Aerobe Faulreaktoren (ADR) für die biologische Abwasserbehandlung

Vorteile biologischer Abwasserbehandlungen

Biologische Abwasserbehandlung (anaerobe und aerobe Faulreaktoren) nutzt die Fähigkeit bestimmter Mikroorganismen (einschließlich Bakterien), organische Stoffe und im Wasser gelöste Nährstoffe für ihr eigenes Wachstum zu assimilieren und somit lösliche Bestandteile im Wasser zu entfernen. Lösliche organische Stoffe werden von Mikroorganismen als Kohlenstoffquelle assimiliert. Nach diesem Vorgang wird die aus dem Überstand produzierte Biomasse durch Dekantation getrennt. Für das Wachstum der Mikroorganismen werden Stickstoff und Phosphor im Abwasser sowie organische Stoffe benötigt. Ist deren Konzentration nicht ausreichend, müssen sie der Behandlung zugeführt werden.

Die traditionelle Anwendung besteht darin, biologisch abbaubare organische Stoffe, sowohl lösliche als auch kolloidale, sowie stickstoff- und phosphorhaltige Verbindungen zu entfernen. Es ist eine der häufigsten Behandlungen für kommunales Abwasser und die meisten industriellen Abwässer aufgrund seiner Einfachheit und niedrigen Betriebskosten.

In den meisten Fällen stellt die organische Substanz die Energie- und Kohlenstoffquelle dar, die die Mikroorganismen zum Wachstum benötigen. Die Anwesenheit von Nährstoffen, die die für das Wachstum essentiellen Elemente enthalten, ist ebenfalls notwendig, insbesondere die Verbindungen N und P, und schließlich im Falle eines aeroben Systems die Anwesenheit von im Wasser gelöstem Sauerstoff. Dieser letzte Aspekt ist entscheidend bei der Wahl des am besten geeigneten biologischen Verfahrens.

Die einzigen Voraussetzungen für die erfolgreiche Anwendung dieser Technologien sind, dass die Kontamination biologisch abbaubar ist und keine bioziden Verbindungen im zu behandelnden Abwasser enthalten sind. Mikroorganismen können organische Stoffe sowohl mit als auch ohne Sauerstoff assimilieren.

Im bakteriellen Stoffwechsel spielt das Elektronenakzeptorelement eine grundlegende Rolle bei den Oxidationsprozessen der organischen Substanz. Darüber hinaus hat dieser Aspekt einen wichtigen Einfluss auf die Anwendungsmöglichkeiten der Wasserbehandlung. Basierend auf dem genannten Elektronenakzeptor werden drei Fälle unterschieden:

1. Aerobe Systeme: Die Anwesenheit von O2 macht dieses Element zum Elektronenakzeptor, weshalb hohe energetische Ausbeuten erzielt werden, was zu einer bedeutenden Schlammproduktion durch das starke Wachstum aerober Bakterien führt. Die Anwendung auf Abwasser kann durch die geringe Sauerstofflöslichkeit im Wasser stark eingeschränkt sein.
2. Anaerobe Systeme: In diesem Fall kann der Elektronenakzeptor CO2 oder ein Teil der organischen Substanz selbst sein, wobei als Produkt dieser Reduktion Kohlenstoff in seiner am stärksten reduzierten Form, CH4, entsteht. Der Einsatz dieses Systems hat den wichtigen Vorteil der Gewinnung von Brenngas.
3. Anoxische Systeme: Dies bezieht sich auf Systeme, in denen das Fehlen von O2 und die Anwesenheit von NO3 letzteren zum Elektronenakzeptor machen, der sich unter anderem in N2, ein völlig inertes Element, umwandelt. Unter bestimmten Bedingungen ist somit die biologische Entfernung von Nitraten (Denitrifikation) möglich.

Der am besten geeignete Typ des biologischen Verfahrens wird nach Analyse der Eigenschaften des zu behandelnden Abwassers im Einzelfall ausgewählt.

Aerobe Systeme

Aerobe Abwasserbehandlungssysteme nutzen die Fähigkeit von Mikroorganismen, durch Assimilation von organischen Stoffen und Nährstoffen (Stickstoff und Phosphor), die im Wasser gelöst sind, in Gegenwart von Sauerstoff zu wachsen, der als Elektronenakzeptor bei der Oxidation der organischen Substanz wirkt.

Dieses Phänomen führt zu hohen Energieausbeuten und erheblicher Schlammproduktion, die aus dem starken Wachstum der Bakterien unter aeroben Bedingungen resultiert.

PHASEN DER AEROBEN BEHANDLUNG

Ein aerobes Behandlungssystem besteht aus folgenden Phasen:

1. Vorbehandlung

Großformatige Feststoffe, die in der Kläranlage ankommen, werden zuerst entfernt. Werden sie nicht effektiv entsorgt, können diese Materialien zu schweren Geräteschäden führen. Steine, Sand, Blechdosen usw. verursachen erheblichen Verschleiß an Rohrleitungen sowie Pumpen.

Öle und Fette werden ebenfalls in dieser Phase entfernt, um eine Verlangsamung der biologischen Behandlung zu verhindern, da sowohl die Leistung als auch die Qualität des Abwassers abnimmt. Hierfür werden sowohl physikalische als auch mechanische Verfahren eingesetzt. Die Hauptverfahren hängen von der Herkunft des Abwassers, seiner Qualität und der anschließenden Behandlung ab:

• Abtrennung großer Feststoffe: Dieses System wird eingesetzt, wenn das zu behandelnde Wasser große Feststoffe enthalten kann. Es besteht aus einer Grube am Eingang des Sammlers, um die Feststoffe zu konzentrieren und den Sand in einen bestimmten Bereich absinken zu lassen, wo er effektiv entfernt werden kann.
• Grobgitter: Diese Maßnahme verhindert, dass große Feststoffe in großer Menge spätere Prozessabschnitte verstopfen. Es besteht aus Stäben mit unterschiedlichen Abständen, um Feststoffe nach Größe zu trennen.
• Siebung: Diese Maßnahme ist erforderlich, wenn das Abwasser große Mengen an schwimmenden Feststoffen oder Trümmern enthält. Es werden Siebe unterschiedlicher Dicke verwendet.
• Sandfang: Zur Entfernung von Feststoffpartikeln größer als 200 Mikrometer, die Rohre oder Pumpen blockieren und verschiedene Geräte beschädigen können.
• Entfettung: Zur Entfernung von Fetten, Ölen, Schaum und anderen leichteren schwimmenden Stoffen, die nachfolgende Behandlungsprozesse beeinträchtigen können. Dies erfolgt normalerweise durch Einblasen von Luft, um die Emulsion zu brechen und das Fett zum Aufschwimmen zu bringen.

2. Primärbehandlung

In dieser Phase werden Schwebstoffe aus dem Wasser mittels verschiedener physikalischer und chemischer Verfahren entfernt. Diese Feststoffe können sedimentierbar, schwimmend oder kolloidal sein.

• Sedimentation: Die Trennung durch Schwerkraft führt dazu, dass dichtere Partikel als Wasser am Boden des Absetzbeckens abgelagert werden. Je größer die Größe und Dichte der zu trennenden Partikel im Wasser, desto höher die Sedimentationsgeschwindigkeit, was der Hauptkonstruktionsparameter für diese Ausrüstung ist. Diese Sedimentationsmaßnahme wird auch als Dekantation bezeichnet. Die Primärdekantation entfernt Schwebstoffe (ca. 60 %) und organische Stoffe (ca. 30 %) und schützt nachfolgende biologische Oxidationsprozesse vor dem Eindringen von inertem, hochdichtem Schlamm. Es gibt rechteckige, runde und lamellare Absetzer, die verwendet werden können.
• Flotation: Diese beruht auf Dichteunterschieden und trennt feste oder flüssige Stoffe, die weniger dicht als die Flüssigkeit sind, indem sie an die Oberfläche steigen. Luft wird als Flotationsmittel verwendet, und je nachdem, wie sie in die Flüssigkeit eingebracht wird, gibt es zwei Flotationssysteme: Dissolved Air Flotation (DAF), bei der Luft unter mehreren Atmosphärendruck in das Abwasser eingebracht wird; und Induced Gas Flotation, bei der Gasblasen über Diffusoren erzeugt werden.
• Flockung – Koagulation: Sind sehr kleine Partikel vorhanden, bilden sich hochstabile kolloidale Suspensionen aufgrund elektrischer Wechselwirkungen zwischen ihnen, deren Sedimentationsrate langsam ist. Um deren Entfernung zu verbessern, werden chemische Reagenzien zugegeben, die die kolloidale Suspension destabilisieren (Koagulation) und deren Flockung fördern, um leicht sedimentierbare Partikel zu erhalten. Koagulantien sind üblicherweise Chemikalien mit entgegengesetzter elektrischer Ladung zur Kolloidlösung.
• Filtration: Das Wasser wird durch ein poröses Medium gefiltert, um möglichst viel der suspendierten Stoffe zurückzuhalten. Das traditionell verwendete poröse Medium ist ein Sandbett variabler Höhe.

3. Sekundärbehandlung

Diese basiert auf biologischen Prozessen, bei denen Mikroorganismen (insbesondere Bakterien) biologisch abbaubare organische Stoffe, sowohl kolloidal als auch gelöst, sowie Nährstoffe (Verbindungen mit N und P) entfernen. In den meisten Fällen wird organische Substanz von den Mikroorganismen oxidiert, die sie als Energiequelle für ihr Wachstum nutzen.

Aerobe Prozesse basieren auf der Eliminierung organischer Schadstoffe durch deren Umwandlung in bakterielle Biomasse mit Hilfe von Sauerstoff (der als Elektronenakzeptor im Oxidationsprozess wirkt), CO2 und H2O.

• Faulung: In aeroben Systemen durchläuft das Abwasser einen aeroben Reaktor-Faulter, der die Mikroorganismen enthält, welche die gelösten organischen Stoffe mittels Sauerstoffzufuhr oxidieren.
• Dekantation: Der gebildete Schlamm wird in sekundären Absetzbecken durch Schwerkraft getrennt.

4. Tertiärbehandlung

Je nach Qualität des erhaltenen Abwassers, dessen endgültiger Verwendung und geltender Gesetzgebung kann eine tertiäre Behandlung angewandt werden, um verbleibende organische Belastungen und andere nach der Sekundärbehandlung nicht entfernte Schadstoffe wie Nährstoffe, Phosphor und Stickstoff zu entfernen. Es können beliebige Kombinationen physikalischer, chemischer oder biologischer Verfahren eingesetzt werden. Üblicherweise sind dies:

• Filtration: Mikrofiltration, Ultrafiltration.
• Ionen-Austausch.
• Umkehrosmose.
• Adsorption.
• Membranen.
• Desinfektion. Dies besteht darin, pathogene oder andere lebende Mikroorganismen zu entfernen oder zu inaktivieren, um die Wiederverwendung des behandelten Wassers zu gewährleisten. Die wichtigsten Desinfektionsverfahren sind:
  • Chlorierung
  • Ozonierung
  • Elektrodesinfektion

Klassifikation aerober Faulreaktoren

Je nach verwendetem System für das Wachstum der Biomasse werden aerobe Behandlungssysteme wie folgt klassifiziert:

1. Biomasse in Suspension (Belebtschlamm). Biomasse wächst frei oder in Suspension im Bioreaktor und bildet Flocken.

• Konventionelles Verfahren
• Sequenzielle Chargenreaktoren (SBR): Diese Behandlungsart erfolgt in Chargenform, wobei alle Prozesse nacheinander im selben Tank ablaufen. Es ist eine gute Alternative für Industrien mit kleinen, aber stark variierenden Abwassermengen.
• Membranbioreaktor (MBR): Dies ähnelt der Belebtschlamm-Methode, jedoch mit einem Ultrafiltrationsmembranmodul im Inneren, das Schlamm und Flüssigkeit mittels Membranen trennt. Dies bietet erhebliche Vorteile gegenüber herkömmlichen Sekundärabsetzern und ist eine Alternative bei begrenztem Platz.
  
  Membranbioreaktoren sind die Kombination eines Bioreaktors, in dem eine konzentrierte Suspension von Mikroorganismen die im Wasser vorhandene Kontamination abbaut, und einer Membranfiltrationseinheit (0,01-0,04 µm), die die Biomasse vom gereinigten Wasser trennt.

  Die Hauptvorteile des MBR-Systems gegenüber Belebtschlamm sind, dass es sich um relativ kleine Anlagen handelt, die eine hochwertige Abwasserqualität mit geringer Schlammproduktion ermöglichen. Dieses System eignet sich zur Behandlung sowohl kommunaler als auch biologisch abbaubarer industrieller Abwässer. Die meisten Anwendungen finden sich in den Bereichen Lebensmittel, Pharmazeutik, Kosmetik und Deponien.

  Ein weiterer Vorteil ist die Prozesssteuerungsfreiheit, da hydraulische Verweilzeiten und Biomasse manipuliert werden können. Da es nicht mit Sediment arbeitet, kann die Anlage klein sein und durch Membrantechnologie eine bessere Trennung als frühere Systeme erreichen. Gleichzeitig erzeugt es jedoch mehr Verschmutzung als andere Systeme, da das Medium stärker bewegt wird als beim konventionellen Schlammverfahren, was zu einer höheren Produktion von EPS führt. Trotz der genannten positiven Eigenschaften sind die Kosten für die Vorbeugung und Beseitigung der Membranverschmutzung hoch, um einen optimalen Betrieb zu gewährleisten.

  Die Permeabilität der Membran wird durch die Eigenschaften des Schlamms beeinflusst. Die im Schlamm vorhandenen Zellen können während der Filtration eine Schicht um die Membran bilden und einen Biofilm erzeugen, der die Permeabilität verringert, ein Problem, das durch Ablagerung von Partikeln und Adsorption kolloidaler Materialien verstärkt werden kann. Biologische Faktoren wie Nährstoffgehalt, Alter des Schlamms und Agitationsgrad beeinflussen die Produktion extrazellulärer polymerer Substanzen, die für die Verschmutzung verantwortlich sind. Die Verschmutzung des Bioreaktors kann reversibel sein, d. h. durch physikalische Reinigung entfernt werden, oder irreversibel, d. h. eine chemische Reinigung erfordern. Dies hängt davon ab, wie fest die Verschmutzung an der Membran haftet. Es gibt jedoch auch irreversible Verschmutzungen, die sich nicht entfernen lassen und die Lebensdauer der Membran bestimmen. Alle diese Verschmutzungsarten treten zu unterschiedlichen Zeitpunkten auf.

  Während der Filtration führt der Anstieg des Transmembrandrucks hauptsächlich zur Bildung eines Filterkuchens, der die Membran verstopft. Dieser kann durch physikalische Reinigung entfernt werden, aber langfristig hält diese Reinigung dem anfänglichen Transmembrandruck nicht stand. Überschreitet der Druck nach der physikalischen Reinigung einen bestimmten Wert, wird eine chemische Reinigung durchgeführt. Dennoch verhindert die irreversible Verschmutzung nicht den allmählichen Anstieg des Transmembrandrucks über Jahre.

  Das Filtermodul kann extern oder intern im Bioreaktor sein. Der Unterschied besteht darin, dass der Energieverbrauch bei externen MBR-Systemen zehnmal höher ist als bei internen. Dennoch haben externe MBRs Vorteile gegenüber internen, wie die Möglichkeit der In-situ-Reinigung der Membran, einfachen Zugang zu den Modulen, die Möglichkeit, die Anzahl der Module zu ändern, und die Optimierung der Belüftung des Bioreaktors für maximale Sauerstoffübertragungskoeffizienten.

  Es gibt auch eine neue MBR-Konfiguration namens Air lift MBR, die aus einem externen MBR besteht, der einfachen Zugang zur Membran bietet und mit großen Durchflüssen arbeitet. Gleichzeitig hat das interne System den Vorteil eines niedrigen Energieverbrauchs (0,5 kWh/m³).

  

• BIOCARB®: Dies ist ein exklusives, von Condorchem Envitech patentiertes Verfahren, das auf einem festen Bett eines aeroben Reaktors mit granuliertem Aktivkohlefüllmaterial basiert. Die Kohle filtert, adsorbiert und dient als Träger für den Biofilm sowie zur Versorgung der Mikroorganismen mit Mineralien und Spurenelementen. Der Adsorptionsprozess trägt doppelt zum Verfahren bei, indem er Belastungsspitzen abmildert und die Verweilzeit der Schadstoffe im Reaktor erhöht, sodass persistente organische Verbindungen abgebaut werden können. Der BioCarb®-Reaktor hat sich besonders bei der Behandlung farbiger, schwer biologisch abbaubarer Schadstoffe bewährt. Zudem bedeutet die Immobilisierung der Biomasse auf der Oberfläche der Braunkohlekohle, dass das Abwasser biologisch und physikochemisch in einem einzigen Schritt behandelt wird.

2. Feste Biomasse. Die Biomasse wächst an einem natürlichen oder künstlichen Träger an und bildet eine Schicht oder einen Film.

• Biodiscs: Dies besteht aus einer Reihe von Scheiben aus einem bestimmten Material (z. B. Holz, gewelltes Polyethylen oder Polystyrol und PVC), die sich um eine horizontale Achse drehen und sich im Inneren des Reaktors befinden. Auf diesem Medium bildet sich allmählich ein bakterieller Biomassefilm, der die im Abwasser gelösten organischen Stoffe als Substrat für seinen Stoffwechsel nutzt. Wenn die Oberfläche der Scheibe mit Luft in Kontakt kommt, nimmt die an der Scheibe haftende Biomasse den für den Abbau der organischen Substanz notwendigen Sauerstoff während der Eintauchphase auf.
• Biofilter: Die Luft wird in der Nähe der Emissionsquelle angesaugt und in eine Konditionierungskammer geleitet, wo sie mit Feuchtigkeit gesättigt wird und zu einem Bett mit fester Biomasse geleitet wird. Schadstoffe werden auf dem Biofilm der Biomasse adsorbiert, der sich auf dem Füllmaterial bildet, und anschließend von Mikroorganismen verdaut. Diese Verdauungs- und Metabolisierungsprozesse wandeln die Verbindungen in geruchsfreie um.
• Trickling-Filter: Abwasser fließt oder wird auf den Filter gesprüht. Beim Durchströmen der Filterporen wird die organische Substanz von der Biomasse, die das Filtermaterial bedeckt, abgebaut.
• Moving Bed Biofilm Reactor (MBBR): Die reinigende bakterielle Kultur liegt in Form eines Biofilms vor, der an spezifischen großflächigen Trägern (Filterfüllung) haftet, die im biologischen Reaktor untergetaucht und in Bewegung sind.

Die Auswahl des am besten geeigneten biologischen Verfahrens mit Biomasse in Suspension oder fester Biomasse erfolgt nach Analyse der Eigenschaften des Abwassers, des industriellen Prozesses, der es erzeugt, des erforderlichen Reinigungsgrades und der Gesamtbedürfnisse des Anwenders:

Aerobe vs. anaerobe Reaktoren: Vorteile und Nachteile, grundlegende Auswahlkriterien

Die Kriterien zur Auswahl, ob ein aerobes Verfahren geeigneter ist oder ein anaerobes Verfahren vorzuziehen ist, sind:

• Konzentration der zu entfernenden organischen Substanz.
• Ob eine Stickstoffentfernung erforderlich ist.
• Verfügbarkeit von physischem Raum.
• Projektkosten für Betrieb (OPEX) und Investition (CAPEX).

Die folgende Tabelle zeigt, welcher Prozess (aerob oder anaerob) gemäß diesen Kriterien bevorzugt wird:

Vorteile aerober Systeme:

• Eine große Vielfalt an Abwässern kann behandelt werden: die beiden Voraussetzungen sind, dass sie biologisch abbaubar sind.
• Höhere Ausbeute als anaerob = 0,4 (1 g organische Substanz für 0,4 g Biomasse).
• Einfache Bedienung.
• Niedrige Investitionskosten (CAPEX).
• Minimiert Geruchsbildung.
• Reduziert Koliforme, Krankheitserreger und Fette.
• Erzeugt geklärten Überstand.
• Eine größere Anzahl von Bakterientypen kann für die Faulung verwendet werden.
• Geringere Schlammrespirationsrate.

Nachteile aerober Systeme:

• Hohe Betriebskosten (OPEX) aufgrund des kontinuierlichen Energieverbrauchs für die Belüftung.
• Viele Parameter müssen für optimale Ergebnisse kontrolliert werden: pH, Temperatur, % organische Substanz, Zulauffluss, % toxische Verbindungen (Biozide).
• Höhere Kosten bei Wartung oder Ausfall, da die für das Überleben der Mikroorganismen notwendigen organischen Substanzwerte aufrechterhalten werden müssen.

SCHLAMMPRODUKTION: HERAUSFORDERUNG AEROBER SYSTEME

Eine der größten Herausforderungen aerober Systeme ist das Management des produzierten Schlamms. Das folgende Diagramm zeigt den allgemeinen Schlammmanagementprozess, abhängig von der Menge.

Derzeit wird in vielen Fällen und wann immer möglich eine anaerobe Behandlung für das Schlammmanagement nach der aeroben Behandlung eingesetzt.