Betriebseffekt des Modernisierungsprojekts der Kläranlage in Tianjin
Eine Kläranlage in Tianjin wurde einem Modernisierungs- und Renovierungsprojekt unterzogen, bei dem das modifizierte Bardenpho-MBBR-Verfahren zum Einsatz kam. Dadurch wurde die Abwasserqualität vom Grad-A-Standard gemäß „Discharge Standard of Pollutants for Municipal Wastewater Treatment Plants“ (GB 18918-2002) auf den Klasse-A-Standard des lokalen Tianjin-Standards DB 12/599-2015 angehoben. Beim Moving-Bed-Biofilm-Reaktor-Verfahren (MBBR) werden suspendierte MBBR-Träger in den Reaktor eingebracht, wodurch Stellen für die Anlagerung von Mikroben geschaffen und anhaftende Biofilme gebildet werden. Dadurch wird die effektive Biomasse im System erhöht und eine Schadstoffentfernung erreicht. Das MBBR-Verfahren bietet Vorteile wie hohe Behandlungsbelastung, hohe Widerstandsfähigkeit gegenüber Stoßbelastungen, stabile Behandlungsleistung, einfache Betriebsführung und flexible Prozessführung. Immer mehr Kläranlagen in China nutzen das MBBR-Verfahren zur Sanierung. In diesem Artikel wird die Betriebsleistung einer Kläranlage in Tianjin nach der Modernisierung analysiert, mit dem Ziel, eine Referenz für ähnliche Modernisierungsprojekte zu liefern.
1. Aktueller biologischer Stickstoff- und Phosphorentfernungsprozess
Das ursprüngliche biologische Becken nutzte ein A²/O-Verfahren mit einer Aufbereitungskapazität von 12.500 t/Tag. Das geplante Gesamtalter des Schlamms betrug 14 Tage, die Konzentration an suspendierten Feststoffen in der gemischten Flüssigkeit (MLSS) betrug 3.500 mg/l, die geplante Wassertemperatur betrug 10 Grad, die Schlammausbeute betrug 0,936 kgBS/kgBSB und die Schlammbelastung betrug 0,082 kgBSB/kgMLSS. Die effektive Wassertiefe des Biobeckens betrug 6 m, bei einem Gesamtbeckenvolumen von 9.052,2 m³ und einer gesamten hydraulischen Verweilzeit (HRT) von 17,4 Stunden. Die HRT-Verteilung betrug: Selektorzone 0,58 Stunden, anaerobe Zone 1,38 Stunden, anoxische Zone 2,85 Stunden, Swing-Zone 0,92 Stunden und aerobe Zone 11,67 Stunden. Die Schlammrückführung betrug 100 % und die interne Rückführung der gemischten Flüssigkeit betrug 300 %. Das ursprüngliche biologische Becken bestand hauptsächlich aus anaeroben -anoxischen-aeroben Abschnitten. Die Betriebsparameter könnten je nach Zuflussbedingungen und Abwasseranforderungen angepasst werden, um eine Stickstoff- und Phosphorentfernung zu erreichen, wobei die Abwasserqualität dem Grad-A-Standard von GB 18918-2002 entspricht.
2. Überblick über das Modernisierungs- und Renovierungsprojekt
Ziel dieser Modernisierung war es, die Abwasserqualität zu verbessern, um den Klasse-A-Standard des lokalen Tianjin-Standards „Discharge Standard of Pollutants for Municipal Wastewater Treatment Plants“ (DB 12/599-2015) zu erfüllen. Die geplante Zu- und Ablaufqualität ist in dargestelltTabelle 1. Gemäß den Auslegungs-TN-Werten für Zufluss und Abwasser ist zum Erreichen einer Abwasser-TN unter 10 mg/L eine Denitrifikationsrate von 75,6 % im biologischen Tanksystem erforderlich. Der ursprüngliche biologische Tank verwendete eine A²/O-Konfiguration. Berechnungen auf der Grundlage der ursprünglichen Tankkonfiguration ergaben, dass das interne Recyclingverhältnis von ursprünglich 200 % auf 310 % erhöht werden müsste, zusammen mit der Hinzufügung einer großen Menge externer Kohlenstoffquellen. Dies würde nicht nur die Betriebskosten erhöhen, sondern auch das große Volumen des internen Recyclingflusses könnte die anoxische Umgebung stören. Dies könnte dazu führen, dass die tatsächliche HRT in der anoxischen Zone unter dem Mindestbedarf liegt, was sich auf die Denitrifikationseffizienz auswirkt. Der MBBR-Prozess steigert die Denitrifikationsfähigkeit des Systems und verbessert die Abwasserqualität durch Zugabe suspendierter Träger, um die Biomassekonzentration im Tank zu erhöhen und so die Modernisierungsanforderungen zu erfüllen.
Ohne das bestehende Biobeckenvolumen zu verändern, wurden die inneren Funktionszonen des Biobeckens neu konfiguriert. Die ursprüngliche A²/O-Konfiguration (anaerob-anoxisch-aerob) wurde in eine Bardenpho 6-Stufenkonfiguration geändert: anaerobe Zone, anoxische Zone, Swing-Zone, aerobe Zone, post-anoxische Zone und post{8}}aerobe Zone. Konkret wurde die ursprüngliche Selektorzone in eine anaerobe Zone umgewandelt. Die ursprüngliche anaerobe Zone, die Swing-Zone (vorderer Teil) und die anoxische Zone wurden alle als prä-anoxische Zone verwendet. Die vordere Hälfte des ersten Korridors in der ursprünglichen Aerobic-Zone wurde zu einer Schwungzone umgestaltet. Der ursprüngliche erste, zweite und dritte aerobe Korridor wurde in die MBBR-Zone umgewandelt, wo suspendierte Träger sowie Einlass-/Auslass-Siebsysteme und ein Bodenhilfsbelüftungssystem hinzugefügt wurden. Der vierte aerobe Korridor wurde in eine post-anoxische Zone umgewandelt. Die ursprüngliche Schwungzone wurde funktionell unterteilt und in post-anoxische und postaerobe Zonen unterteilt. Die Parameter des renovierten Biobeckens sind in dargestelltTabelle 2.
Was den Prozessablauf betrifft, wird gemischte Flüssigkeit aus der aeroben Zone in die anoxische Zone zurückgeführt und innerhalb der anoxischen Zone wird eine Kohlenstoffquelle hinzugefügt. Denitrifizierende Bakterien nutzen die Kohlenstoffquelle zur Denitrifikation, um in der aeroben Zone erzeugten Nitratstickstoff zu entfernen. Restlicher Nitratstickstoff gelangt in die post-anoxische Zone, wo zusätzliche Kohlenstoffquelle hinzugefügt wird, um die Denitrifizierung fortzusetzen. Nach der Sanierung beträgt die Konzentration an suspendierten Feststoffen in der gemischten Flüssigkeit (MLSS) 4.000 mg/l, die Schlammrückführung beträgt 50–100 %, die interne Wiederverwendung der gemischten Flüssigkeit beträgt 200–250 % und der gelöste Sauerstoff in der MBBR-Zone beträgt 2–5 mg/l. Das Prozessablaufdiagramm nach der Renovierung ist in dargestelltAbbildung 1.
3. Inbetriebnahme des Systems nach der Sanierung des biologischen Tanks
Nachdem die Sanierung des Biobeckens abgeschlossen war, begann die Inbetriebnahmephase. Entwässerter Schlamm aus einer anderen Kläranlage wurde dem biologischen Tank zugeführt, wodurch die Schlammkonzentration in kurzer Zeit schnell auf über 3.000 mg/L anstieg. Dies verkürzte die Schlammkultivierungs- und Akklimatisierungszeit und ermöglichte eine schnelle Inbetriebnahme des biologischen Tanks und die Wiederherstellung seiner Stickstoff- und Phosphorentfernungskapazität. Während des Probebetriebs lag die tatsächliche Betriebslast aufgrund relativ geringer Zuflussmengen und Schadstoffkonzentrationen unter der Auslegungslast. Der Ansatz bestand darin, zunächst den Belebtschlamm zu kultivieren und zu akklimatisieren, bis sich das biologische System stabilisierte und die Abwasserqualität den Standards entsprach, und dann MBBR-Träger für die Biofilmbildung hinzuzufügen.
Nachdem die Träger in den aeroben Bereich des biologischen Tanks gegeben wurden, wurden sie zunächst eingetaucht. Nach und nach hefteten sich Mikroorganismen an ihre Oberflächen. Optisch veränderte sich die Farbe der Trägeroberfläche von Weiß zu einem schwachen erdigen Gelb, da sich mehr Mikroorganismen anlagerten und der Biofilm dichter wurde. Die Trägerfarbe vertiefte sich allmählich. Zwei Monate nach der Trägerzugabe war die Biofilmbildung gut, wobei die Trägeroberfläche gelblich-braun erschien und die Farbe allmählich dunkler wurde. Vier Monate nach der Trägerzugabe erschien der Biofilm auf der Trägeroberfläche dunkelbraun und war dicht. Das Fortschreiten der Biofilmbildung konnte anhand von Änderungen in der Trägerfarbe intuitiv beobachtet werden, wie in gezeigtAbbildung 2. Im Dezember 2021 ergab die mikroskopische Untersuchung von Belebtschlamm aus dem Biologiebecken und Schlamm aus den Trägern kompakte Flockenstrukturen mit guten Adsorptions- und Absetzeigenschaften. Optisch zeigten die Träger eine deutliche Biofilmbildung. Bei der mikroskopischen Untersuchung wurden Organismen wie Vorticella, Opercularia und Epistylis identifiziert. Gelegentlich wurden auch einige mobile Ciliaten gesichtet, was auf den Abschluss der Biofilmbildungsphase hinweist.
4. Betriebsleistung nach der Sanierung des biologischen Tanks
4.1 Entfernungsleistung für CSB und BSB nach der Sanierung
Die CSB- und BSB-Werte des Abwassers für 2022 sind in dargestelltAbbildung 3. Der CSB im Abwasser lag zwischen 10,2 und 24,9 mg/L, mit einem Durchschnitt von 18,0 mg/L. Der BSB im Abwasser lag zwischen 2,1 und 4,9 mg/L, mit einem Durchschnitt von 3,4 mg/L. Sowohl der CSB als auch der BSB des Abwassers erfüllten stabil den lokalen Klasse-A-Standard von Tianjin. Das renovierte System zeigte nicht nur eine gute Entfernungsleistung für CSB und BSB, sondern sorgte auch während der Hochwassersaison für stabile und konforme CSB- und BSB-Werte im Abwasser, selbst wenn die tatsächliche Zuflusslast der Anlage 110 % ihrer Auslegungskapazität erreichte. Dies weist darauf hin, dass das System eine gute Widerstandsfähigkeit gegenüber Stoßbelastungen besitzt.
4.2 Entfernungsleistung für TN und NH₃-N nach der Renovierung
Die TN- und NH₃{0}}N-Werte des Abwassers für 2022 sind in dargestelltAbbildung 4. Die TN lag zwischen 3,72 und 8,74 mg/L, mit einem Durchschnitt von 6,43 mg/L. NH₃-N lag im Bereich von 0,02 bis 1,25 mg/L, mit einem Durchschnitt von 0,12 mg/L. Im Winterbetrieb verringerten sich aufgrund der niedrigeren Temperaturen die Nitrifikations- und Denitrifikationsraten. In der Praxis wurde die Schlammkonzentration auf über 6.000 mg/L erhöht. Der Betrieb bei hoher Schlammkonzentration ist vorteilhaft für die Verbesserung der Widerstandsfähigkeit des biologischen Systems gegenüber Stoßbelastungen, insbesondere bei niedrigen Temperaturen. Die Synergie zwischen hoher Schlammkonzentration und dem an MBBR-Trägern haftenden Biofilm verstärkt den Behandlungseffekt des biologischen Systems.
MBBR-Träger bieten ein günstiges Umfeld für mikrobielle Gemeinschaften und unterstützen deren Wachstum und Fortpflanzung. Nach der Akklimatisierung und Reifung verstärkt sich die Nitrifikations- und Denitrifikationskapazität des Biofilms. Mikroorganismen lagern sich auf der Trägeroberfläche an und wachsen schichtweise, wodurch die Dichte der Zoogloea erhöht wird und große, dichte und schnell stabile Schlammstrukturen entstehen. Wenn sich die Wasserqualität von außen ändert, sezernieren Mikroorganismen auf der Trägeroberfläche zum Selbstschutz extrazelluläre Polymersubstanzen (EPS) und verringern so die Auswirkungen plötzlicher Wasserqualitätsänderungen auf die Mikroorganismen der inneren Schicht.
In Kläranlagen, die das MBBR-Verfahren nutzen, wurden in der aeroben Trägerzone gleichzeitige Nitrifikations- und Denitrifikationsphänomene (SND) beobachtet. Die Prüfung der TN-Werte von Zu- und Abfluss aus der aeroben Trägerzone ergab einen Unterschied von 2–6 mg/L. Dieser Unterschied war ausgeprägter, insbesondere wenn der gelöste Sauerstoff im Aerobic-Tank auf unter 2 mg/L kontrolliert wurde, was auf eine signifikantere SND unter Bedingungen mit niedrigem gelöstem Sauerstoff hinweist. Das abfließende TN aus dem Nachklärbecken hat die Standards vollständig erfüllt, was bedeutet, dass die TN-Entfernung im Rahmen der biologischen Behandlungsstufe abgeschlossen wurde. Im tatsächlichen Betrieb fungiert der denitrifizierende Tiefbettfilter als Schutzprozess. Unter normalen Bedingungen fungiert es als regulärer Filter, um sicherzustellen, dass die SS-Indikatoren den Standards entsprechen.
4.3 Entfernungsleistung für TP und SS nach der Renovierung
Die TP- und SS-Werte des Abwassers für 2022 sind in dargestelltAbbildung 5. Der Abwasser-TP der Kläranlage lag zwischen 0,04 und 0,22 mg/L, mit einem Durchschnitt von 0,10 mg/L. Die SS im Abwasser lag zwischen 1 und 4 mg/l, mit einem Durchschnitt von 2,2 mg/l. Nach der Modernisierung betrug der TP des Nachklärbeckenabflusses etwa 1,0 mg/L und der SS etwa 26 mg/L. Durch die Zugabe von Eisenchlorid und PAM in den hocheffizienten Sedimentationstank zur Verbesserung der Koagulation und durch weitere Reinigung im denitrifizierenden Tiefbettfilter erfüllten die Abwässer TP und SS stabil den lokalen Klasse-A-Standard von Tianjin und der Farbwert wurde deutlich reduziert.
5. Fazit
Um den lokalen Klasse-A-Standard von Tianjin zu erfüllen, wurde der ursprüngliche A²/O-Prozess in der Kläranlage in eine fünfstufige Bardenpho-Konfiguration umgewandelt, wobei der MBBR-Prozess in den aeroben Abschnitt integriert wurde, um die biologische Stickstoffentfernung zu verbessern und TN und NH₃{1}}N im Abwasser zu reduzieren. Während der Hochwassersaison mit Überlastung erfüllten alle Indikatoren stabil die Standards und zeigten eine gute Schlagfestigkeit. Nach der Sanierung des biologischen Tanks betrug das interne Recyclingverhältnis 200–300 %, das externe Schlammrecycling 50–100 %, die Schlammkonzentration 4.000–6.000 mg/L, der gelöste Sauerstoff in der aeroben Zone wurde auf 3–5 mg/L und der gelöste Sauerstoff in der anaeroben Zone auf 0,2–0,5 mg/L kontrolliert. Im Jahr 2022 betrug die Abwasserqualität der Kläranlage: CSB 10,2–24,9 mg/L, durchschnittlich 18,0 mg/L; BSB 2,1–4,9 mg/L, durchschnittlich 3,4 mg/L; NH₃-N 0,02–1,25 mg/L, durchschnittlich 0,12 mg/L; TN 3,72–8,74 mg/L, durchschnittlich 6,43 mg/L; TP 0,04–0,22 mg/L, durchschnittlich 0,1 mg/L; SS 1–4 mg/L, durchschnittlich 2,2 mg/L. Alle erfüllten stabil den Klasse-A-Standard des lokalen Tianjin-Standards „Einleitungsstandard für Schadstoffe für kommunale Abwasserbehandlungsanlagen“ (DB 12/599-2015).