Öffnung der externen Rezirkulation am 05.03.09

Schlammverlust

Ende Januar 2008

Stand 05.06.2009


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27


Organische Säuren und pH-Wert, Ablauf IC

3

3,5

4

4,5

5

5,5

6

6,5

7

7,5

806.1

2.2

005

06.0

3.2

006

06.0

6.2

006

06.0

9.2

006

06.1

2.2

006

06.0

3.2

007

06.0

6.2

007

06.0

9.2

007

06.1

2.2

007

06.0

3.2

008

06.0

6.2

008

06.0

9.2

008

06.1

2.2

008

06.0

3.2

009

pH

-Wert

0

500

1000

1500

2000

2500

org

an

isch

e S

äu

ren

[m

g/l]IC-1 IC-2

organische Säuren und pH-Wert Ablauf IC

Schlammverlust

Ende Januar 2008

pH-Wert IC

pH-Wert-Abfall

Stand 05.06.2009


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Strombezug und Eigenstromerzeugung

KA Arnsberg-Neheim

0

50.000

100.000

150.000

200.000

250.000

300.000

350.000

kW

h/

Mo

na

t

Jan

05

Mrz

05

Mai

05

Jul

05

Sep

05

Nov

05

Jan

06

Mrz

06

Mai

06

Jul

06

Sep

06

Nov

06

Jan

07

Mrz

07

Mai

07

Jul

07

Sep

07

Nov

07

Jan

08

Mrz

08

Mai

08

Jul

08

Sep

08

Nov

08

Vom EVU geliefert Mit BHKW erzeugt

Inbetriebnahme

IC-Reaktoren

Inbetriebnahme 3. BHKW

+ Siloxanwäsche

Stand 05.06.2009


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Stromverbrauch der biologischen Stufe

0

50.000

100.000

150.000

200.000

250.000

300.000

350.000

[kW

h/M

on

at]

Jan

04

Apr

04

Jul

04

Okt

04

Jan

05

Apr

05

Jul

05

Okt

05

Jan

06

Apr

06

Jul

06

Okt

06

Jan

07

Apr

07

Jul

07

Okt

07

Jan

08

Apr

08

Jul

08

Okt

08

Mittlere Strombedarf

Biologie

2004

239.000 kWh/Monat

Inbetriebnahme

IC-Reaktor im

Dezember 2005


Biologie

2005

236.000 kWh/Monat


Biologie

2006

195.000 kWh/Monat


Biologie

2007

193.000 kWh/Monat


Biologie

2008

188.000 kWh/Monat

Stand 05.06.2009


Weimar

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Handlungsempfehlungen zum optimierten Betrieb

• Erhöhung des pH-Wertes im Schlammbett (mit Natronlaugekosten verbunden)

• Zugabe von sulfatfreiem Verdünnungswasser aus dem Ablauf der kommunalen

Vorklärung (nur bei ausreichend hoher Temperatur möglich)

• Zugabe von Verdünnungswasser aus dem Ablauf IC (externe Rezirkulation)

Hauptziel besteht in einer anaeroben Vorbehandlung von möglichst 100% des Papierabwassers. Im

Rahmen der Betriebsdatenanalyse wurden drei Umfahrungssituationen herausgestellt:

• Überhöhte Sulfatkonzentration im Papierabwasser

• Anstieg der organischen Säuren im IC-Reaktor

• Stützung der kommunalen Denitrifikation

Bei zu hohen Sulfatkonzentrationen in Verbindung mit einem niedrigen Verhältnis „CSBabb/Sred“ sowie

bei einem Anstieg der organischen Säuren im Reaktor ist eine sofortige Abhilfe durch folgende

Maßnahmen möglich:

Eine Umfahrung der Reaktoren zur Stützung der kommunalen Denitrifikation wird auch in Zukunft

erforderlich sein.

Realistisch ist daher eine anaerobe Vorbehandlung von etwa 90 % des Papierabwassers

Stand 05.06.2009


Weimar

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Handlungsempfehlungen zum optimierten Betrieb

Ein Frühwarnsystem gegen Betriebsstörungen umfasst folgende Leitparameter:

• Organische Säuren (Warnwert > 300 mg/l)

• Alkalität (Warnwert < 20 mmol/l)

• pH-Wert im Reaktor (Warnwert < 6,4)

• CH4-Gehalt im Biogas (Warnwert < 60 %)

Stand 05.06.2009


Weimar

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Zusammenfassung und Fazit

• Unter Berücksichtigung der genannten Leitparameter können die Dosierung von

Natronlauge und Phosphorsäure reduziert sowie der für die Betriebsüberwachung

erforderliche Analyseaufwand reduziert werden.

• Eine gezielte pH-Wert Erhöhung im IC-Reaktor vermindert den undissoziierten,

schädlichen Anteil organischer Säuren.

• Eine Zugabe von extern rezirkuliertem Wasser verbessert die Durchmischung und den

Stoffaustausch im Schlammbett.

• Mit Öffnung der externen Rezirkulation ist daher eine Wirkungsgraderhöhung auf 80%

möglich

• Weiterhin kann der behandelte Anteil auf etwa 90 % gesteigert werden

• Im Rahmen einer Kostenbetrachtung werden die Optimierungspotentiale

- Reduktion der eingesetzten Betriebsmittel

- Erhöhung der Energieerlöse durch die Biogasverwertung und

- Verringerung des Stromverbrauchs der aeroben Biologie

monetär in der Summe mit 200.000 €/a bewertet.

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