Modernisierung der Kläranlage in der Inneren Mongolei: Wie AAO+MBBR einen defekten DE-Oxidationsgraben ersetzte, um 2.000 mg/L CSB bei 0,85 RMB/m³ zu behandeln

Im Jahr 2004 begann eine Kläranlage in Xilinhot, Innere Mongolei, mit der Behandlung von 38.000 m³/Tag mit einem DE-Oxidationsgraben. Es wurde für kommunales Abwasser konzipiert. Was dabei herauskam, war Schlachthofabwasser – Stallwaschmittel, Blut, Fett, Knochenreste und Mist –, das den zufließenden CSB nach sich zog2.000 mg/Lund Ammoniakstickstoff zu120 mg/L. Der Oxidationsgraben, der in einer Stadt, in der die Temperaturen das ganze Jahr über niedrig bleiben, zwischen aerobem und anoxischem Modus wechselt, konnte nicht mithalten. Der Gehalt an gelöstem Sauerstoff lag unter 1 mg/L. Nitrifizierende Bakterien haben sich nie etabliert. Das Abwasser verfehlte die Klasse B häufiger als es dort ankam. Das Upgrade fügte eine DAF-Vorbehandlung, eine neue biologische AAO+MBBR-Stufe und eine fortschrittliche Behandlung hinzu – und löste alle vier Probleme auf einmal. Das Abwasser entspricht nun stabil der Klasse A. Kosten:0,85 RMB pro Kubikmeter.

1. Die ursprüngliche Anlage – und warum sie scheiterte

Die Phase-I-Anlage wurde im August 2004 mit einer Auslegungskapazität von 1.000 m² in Betrieb genommen40,000 m³/d. Der biologische Abschnitt nutzte das DE-Oxidationsgrabenverfahren (siehe Abbildung 1), wobei das Abwasser erforderlich war, um die Anforderungen zu erfüllenKlasse-B-Standardvon GB 18918-2002. Der tatsächliche Durchfluss durch das Rohrnetz betrug ca. 38.000 m³/Tag. Der ursprüngliche Entwurf ging von typischen kommunalen Abwassereigenschaften aus. Die Realität sah anders aus: Ein großer Teil des Zuflusses stammte aus Schlachthöfen und die Schadstoffkonzentrationen überstiegen die Auslegungswerte massiv.

Vier verschiedene Probleme führten dazu, dass der DE-Oxidationsgraben für diesen Standort der falsche Prozess war:

Problem 1 - CSB unterdrückte die Nitrifikation

Der einströmende CSB erreicht regelmäßig 2.000 mg/L. Heterotrophe Bakterien, die sich von dieser organischen Fülle ernährten, vermehrten sich schnell und verbrauchten gelösten Sauerstoff in einem Tempo, das das Belüftungssystem nicht erreichen konnte. DO im Oxidationsgraben bliebunter 1 mg/Lüber längere Zeiträume. Nitrifizierende Bakterien – autotrophe Bakterien, die einen hohen Sauerstoffgehalt und keinen hohen Gehalt an organischen Stoffen benötigen – litten unter Sauerstoffmangel. Als direkte Folge der CSB-Überladung brach die Entfernung von Ammoniakstickstoff zusammen.

Problem 2 - Schlachtabfälle widersetzten sich dem biologischen Abbau

Schlachthofabwasser ist eine komplexe Mischung: Stallwaschwasser, das Schweinegülle und unverdautes Futter enthält; Blut, Fett, Fleischreste, Knochenreste, Haare und Kot vom Schlachtboden. Das Abwasser ist bräunlich-rot und hat einen fischigen Geruch, der noch aus mehreren Metern Entfernung wahrnehmbar ist. Diese Ströme mit hohem CSB- und Ammoniakgehalt verfaulen schnell. Begrenzt durch das Volumen des biologischen Tanks war die hydraulische Verweilzeit zu kurz, als dass diese widerspenstigen organischen Stoffe biologisch auf ein niedriges Niveau abgebaut werden könnten. Nicht zurückgehaltene organische Schwebstoffe werden mit dem Abwasser ausgeschieden, verbrauchen im Vorfluter gelösten Sauerstoff und schädigen das Ökosystem.

Problem 3 - Der abwechselnde aerobe/anoxische Modus ist bei Kälte fehlgeschlagen

In Xilinhot herrschen das ganze Jahr über niedrige Temperaturen. Das mikrobielle Wachstum ist langsam; Nitrifizierende Bakterien sind die kälteempfindlichsten von allen. Im DE-Oxidationsgraben wechseln sich aerobe (nitrifizierende) und anoxische (denitrifizierende) Bedingungen ab. Im aeroben Betrieb war das Sauerstofffenster zu kurz, als dass Nitrifikanten eine lebensfähige Population aufbauen konnten, bevor der Zyklus wieder auf anoxisch umschaltete und sie erneut unterdrückte. Denitrifizierende Bakterien, die an anoxische Bedingungen angepasst waren, litten gleichermaßen unter den ständigen Zyklen. Das wechselnde Sauerstoffregime, das in einem wärmeren Klima tolerierbar ist, wurde in der Kälte der Inneren Mongolei zu einem Killer für die Stickstoffentfernung.

Problem 4 - Durch die Oberflächenbelüftung wurde Wärme abgeführt

Oberflächenbelüfter maximieren die Kontaktfläche zwischen Abwasser und Luft, um den Sauerstofftransfer zu fördern. Die gleiche Kontaktfläche führt auch zu Wärmeverlusten. Im Klima von Xilinhot war jede übertragene Sauerstoffeinheit mit einem thermischen Nachteil verbunden – das Abwasser im Oxidationsgraben verlor begrenzte Wärme an die kalte Luft, was die ohnehin langsame biochemische Kinetik noch weiter beeinträchtigte.

2. DIE UPGRADE-STRATEGIE: DAF + AAO+MBBR + ZWEISTUFIGE STICKSTOFFENTFERNUNG

Bei der Modernisierung mussten vier Probleme gleichzeitig gelöst werden: hoher CSB, hoher Ammoniakgehalt, niedrige Temperatur und kein verfügbares Land für den Bau neuer Tanks. Die Lösung wurde umgebautMBBR-Technologie- Ausgewählt aufgrund seiner starken Anpassungsfähigkeit an kaltes Wetter, seiner kompakten Stellfläche und der Fähigkeit, es mit herkömmlichen Prozessen zu kombinieren, ohne dass zusätzliches Tankvolumen erforderlich ist.

MBBR-Träger in der aeroben Zone fördern bevorzugt das Wachstum nitrifizierender Bakterien, und der von den Trägern ablösende Biofilm impft den suspendierten Belebtschlamm kontinuierlich mit Nitrifikatoren. Dies kompensiert direkt den Nitrifikationsmangel, der den ursprünglichen DE-Oxidationsgraben beeinträchtigte. Das Verfahren zeigt auch eine hohe Toleranz gegenüber toxischen Schocks – wichtig angesichts der Variabilität der Schlachtabfälle.

Fünf Designentscheidungen definierten das Upgrade:

1. DAF-Vorbehandlung.Eine Flotationseinheit mit gelöster Luft wurde hinzugefügt, um Öl und SS aus der Schlachthausfraktion zu entfernen, bevor sie die biologische Stufe erreichte. Stark einströmendes SS und Fett hatten den Oxidationsgraben vom ersten Tag an überlastet.

2. Neuer AAO-Panzer mit MBBR-Trägern.Es wurde ein völlig neuer primärer anaerober/anoxischer/aerober Tank mit HDPE-MBBR-Trägern (500 m²/m³ spezifische Oberfläche, zylindrisch, ~20 mm Durchmesser × 10 mm Länge) sowohl in der anoxischen Zone (3.110 m³ Trägervolumen) als auch in der aeroben Zone (6.264 m³ Trägervolumen) gebaut. Design-MLSS: 4.000 mg/L. Anaerobe HRT: 2,0 Stunden. Anoxische HRT: 6,2 Stunden. Aerobe HRT: 12,5 Stunden.

3. Oxidationsgraben in sekundäres AO umgewandelt.Der bestehende DE-Oxidationsgraben wurde in einen sekundären anoxischen/aeroben Tank umgewandelt (Gesamt-HRT 12,2 Stunden, 6,1 Stunden pro Zone). Bei einem TN-Wert im Zufluss von 130 mg/L konnte ein einstufiger AO die erforderliche Entfernung nicht erreichen – die internen Rezirkulationsverhältnisse müssten 1.000 % überschreiten. Durch die zweistufige AO ist die Stickstoffentfernung rechnerisch bei praktischen Rezirkulationsverhältnissen (300 % primär, 200 % sekundär) erreichbar.

4. Fortgeschrittene Behandlung.Ein hocheffizienter Sedimentationstank (Oberflächenbelastung 7,3 m³/m²·h, mit Rohrabscheidermedium) gefolgt von kontinuierlichen Sandfiltern (48 Einheiten, AS 50020, jeweils 5,5 m², Gesamtfiltrationsfläche 288 m², Auslegungsfiltrationsrate 5,78 m³/h) wurden nach dem Nachklärbecken hinzugefügt, um das Abwasser auf Klasse-A-Standards zu polieren.

5. Intelligente Belüftung und Chemikaliendosierung.IoT-basierte Präzisionsbelüftung und automatisierte Chemikaliendosierung ersetzten die manuelle, erfahrungsbasierte Steuerung und beseitigten die chronische Überbelüftung und Überdosierung, die die Betriebskosten der ursprünglichen Anlage in die Höhe getrieben hatten.

3. BAUEN OHNE ABSCHALTUNG – DREI HERAUSFORDERUNGEN

Die Anlage konnte während der Modernisierung nicht mit der Abwasseraufbereitung aufhören. Es zeichneten sich drei Herausforderungen ab:

Herausforderung 1 - Einhaltung der Compliance während des Tankumbaus.Durch die Abschaltung eines Biotanks während der Regenzeit (Juli–September) erhöhte sich die Belastung der verbleibenden Tanks. Lösung: Panzer wurden einzeln rekonstruiert. Das alte Schlammeindickungsbecken wurde in ein temporäres Sedimentationsbecken umgewandelt, um sekundäres Umlaufwasser zu sammeln und zurückzuleiten und so eine zusätzliche Belastung des biologischen Bereichs zu verhindern. Die Nottanks wurden vor den vorhergesagten starken Regenfällen geleert.

Herausforderung 2 - Überlappende Konstruktion und Sicherheit.Im sekundären AO-Tank liefen gleichzeitig die Bauarbeiten und die Installation der Prozessleitungen. Lösung: Es wurde ein strukturiertes Kommunikations- und Koordinierungsprotokoll mit detaillierten Sicherheitsplänen und Notfallreaktionsverfahren erstellt, in denen die Verantwortlichkeiten jeder Partei festgelegt sind.

Herausforderung 3 - Schlammentsorgung aus dem stillgelegten Tank.Der sekundäre AO-Tank fasste 4,5 m³ Belebtschlammwasser plus 0,5 m³ anorganisches Sediment. Lösung: Die neue Schlammentwässerungsanlage wurde frühzeitig in Betrieb genommen; Ein Teil des Schlamms wurde entwässert und ein Teil zur Besaatung des neuen AAO-Primärtanks überführt.

4. ERGEBNISSE: ABFLUSS DER KLASSE A AUS EINFLUSS DER KLASSE B+

4.1 Wasserqualität – vorher und nachher

Die Eigenschaften des Zuflusses sind in jeder Hinsicht schwerwiegend – eine Mischung aus kommunalem Abwasser und Schlachthofabwasser. Tabelle 1 zeigt die Entwurfs- und tatsächlichen Werte für sieben Parameter sowie die nach dem Upgrade erzielten Abtragsraten.

*Der NH₃-N-Abflussgrenzwert beträgt normalerweise 5 mg/L; 8 mg/L gelten, wenn die Wassertemperatur unter 12 Grad liegt.

Nach der Modernisierung erfüllten alle Abwasserindikatoren stabil die AnforderungenKlasse-A-Standard von GB 18918-2002, obwohl die Einflusskonzentrationen weit über der ursprünglichen Auslegungsbasis liegen. Die Behandlungseffizienz des biologischen Systems verbesserte sich in allen Parametern deutlich (siehe Abbildung 3).

4.2 Aufschlüsselung der Betriebskosten

Die jährlichen direkten Betriebskosten betragen ca12,45 Millionen RMB, was einen Stückpreis von ergibt0,8528 RMB/m³(ohne Abschreibung und Finanzierung der Ausrüstung). Strom dominiert, was den Ausschlag gibt62.4%der Betriebskosten - eine direkte Folge des hohen Sauerstoffbedarfs aus konzentriertem Zufluss und des kalten Klimas, das die biologische Kinetik verlangsamt.

5. ENERGIEOPTIMIERUNG: INTELLIGENTE STEUERUNGEN statt manueller Vermutungen

Da Strom 62 % der Betriebskosten ausmacht, war Energieeffizienz keine Option. Drei Maßnahmen wurden in den Entwurf eingebettet:

1. IoT-basierte Präzisionsbelüftung.Eine Internet-of-Things-Plattform sammelt Echtzeit-DO-, Ammoniak- und Durchflussdaten und passt dann die Gebläseleistung automatisch an. Anstatt die Gebläse mit einer festen Geschwindigkeit laufen zu lassen, die auf der Erfahrung des Bedieners basiert, liefert das System genau die Luft, die die Biologie benötigt – nicht mehr und nicht weniger.

2. Intelligente Chemikaliendosierung.Die Dosierungsraten von PAC, PAM und Chlordioxid sind an den Echtzeitdurchfluss und die Schadstoffbelastung gebunden, wodurch das Kriechen des Sicherheitsfaktors vermieden wird, das den Chemikalienverbrauch in manuell betriebenen Anlagen in die Höhe treibt.

3. Adaptive Betriebsmodi.In Zeiten geringer Zuflusskonzentration kann der MBBR-Prozess in einen energiereduzierten Betriebsmodus wechseln – weniger Gebläse online, geringere Mischintensität – ohne die Einhaltung der Abwasservorschriften zu gefährden. Das Gebäudedesign maximiert außerdem die natürliche Belüftung, um den HVAC-Strombedarf zu reduzieren.

WICHTIGE ERKENNTNISSE

1. DE-Oxidationsgräben versagen in kalten Klimazonen mit hochkonzentriertem Abwasser.Der abwechselnde aerobe/anoxische Zyklus verhindert, dass sich die Populationen von Nitrifizierern oder Denitrifizierern stabilisieren, und Oberflächenbelüftung kostet Wärme. Wenn Ihre Anlage sowohl eine niedrige Temperatur als auch einen hohen Ammoniakgehalt aufweist, ist der DE-Oxidationsgraben der falsche biologische Prozess.

2. MBBR-Träger beimpfen Nitrifikatoren in den suspendierten Schlamm.Dies ist der Schlüsselmechanismus, der den Nitrifikationsmangel des ursprünglichen Prozesses ausgleicht. Der Biofilm auf den Trägern züchtet bevorzugt nitrifizierende Bakterien und keimt kontinuierlich die gemischte Flüssigkeit – eine Form der In-situ-Bioaugmentation, die keine externe Kohlenstoffquelle erfordert.

3. Zweistufiges AO macht die Entfernung von hochwirksamem Stickstoff praktisch.Bei einem TN-Zufluss von 130 mg/L würde ein einstufiger AO ein internes Rezirkulationsverhältnis von mehr als 1.000 % erfordern. Durch die Aufteilung der Stickstofflast auf einen primären AAO+MBBR- und einen sekundären AO-Tank wird TN der Klasse A (weniger als oder gleich 15 mg/L) bei beherrschbaren Rezirkulationsverhältnissen erreicht.

4. Die DAF-Vorbehandlung ist nicht verhandelbar, wenn Schlachtabwasser in der Mischung enthalten ist.Öle und Fette aus Tierkörperbeseitigungsvorgängen verunreinigen MBBR-Träger und unterdrücken die Sauerstoffübertragung. Entfernen Sie sie vor der biologischen Phase oder zahlen Sie die Strafe in Form von Gebläsestrom.

5. Ein Bau ohne Stillstand ist mit einer stufenweisen Tanksequenzierung möglich.Bauen Sie zuerst den neuen primären AAO-Tank, nehmen Sie ihn in Betrieb und nehmen Sie dann den alten Oxidationsgraben außer Betrieb, um ihn in sekundären AO umzuwandeln. Das alte Schlammeindickungsbecken kann während der Umstellung als temporärer Sedimentationspuffer dienen.

6. Die Betriebskosten von 0,85 RMB/m³ für 2.000 mg/L CSB-Zufluss sind wettbewerbsfähig.Die stromdominierte Kostenstruktur (62 %) spiegelt den tatsächlichen Sauerstoffbedarf dieses Abwassers wider. IoT-basierte Belüftungssteuerung und adaptive Betriebsmodi sind die Hebel, die verhindern, dass es höher geht.