Erweiterte Stickstoffentfernung in Kläranlagen: Pure Biofilm MBBR-Prozessdesign und Leistungsanalyse|Fallstudie

Technisches Design und Leistung eines reinen Biofilm-MBBR-Prozesses zur erweiterten Stickstoffentfernung

Mit der umfassenden Weiterentwicklung des ökologischen Zivilisationsaufbaus Chinas sind die Einleitungsnormen für Kläranlagen (WWTPs) immer strenger geworden. Der Grad-A-Standard des „Discharge Standard of Pollutants for Municipal Wastewater Treatment Plants“ (GB 18918-2002) erfordert eine TN von weniger als oder gleich 15 mg/L, während lokale Standards in Regionen wie Peking und Shandong den Grenzwert ausdrücklich auf eine TN von weniger als oder gleich 10 mg/L festlegen. Diese erhöhten Standards gehen über die reinen Wasserqualitätsgrenzen hinaus und stellen strengere Anforderungen an die Abwasserstabilität. Daher besteht ein dringender Bedarf, die Stickstoffentfernungskapazität von Behandlungsprozessen zu verbessern. Ein Ansatz besteht darin, die Dosierung der Kohlenstoffquelle im bestehenden Prozess zu erhöhen, um die Denitrifikation zu verbessern. Dies führt jedoch zu hohen Betriebskosten und erhöhten Kohlenstoffemissionen. Alternativ kann die Hinzufügung fortschrittlicher Stickstoffentfernungsanlagen, bei denen häufig Biofilmmethoden zur effizienten Anreicherung denitrifizierender Bakterien eingesetzt werden, die TN-Entfernung verbessern, den Bedarf an externen Kohlenstoffquellen verringern und die Kohlenstoffemissionen senken. Der Moving Bed Biofilm Reactor (MBBR) mit seinen Vorteilen einer starken funktionellen Bakterienanreicherung, einer geringen Stellfläche sowie einer einfachen Bedienung und Wartung wird häufig beim Bau, der Erweiterung und der Modernisierung von Kläranlagen eingesetzt. Es kann stabil Abflussstandards erreichen, die besser sind als die Qualität von Oberflächengewässern der Quasi-Klasse IV, und birgt erhebliches Potenzial und Vorteile für die fortschrittliche Stickstoffentfernung in Kläranlagen. In diesem Artikel wird eine Kläranlage in Shandong als Fallstudie untersucht, um die Designgründe und die Betriebsleistung der Anwendung eines reinen Biofilm-MBBR-Verfahrens zur erweiterten Stickstoffentfernung zu analysieren und eine technische Referenz für eine effiziente Denitrifizierung von Abwasser bereitzustellen.

1. Projektübersicht

1.1 Projekteinführung

Der Bau einer Kläranlage in Shandong erfolgte in zwei Phasen. Die erste Phase mit dem BIOLAK-Verfahren wurde im November 2003 mit einer Aufbereitungskapazität von 40.000 m³/Tag offiziell in Betrieb genommen. Das Layout des BIOLAK-Prozesses und der verfügbare Bereich für Upgrades sind in dargestelltAbbildung 1. Anfänglich entsprach die Abwasserqualität dem Grad-B-Standard von GB 18918-2002. Bis 2020 wurde die Abwasserqualität durch eine verbesserte Dosierung der Kohlenstoffquelle und die Hinzufügung einer fortschrittlichen Behandlung auf den Standard der Klasse A verbessert. Bis 2023, nach drei Betriebsjahren, könnte die Gesamtqualität des Abwassers im Allgemeinen dem Grad-A-Standard entsprechen, allerdings standen zwei große Herausforderungen hinsichtlich der Stickstoffentfernung an:

Hohe Dosierung der Kohlenstoffquelle: Um das Ziel einer TN von weniger als oder gleich 15 mg/L zu erreichen, war eine erhebliche Menge an externer Kohlenstoffquelle erforderlich. Berechnungen auf der Grundlage von Prozessabschnitten ergaben ein C/N-Verhältnis von bis zu 5,9, wohingegen der AAO-Prozess in der zweiten Phase der Anlage nur ein C/N-Verhältnis von 4,5–5,0 erforderte, um eine stabile TN-Konformität sicherzustellen. Die große Zugabe von Kohlenstoffquellen wirkte sich auch negativ auf den aeroben Nitrifikationsprozess aus und erhöhte den Sauerstoffbedarf in der aeroben Zone.

Schlechte Stabilität der Stickstoffentfernung: Da Nitrifikation und Denitrifikation im selben Tank unter unterschiedlichen erforderlichen Bedingungen stattfanden, mussten die Betriebsparameter häufig an Änderungen des Zuflusses angepasst werden. Die Kontrolle von NH₃-N und TN war widersprüchlich, was es schwierig machte, ein stabiles Gleichgewicht zwischen Nitrifikation und Denitrifikation aufrechtzuerhalten. Die Stoßbelastungsfestigkeit des Systems war durchschnittlich, was zu einer schlechten Abwasserstabilität führte.

Daher war eine Modernisierung des ursprünglichen BIOLAK-Verfahrens erforderlich, mit den Hauptzielen, den Konflikt zwischen Nitrifikation und Denitrifikation zu lösen, die Betriebskosten für die Stickstoffentfernung zu senken und die Abwasserstabilität zu verbessern.

1.2 Upgrade-Herausforderungen

Da das BIOLAK-Verfahren für eine Modifikation im Tank zur Leistungssteigerung ungeeignet war, wurde geplant, die Behandlung durch den Bau einer neuen, fortschrittlichen Stickstoffentfernungseinheit zu verstärken. Der ursprüngliche BIOLAK-Prozess konzentrierte sich hauptsächlich auf die Nitrifikation mit sekundärer Denitrifikation, während sich der neue Prozess auf die Denitrifikation konzentrieren würde. Angesichts des tatsächlichen Renovierungsbedarfs stand das Projekt vor zwei großen Herausforderungen: begrenzte verfügbare Fläche für den neuen Prozess und hohe Anforderungen an die betriebliche Effizienz.

Begrenztes verfügbares Land für neuen Prozess: Der Neubau musste auf dem bestehenden Werksgelände fertiggestellt werden, für das im Wesentlichen kein reserviertes Grundstück vorhanden war. Der Bau war nur auf einem an die BIOLAK-Becken angrenzenden Grüngürtel mit einer zur Verfügung stehenden Fläche von 400 m² möglich. Dies bedeutete, dass der Fußabdruck des neuen Projekts pro behandelter Wassereinheit höchstens 0,01 m²/(m³·d) betragen musste.

Hohe Anforderungen an die betriebliche Effizienz: Dabei handelte es sich nicht um ein einfaches Upgrade, sondern um eine weitere Optimierung der biochemischen Funktionszone. Die neue Einheit sollte eine Stickstoffentfernungslast von 20 mg/L bewältigen können. Dieser Prozess musste nicht nur auf einer begrenzten Fläche durchgeführt werden, sondern musste auch die Dosierung der Kohlenstoffquelle im Vergleich zur ursprünglichen BIOLAK-Denitrifizierung reduzieren und gleichzeitig eine stabile Denitrifizierungsleistung gewährleisten. Daher wurden hohe Anforderungen sowohl an die Effizienz der Stickstoffentfernung als auch an die Effizienz der Kohlenstoffquellennutzung gestellt.

2. Prozessvergleich und -auswahl

Nach der Behandlung mit dem BIOLAK-Verfahren besteht das Abwasser TN hauptsächlich aus Nitratstickstoff. Derzeit nutzen ausgereifte, fortschrittliche Stickstoffentfernungsverfahren hauptsächlich Biofilmmethoden, die sich dadurch auszeichnen, dass sich Mikroorganismen in einem gebundenen Zustand effizient auf Trägeroberflächen anreichern und eine deutlich höhere Effizienz der funktionellen Bakterienanreicherung bieten als herkömmliche Belebtschlammverfahren. Biofilmprozesse können basierend auf der Trägerfluidisierung weiter in Festbett- und Bewegtbetttypen unterteilt werden, wie in gezeigtAbbildung 2.Denitrifizierende Filter, typische Festbett-Biofilmprozesse, nutzen feste körnige Filtermedien als mikrobielle Wachstumsträger. Durch die Zugabe einer externen Kohlenstoffquelle nutzen sie die Denitrifizierung des Biofilms und die Filterung des Mediums, um gleichzeitig eine Entfernung von NO₃ zu erreichen^--N, SS und andere Schadstoffe. Zu den Vorteilen gehören eine stabile Qualität des aufbereiteten Wassers, kein Bedarf an sekundären Klärbecken und ein kompakter Aufbau, wodurch sie häufig bei der Modernisierung von Kläranlagen als fortschrittliche Aufbereitungseinheit zur Verbesserung der TN-Entfernung aus sekundären Abwässern eingesetzt werden. Der operative Fokus muss jedoch auf den Auswirkungen von C/N auf die fortgeschrittene Denitrifikationseffizienz liegen. Das Phase-I-Upgrade-Projekt der Kläranlage Pingtang, ebenfalls mit einer Kapazität von 40.000 m³/Tag, nutzte einen Denitrifikationsfilter + hocheffiziente Flotation mit gelöster Luft (DAF) als fortschrittliches Behandlungsverfahren, um die TN des Abwassers auf Quasi{8}}Oberflächenwasserstandards der Klasse IV anzuheben. Dadurch wurde eine Grundfläche von etwa 0,045 m²/(m³·Tag) erreicht, wodurch Land gespart und eine effiziente Behandlung ermöglicht wurde, jedoch mit einem C/N von bis zu 18.34. Um die neuen lokalen Standards für Abwasser-TN zu erfüllen, hat die Chengdu No{11}}-Wasseraufbereitungsanlage als Modernisierungsprozess einen Sedimentationstank mit hoher Dichte und einen denitrifizierenden Tiefbettfilter mit einem C/N-Wert von 5,7 eingeführt, wodurch eine fortschrittliche Behandlung unter hohen Standards erreicht wird. Die Kläranlage Dingqiao in Haining konnte die für das Qiantang-Flussbecken erforderlichen Abflussstandards der Klasse A nicht erfüllen. Gao Feiya et al. verwendete einen denitrifizierenden Tiefbettfilter zur erweiterten TN-Behandlung, der gleichzeitig SS und TP entfernte, wodurch die Abwasserqualität nahezu den Standards der Klasse IV entsprach, jedoch ein hohes C/N von 15,68 aufwies, was zu hohen Kosten für die Stickstoffentfernung führte. Darüber hinaus erfordern Filterprozesse eine regelmäßige Rückspülung, typischerweise mit Luft-{22}}Wasserreinigung, was die Betriebsstabilität beeinträchtigen kann.

Instabilität in denitrifizierenden Filtern hat die Forschung zur Anwendung der schwefelbasierten autotrophen Denitrifikation (SAD) auf denitrifizierende Filter an Aufmerksamkeit gewonnen. SAD nutzt elementaren Schwefel oder Schwefelverbindungen als Elektronendonoren unter anaeroben oder anoxischen Bedingungen, um NO₃ zu reduzieren^--N bis N₂. Es bietet Vorteile wie eine gute Denitrifikationseffizienz, keine Notwendigkeit einer organischen Kohlenstoffquelle, niedrige Betriebskosten und eine geringe Schlammproduktion. Song Qingyuan et al. untersuchten die Stickstoffentfernungswirkung eines SAD-Filters auf sekundäres Abwasser. Nach der Optimierung der Pilotbedingungen blieb die Nitratentfernung stabil über 95 %, die Medienverbrauchsrate erreichte jedoch 20 % pro Jahr, begleitet von einer erhöhten Sulfatkonzentration im Abwasser und einem verringerten pH-Wert. Um sekundäre Verschmutzungsrisiken durch SAD zu vermeiden, haben Li Tianxin et al. Vorbereitete Medien durch Pelletieren einer Mischung aus Schwefel und Kalksteinpulver. Durch die Zugabe eines bestimmten Kalksteinanteils zum Filterbett wurde der erzeugte Säuregehalt neutralisiert und ein CaSO₄-Niederschlag erzeugt, wodurch die Sulfatkonzentration im Abwasser gesenkt und die Probleme der Säureproduktion und der hohen Sulfatwerte wirksam angegangen wurden. Allerdings nahm der Kalkstein innerhalb des Systems Platz ein, der für Elektronendonormedien vorgesehen war, wodurch die fortgeschrittene Denitrifikationskapazität geschwächt, die Abwasserhärte erhöht und die Betriebskosten erhöht wurden. Die aktuelle Forschung zur SAD-Technologie findet hauptsächlich im Labor- und Pilotmaßstab statt, wobei die technische Erfahrung als Referenz nicht ausreicht. Vor der industriellen{13}}Förderung ist weitere angewandte Forschung erforderlich.

MBBR ist ein typischer Vertreter von Wirbelschicht-Biofilmprozessen und einer neuen Abwasserbehandlungstechnologie, die in den letzten Jahren große Aufmerksamkeit erhalten hat. Es verwendet suspendierte Trägerstoffe mit einer Dichte nahe der von Wasser, um Mikroorganismen gezielt anzureichern und einen Biofilm zu bilden, um eine erweiterte Stickstoffentfernung zu erreichen. Fließbett-Biofilmverfahren vermeiden außerdem Probleme der Medienverstopfung und Rückspülung. Derzeit verfügt der reine Biofilm-MBBR für die fortgeschrittene Denitrifizierung von Kläranlagen über mehr als 20 Jahre erfolgreiche Betriebserfahrung im Ausland und findet in China zunehmend breitere Anwendung. Zheng Zhijia et al. verwendeten einen zweistufigen reinen Biofilm-MBBR-Prozess für die fortgeschrittene Denitrifikation. Bei C/N=4.0 stabilisierte sich der aus dem System austretende Nitratstickstoff bei (1,87 ± 1,07) mg/L, mit einer durchschnittlichen TN-Entfernungsrate von 93,3 %. Eine Kläranlage in einer Entwicklungszone in einer bestimmten Stadt errichtete einen neuen MBBR-Biotank als tertiäre fortgeschrittene Behandlung für eine verbesserte Denitrifikation. Die TN-Entfernungslast im anoxischen Abschnitt des reinen Biofilm-MBBR betrug 1,1 g/(m²·d), was die Zuverlässigkeit der Denitrifizierung des Systems verbessert. Gao Yanbo et al. bauten mit dem Ziel, die Kapazität der ursprünglichen Anlage zu erhöhen, einen neuen zwei-stufigen AO-Reinbiofilm-MBBR-Bio-Tank, der eine stabile Abwasser-TN unter 5 mg/L mit hoher Denitrifikationseffizienz erreichte. Somit weist das reine Biofilm-MBBR-Verfahren ein großes Potenzial für eine fortschrittliche Stickstoffentfernung in Kläranlagen auf und vereint Vorteile wie eine hohe Effizienz bei der Nutzung der Kohlenstoffquelle, eine hohe Behandlungslast und einen geringen Platzbedarf. Es stellt jedoch auch höhere Anforderungen an die Ausrüstung und erfordert zuverlässige Ausrüstung zur Unterstützung eines stabilen Prozessbetriebs. Ein Vergleich gängiger fortschrittlicher Verfahren zur Stickstoffentfernung ist in dargestelltTabelle 1.

Basierend auf einem umfassenden Vergleich erfordert das SAD-Verfahren zwar keine Zugabe von Kohlenstoffquellen, seine aktuelle Anwendung ist jedoch noch nicht ausgereift und birgt sekundäre Verschmutzungsrisiken, sodass es bei dieser Modernisierung nicht berücksichtigt wurde. Obwohl denitrifizierende Filter weit verbreitet sind, werden sie meist bei der Modernisierung von Kläranlagen eingesetzt, bei denen die geplante Zulauf-/Ablauf-TN oft 15/12 mg/L beträgt und eine relativ geringe TN-Entfernungslast bewältigt. Da dieses Projekt die Erfüllung langfristiger, hoher TN-Entfernungsanforderungen erforderte, würde der Betrieb den Rückspülzyklus des Filters erheblich verkürzen, was die Betriebsschwierigkeiten und die Instabilität erhöhen würde. Das reine Biofilm-MBBR-Verfahren vereint Vorteile wie eine hohe Kohlenstoffnutzungseffizienz, keine Notwendigkeit einer Rückspülung, eine ausgereifte Anwendung und keine Sekundärverschmutzung. Unter Berücksichtigung der Prozessherausforderungen und Renovierungsanforderungen entschied sich das Projekt schließlich für den Bau eines neuen reinen Biofilm-MBBR-Bio--Tanks (im Folgenden als MBBR-Tank bezeichnet) als fortschrittliche Stickstoffentfernungslösung für die erste Phase, ausgelegt mit einem C/N=4.5 und einer geplanten Amortisationszeit der Investition von 7,37 Jahren.

3. Neubauplan

3.1 Prozessablauf

Der Ablauf des Abwasserbehandlungsprozesses nach der Sanierung ist in dargestelltAbbildung 3. Der Zulauf der Anlage durchläuft feine Siebe, Wirbelsandkammern und primäre Sedimentationstanks, bevor er in den BIOLAK-Bio-tank gelangt, wo organische Stoffe, Ammoniakstickstoff usw. entfernt werden. Anschließend wird er zur fortgeschrittenen TN-Entfernung durch Pumpen in den MBBR-Tank gefördert. Der MBBR-Tank ist für eine Zufluss-TN von 35 mg/L und eine Abfluss-TN von weniger als oder gleich 15 mg/L ausgelegt. Das MBBR-Abwasser wird durch Sekundärpumpen zur bestehenden modernen Behandlung der Anlage zur Fest-{7}Flüssigkeitstrennung und Schlammverschwendung gefördert. Das endgültige Abwasser wird desinfiziert, bevor es in den aufnehmenden Fluss eingeleitet wird. Überschüssiger Schlamm wird eingedickt, entwässert und zur Entsorgung abtransportiert.

3.2 Neuer MBBR-Tank

Der MBBR-Tank nutzt ein AO-Verfahren, das aus Lipp-Tanks für den modularen Zusammenbau hergestellt und in 30 Tagen fertiggestellt wurde. Die gesamte hydraulische Verweilzeit (HRT) des Systems beträgt 1,43 Stunden. In den Tanks werden spezielle aerobe und anoxische Schwebeträger vom Typ SPR-III mit einem Füllverhältnis von 60 % in der aeroben Zone und 55 % in der anoxischen Zone hinzugefügt. Die Träger sind abgeflacht zylindrisch, haben einen Durchmesser von 25 mm und eine Höhe von 10 mm und haben eine effektive spezifische Oberfläche von mindestens 800 m²/m³. Die anoxische Zone ist mit 4 MBBR-dedizierten Mischern mit variabler-Frequenz (SPR-Typ mit chemischer Leistung) und jeweils N=5.5 kW ausgestattet, die für eine gleichmäßige und ausreichende Fluidisierung der Träger sorgen. Nach der Reifung des Biofilms werden zwei Mischer routinemäßig betrieben, die anderen beiden als Hot-Standby. Die Aerobic-Zone nutzt Schraubengebläse zur Belüftung. Ein einzelnes Gebläse hat eine Luftkapazität von 14,50 m³/min, einen Druck von 90 kPa und N=22 kW. Ein Satz perforierter Rohrdiffusoren (SPR-Typ) für die Aerobic-Zone ist installiert. Aufgrund des geringen erforderlichen Belüftungsvolumens können in der Regel die vorhandenen Phase-I-Gebläse genutzt werden, wobei das neue Gebläse und die Phase-I-Gebläse als gegenseitige Backups dienen. Sowohl in der aeroben als auch in der anoxischen Zone werden neue Materialauffangsiebe (Typ SPR) mit einer Dicke von 12 mm und einer ausgelegten Lebensdauer von 30 Jahren installiert.

3.3 Neue unterstützende Einrichtungen

• Einflussreiches System: Das Abwasser aus dem BIOLAK-Bio--Tank wird in den MBBR-Tank gefördert.. 4 Einlasspumpen sind installiert (2 im Betrieb, 2 im Standby-Modus), jede mit Q=840 m³/h, H=65 kPa, N=30 kW.
• Kohlenstoffquellen-Dosiersystem: Das Abwasser aus dem BIOLAK-Bio-tank der Phase I enthält nur schwer verwertbaren CSB. Um eine fortgeschrittene Denitrifikation in der anoxischen Zone des MBBR-Tanks sicherzustellen, wird Natriumacetat als externe Kohlenstoffquelle verwendet. . 4 Dosierpumpen sind installiert (2 im Betrieb, 2 im Standby-Modus), jeweils mit Q=300 L/h, H=200 kPa, N=0.37 kW.