Technische Grundlagen und Betriebsmanagement eines Niedriglastgebläse-Belüftungsbeckens
1. Übersicht
1.1 Funktionsprinzip von Gebläsebelüftungsbecken
Die in China häufig verwendete Gebläsebelüftung umfasst hauptsächlich diffuse, spiralförmige und mikroporöse Belüftungsarten. Ein Belüftungsbecken besteht typischerweise aus einem Belüftungssystem, der Beckenstruktur und Einlass-/Auslassöffnungen und dient als Schlüsselstruktur bei der Belebtschlamm-Abwasserbehandlung. Gängige Belüftungsmethoden sind mechanische Belüftung und Gebläsebelüftung. Gebläsebelüftungssysteme bestehen im Allgemeinen aus speziellen Belüftern und Gebläsen. Die Becken sind oft in mehrere Kompartimente unterteilt, die jeweils unabhängig voneinander Zufluss bieten können. Abwasser gelangt in das Becken und verlässt es am gegenüberliegenden Ende. Dabei wird Luft über Kompressoren zu Diffusoren am Beckenboden gefördert und in Form von Blasen freigesetzt.
1.2 Verwandte Forschung zu Gebläsebelüftungsbecken
Forschung von Cheng Dandan et al. fanden heraus, dass in Chinas kommunalen Kläranlagen (WWTPs) Belüftungsgebläse etwa 60 % der Gesamtenergie verbrauchen. Durch die Integration des Belüftungssystems in eine intelligente PID-Regelung mit geschlossenem Regelkreis für gelösten Sauerstoff (DO) und die Implementierung von Strategien zur Einsparung von Gebläseenergie-kann der hohe Energieverbrauch in Kläranlagen-Belüftungssystemen effektiv angegangen und um über 30 % gesenkt werden.
Liu Xiaoqi et al. setzten Belüfter mit verteilter Strömung ein, um den Sauerstoffgehalt im Abwasser während der Behandlung zu erhöhen und gleichzeitig den Energieverbrauch zu senken. Dadurch wurde auch eine gleichmäßige Wasser-{2}}Luftmischung und -verteilung erreicht, wodurch die Präzisionsanforderungen für die Nivellierung der Belüfterinstallation reduziert wurden.
Chang Kai et al. Verbesserte Leistung des herkömmlichen Belüftungsbeckensystems durch Änderung des ursprünglichen Luftsammelmodus. Sie ersetzten herkömmliche mikroporöse Belüfter durch mikroporöse Silikonplattenbelüfter mit hoher Sauerstoffübertragungseffizienz und ersetzten Belebungsbecken mit geradem-Durchgang und drei{5}Durchgängen mit serpentinenförmiger Strömung. Durch die Integration einer präzisen Belüftungssteuerung wurde das System weiter verbessert und die Probleme des hohen Energieverbrauchs, der geringen Effizienz und des schlechten Stoffübergangs bei herkömmlichen Gebläsebelüftungsmethoden behoben.
1.3 Betriebsführung von Gebläsebelüftungsbecken
Gebläsebelüftungsbecken werden häufig in der Abwasserbehandlung eingesetzt. Nach dem Prinzip der „getrennten Behandlung verschiedener Abfallströme“ verarbeitet die Salzwasseraufbereitungsanlage einer bestimmten Kläranlage hauptsächlich elektrische Entsalzungsabwässer aus atmosphärischer-Vakuumdestillation, gestripptes gereinigtes Wasser, Alkylierungsneutralisierungsabwasser sowie einige Überstände und Abwässer mit hohem-Salzgehalt. Diese Einheit verfügt über ein dreistufiges biologisches Aufbereitungssystem mit dem Gebläse-Belüftungsbecken als Sekundärstufe. Der durchschnittliche chemische Sauerstoffbedarf (CSB) des Zuflusses liegt konstant unter 100 mg/L, was es als Belebtschlammverfahren mit geringer Belastung einstuft. Über die Modernisierung der Ausrüstung hinaus erfordert die Aufrechterhaltung eines optimalen Betriebs eine sorgfältige Kontrolle und Anpassung der Prozessparameter.
2. Übersicht über die Einrichtung
2.1 Prozessablauf der Salzwasseraufbereitungsanlage
Die Einheit verwendet einen „Ausgleich + Ölabscheidung + zwei-Stufen-Flotation + drei-stufige biologische Behandlung“, wobei das behandelte Abwasser einer Poliereinheit zugeführt wird. Der Ölabscheider verwendet eine kombinierte horizontale Strömung und eine geneigte Plattenkonstruktion. Die beiden Flotationsstufen nutzen Vortex Cavitation Air Flotation (CAF) bzw. Partial Reflux Pressurized Dissolved Air Flotation (DAF). Die drei biologischen Stufen sind nacheinander: Reiner Sauerstoff-Belüftungstank III, Gebläse-Belüftungstank und sekundärer biochemischer Tank (EM-BAF). Der Prozessablauf ist in dargestelltAbbildung 1.
2.2 Beschreibung des Gebläsebelüftungsbeckens
Das Gebläsebelüftungsbecken ist eine zweckentfremdete Anlage, die ursprünglich 1995 als Teil einer ölhaltigen Abwasserbehandlungsanlage gebaut wurde. Es verwendet ein traditionelles Plug-{2}}Belüftungsdesign mit einem effektiven Volumen von 3.888 m³ und einer aktuellen hydraulischen Verweilzeit (HRT) von etwa 17,6 Stunden. Das Becken wird in zwei parallelen Zügen mit jeweils vier Abteilen betrieben. Am Boden sind Belüfter installiert, die von Zentrifugalgebläsen versorgt werden und Sauerstoff für den Belebtschlammstoffwechsel liefern. Es ist außerdem mit zwei Nachklärbecken (Φ18m x 5m) ausgestattet.
Innerhalb des dreistufigen biologischen Systems:
- Stufe 1 (Belüftungstank III für reinen Sauerstoff): Hauptfunktion ist die CSB-Entfernung.
- Stufe 2 (Gebläse-Belüftungstank): Primäre Funktion ist die Entfernung von Ammoniakstickstoff (NH₃-N), sekundäre Funktion ist die weitere CSB-Entfernung.
- Stufe 3 (Sekundärer biochemischer Tank - EM-BAF): Dient zur weiteren Reinigung von COD und NH₃-N im Abwasser und sorgt so für die endgültige Wasserqualität.
2.3 Zufluss- und Abwasserqualität des Gebläsebelüftungsbeckens
Der Zufluss zum Gebläsebelüftungsbecken stammt aus dem Reinsauerstoff-Belüftungstank III mit Schadstoffgrenzwerten: CODcr weniger als oder gleich 300 mg/L, NH₃-N weniger als oder gleich 30 mg/L, suspendierte Feststoffe (SS) weniger als oder gleich 50 mg/L.
Sein Abwasser speist den sekundären biochemischen Tank mit Grenzwerten: CODcr weniger als oder gleich 120 mg/L, NH₃-N weniger als oder gleich 30 mg/L, SS weniger als oder gleich 50 mg/L.
Das endgültige Abwasser aus dem sekundären biochemischen Tank muss Folgendes erfüllen: CODcr kleiner oder gleich 70 mg/L, Erdöl kleiner oder gleich 5 mg/L, NH₃-N kleiner oder gleich 3 mg/L.
Im gesamten Jahr 2021 betrug der durchschnittliche CODcr-Zufluss des Beckens 67,094 mg/L und der durchschnittliche NH₃-N-Wert 23,098 mg/L, was beides den Designanforderungen entsprach. Der besonders niedrige CSB-Zufluss führte jedoch zu einem Mangel an Kohlenstoffquellen für den Belebtschlamm, was sich auf seinen normalen Stoffwechsel auswirkte. Umgekehrt begünstigten ausreichend Ammoniakstickstoff und niedrige organische Schadstoffkonzentrationen in der Mischlauge die Nitrifikation, die effektiv ablief.
3. Betriebliche Einflussfaktoren und Kontrollmaßnahmen
3.1 Auswirkungen geringer Zulauffracht und Schlammalterung
Mit einem CSB-Wert im Zufluss von 67,094 mg/L-unter dem Auslegungsgrenzwert (weniger als oder gleich 300 mg/L) und dem mikrobiellen Kohlenstoffbedarf (ca. . 100 mg/L BSB₅)- kam es im Belebtschlamm zu einem Mangel an Kohlenstoffquellen. Die geringe Belastung führte zu einem langsamen Schlammwachstum, was zu einer Alterung und der Bildung einer lockeren Struktur führte. Gealterter, abgestorbener Schlamm bildete Schaum, der auf der Oberfläche des Nachklärbeckens schwamm. Mangels Einrichtungen zur Schaumsammlung floss dieser Schaum mit dem Abwasser heraus, verursachte Trübung, überschritt die CSB- und SS-Grenzwerte und überlastete anschließend den nachgeschalteten sekundären biochemischen Tank, was sich auf die endgültige Qualität des Abwassers auswirkte.
Gegenmaßnahme: Das Betriebsteam kontrollierte die Konzentration der Mixed Liquor Suspended Solids (MLSS). Mit einem 1000-ml-Messzylinder für den 30-minütigen Sludge Volume Index (SVI)-Test hielten sie den SVI bei etwa 20 %, was einem MLSS von etwa 2 g/L entspricht. Diese ausgewogene Schadstoffentfernungseffizienz verhindert Schlammalterung, Aufschwimmen und eine Verschlechterung der Wasserqualität. Das langsame Schlammwachstum führte zu einer minimalen und seltenen Schlammverschwendung, was den nitrifizierenden Bakterien eine Verweilzeit ermöglichte, die über ihre minimale Generationszeit hinausging, was die Nitrifikation weiter förderte.
3.2 Auswirkungen der Kontrolle von gelöstem Sauerstoff (DO).
Mikroorganismen in Belebtschlamm sind hauptsächlich aerob und benötigen typischerweise Sauerstoff zwischen 1-3 mg/L. Unternehmensstandards legen den DO-Bereich für herkömmliche Pfropfenströmungsbelüftungsbecken auf 2–4 mg/L fest, wobei die Nitrifikation einen DO-Wert im Allgemeinen nicht unter 2,0 mg/L erfordert. Die derzeit geringe Zuflussbelastung und die weiter verringerte MLSS-Konzentration senkten den DO-Bedarf und erschwerten die Kontrolle. Die Aufrechterhaltung einer vollständigen Durchmischung erhöhte den Sauerstoffgehalt häufig auf über 4 mg/L, während die Kontrolle des Sauerstoffgehalts innerhalb des Zielbereichs manchmal zu einer unzureichenden Durchmischung in einigen Bereichen führte, was zu einer Schlammabsetzung führte.
Darüber hinaus beschleunigt ein hoher Sauerstoffgehalt die Zersetzung organischer Stoffe und verschlimmert die Schlammalterung. Daher wird der Sauerstoffgehalt in der Praxis auf etwa 3 mg/L kontrolliert. Darüber hinaus werden alle Luftventile etwa monatlich angepasst, um die Gleichmäßigkeit der Mischung zu verbessern, ruhende Flocken zu reaktivieren und die aktive Biomasse aufrechtzuerhalten.
3.3 Einfluss der Wassertemperatur
Die Temperatur beeinflusst die mikrobielle Aktivität erheblich. Geeignete Temperaturen fördern die Aktivität, während niedrige Temperaturen sie hemmen oder reduzieren und hohe Temperaturen die Physiologie verändern oder zum Tod führen können. In diesem System sind thermophile Bakterien die wichtigsten funktionellen Gruppen. Aus Gründen der Systemsicherheit wird die Temperatur normalerweise zwischen 15 und 35 Grad gehalten, der geeignete Bereich liegt jedoch bei 10 bis 45 Grad. Über 30 Grad können nitrifizierende Proteine denaturieren und ihre Aktivität verringern. Der Belebtschlamm enthält sowohl CSB-abbauende als auch nitrifizierende Bakterien, wobei die Nitrifikation einen engeren optimalen Bereich von 5–30 Grad aufweist.
Das salzhaltige Abwasser enthält Ströme mit hoher-Temperatur. Zu den Vorfällen in der Vergangenheit gehörten aufeinanderfolgende Tage, an denen die Temperatur des Zulaufs 40 Grad überstieg, was zum Zerfall des Schlamms, zum Absterben von CSB---Abbau- und Nitrifikatoren und zum Zusammenbruch des Systems führte. Anschließend wurde ein Thermometer an der Abflussleitung des Ausgleichsbehälters installiert, um die Auslasstemperatur genau zu kontrollieren und 40 Grad nicht zu überschreiten, um den Anforderungen an die Schlammtemperatur gerecht zu werden. Im Jahr 2021 kam es zu keinen vergleichbaren Vorfällen mit Auswirkungen auf die Nitrifikation.
3.4 Einfluss der Alkalität
Gemäß den einschlägigen Unternehmensnormen sollte bei der Verwendung von Belebtschlamm zur Ammoniakentfernung das Verhältnis von Gesamtalkalität zu Ammoniakstickstoff im Zulauf nicht weniger als 7,14 betragen; andernfalls muss die Alkalität ergänzt werden. Bei einem geplanten NH₃-N-Einfluss von 30 mg/L und einem tatsächlichen Durchschnitt von 23,098 mg/L beträgt die erforderliche Gesamtalkalität nicht weniger als 214,2 mg/L. Derzeit reicht die Alkalität des Zuflusses nicht aus, so dass eine tägliche Zugabe von Soda (Na₂CO₃) erforderlich ist, um den Prozessanforderungen gerecht zu werden.
3.5 Einfluss von pH-Wert und toxischen Substanzen
Activated sludge microorganisms thrive in a pH range of 6.5–8.5. Below pH 4.5, protozoa largely disappear, most microbial activity is inhibited, fungi become dominant, floc structure is destroyed, and sludge bulking can occur. Above pH 9, metabolism is severely affected, causing floc disintegration and bulking. Wastewater with pH >10 oder<5 should be neutralized before entering the aeration basin.
Der aerobe mikrobielle Stoffwechsel kann pH-Änderungen mäßig abfedern. Beispielsweise kann die Verwendung von Stickstoffverbindungen den pH-Wert während der Nitrifikation senken, während durch Decarboxylierung alkalische Amine entstehen, die den pH-Wert erhöhen. Dies ermöglicht eine langfristige Gewöhnung an leicht saure/alkalische Abwässer. Die inhärente Alkalität des Abwassers trägt auch dazu bei, den pH-Wert-Abfall zu verhindern.
Drastische pH-Verschiebungen (z. B. plötzlicher alkalischer Zustrom in ein saures System) wirken sich jedoch erheblich auf Mikroben aus und können den Betrieb stören. Daher hängt die Notwendigkeit der Neutralisierung vom Einzelfall ab. Kleinere, anhaltende pH-Schwankungen, insbesondere bei schwachen Säuren/Basen, erfordern möglicherweise keine Neutralisierung. Größere Schwankungen erfordern eine pH-Wert-Anpassung auf neutral.
Nitrifizierende Bakterien sind sehr pH-empfindlich, wobei die optimale Nitrifikation bei pH 7,2–8,0 liegt, während allgemeine Mikroben 6,5–8,5 bevorzugen. Für bestimmte Industrieabwässer sind die Arten toxischer Stoffe häufig festgelegt, Konzentrationen und Einleitungsmengen schwanken jedoch. Neben dem Ausgleich müssen auch die einströmenden Schadstoffmengen überwacht und kontrolliert werden. Nach der Schlammakklimatisierung sollte auf der Grundlage des Akklimatisierungsgrads und der Betriebserfahrung ein maximaler Grenzwert für die Zuflusskonzentration festgelegt werden. Eine längere Überschreitung erfordert Maßnahmen wie die Reduzierung des Zuflusses, die Erhöhung der Schlammrückführung oder die Verbesserung der Sauerstoffanreicherung, um eine mikrobielle Vergiftung und ein Versagen der Behandlung zu verhindern. Derzeit wurden im Zufluss des Beckens keine giftigen Substanzen nachgewiesen, die eine mikrobielle Vergiftung verursachen könnten.
3.6 Auswirkungen einwirkender Stoßbelastungen
Der einströmende CSB bleibt mit geringfügigen Schwankungen stabil niedrig, und auch NH₃-N und Gesamtstickstoff (TN) bleiben über lange Zeiträume in relativ stabilen Bereichen. Die Nitrifikantenpopulation bleibt relativ konstant. Aufgrund ihrer langsamen Wachstumsrate kann jedoch ein plötzlicher, erheblicher Anstieg des zufließenden NH₃-N oder TN die Entfernungskapazität des Beckens sättigen und die Qualität des abfließenden NH₃-N und TN beeinträchtigen.
Theoretisch folgt der mikrobielle N- und P-Bedarf einem BSB₅:N:P-Verhältnis von 100:5:1. Der N- und P-Gehalt variiert jedoch stark je nach Art des Industrieabwassers. Einige Abwässer enthalten viel N und P und müssen daher entfernt werden, um den Standards zu entsprechen. Andere weisen einen Mangel auf und erfordern eine Nahrungsergänzung, um eine Einschränkung des Stoffwechsels zu vermeiden. Bei Betriebsbecken zur Behandlung von Abwasser mit niedrigem N/P-Gehalt können Zuflussmengen von etwa 10 mg/L NH₃-N und 5 mg/L Phosphat den mikrobiellen Bedarf decken. Längere Werte unterhalb dieser Werte erfordern eine erhöhte N/P-Dosierung.
Der tägliche Betrieb erfordert eine genaue Überwachung von NH₃-N und TN in allen Zulaufströmen und dem Abfluss des Ausgleichsbehälters sowie in den Rückführungsströmen aus Ausgleichsbehältern, um eine Überlastung der nachgeschalteten Poliereinheit und eine Gefährdung der Sicherheit des endgültigen Abflusswassers zu verhindern.
4. Fazit
Als zentraler Nitrifikationsreaktor in der Salzwasseraufbereitungsanlage erfordert das Gebläsebelüftungsbecken eine genaue tägliche Überwachung der Wassertemperatur, des zufließenden NH₃-N und des TN. Eine strenge Kontrolle der MLSS-Konzentration, die Aufrechterhaltung eines Sauerstoffgehalts von etwa 3 mg/L und die Sicherstellung einer ausreichenden Alkalitätszugabe sind von wesentlicher Bedeutung. Unter diesen optimierten Maßnahmen läuft das System stabil mit ausgezeichneter Abwasserqualität: durchschnittlicher CSB von 54,213 mg/L, NH₃-N von 9,678 mg/L und SS von 23,849 mg/L, wodurch die Zuflussanforderungen des sekundären biochemischen Tanks vollständig erfüllt werden. Kontinuierliche Tests, Zusammenfassungen und Optimierungen unter verschiedenen Aspekten sind ebenfalls von entscheidender Bedeutung, um die Zuverlässigkeit der Geräte und die Effizienz der Systembehandlung weiter sicherzustellen.