Anwendung des BIOLAK-Verfahrens bei der Modernisierung einer Kläranlage auf Quasi-Klasse-IV-Standards
Das zu Beginn des 21. Jahrhunderts in China eingeführte BIOLAK-Verfahren fand aufgrund seiner einfachen Struktur und niedrigen Investitionskosten breite Anwendung in der kommunalen Abwasserbehandlung. Aufgrund der Verschärfung der Einleitungsstandards und der zunehmenden Automatisierung stehen in den letzten Jahren bei den meisten bestehenden BIOLAK-Anlagen Modernisierungen an. Verbesserungen wie das Hinzufügen von Schwebeträgern, die Nachrüstung von Tanks und die Neudefinition von Funktionszonen werden implementiert, um die Entfernung von Stickstoff und Phosphor zu verbessern. Während neu gebaute Anlagen überwiegend A²/O- und Oxidationsgrabenverfahren anwenden, gibt es nur wenige Berichte über die tatsächliche Leistung von BIOLAK, insbesondere unter strengen Emissionsstandards. Der BIOLAK-Prozess nutzt schwingende Belüftungsketten, um zeitlich anoxische und aerobe Zonen zu schaffen, und funktioniert im Wesentlichen als mehrstufiger A/O-Prozess. Durch betriebliche Optimierung kann die Abwasserqualität stabil den Quasi-Oberflächenwasserstandard der Klasse IV erfüllen.
1 Projekthintergrund
Eine Kläranlage in der Provinz Hebei nutzt das BIOLAK-Verfahren als Kerntechnologie. Der Zufluss reicht von 18.000 bis 22.000 m³/Tag, durchschnittlich 19.000 m³/Tag, und behandelt hauptsächlich städtisches häusliches Abwasser und eine kleine Menge landwirtschaftliches Verarbeitungsabwasser. Die geplanten Zu- und Ablaufqualitäten sind in dargestelltTabelle 1. Der ursprüngliche Einleitungsstandard war der Grad-A-Standard „Einleitungsstandard für Schadstoffe für kommunale Abwasserbehandlungsanlagen“ (GB 18918-2002)*. Nach einer Modernisierung, die die Unterteilung einer anaeroben Zone zur Verbesserung der Denitrifikation und Dephosphorisierung umfasste, entspricht die Anlage nun den wichtigsten Kontrollbereichsgrenzwerten der „Water Pollutant Discharge Standards for the Daqing River Basin“ (DB13/2795-2018)*. Mit Ausnahme des Gesamtstickstoffs erfüllen alle anderen Indikatoren die in *„Environmental Quality Standards for Surface Water“ (GB 3838-2002)* festgelegten Standards der Klasse IV. Der Prozessablauf ist in dargestelltAbbildung 1.
Zur Desinfektion nutzt die Anlage Natriumhypochlorit. Der Schlamm wird durch Hochdruckplatten- und Rahmenfiltration auf einen Feuchtigkeitsgehalt von unter 60 % entwässert, bevor er zur gemeinsamen Verarbeitung in Zementöfen transportiert wird.
Der Beitrag jeder Behandlungseinheit zur Schadstoffentfernung wurde auf der Grundlage der Massenbilanz berechnet, wobei spezifische Methoden aus der Literatur entnommen wurden.
2 Maßnahmen zur Optimierung der Betriebssteuerung
Im laufenden Betrieb wurden zahlreiche Optimierungsmaßnahmen umgesetzt, um die Abwasserstabilität zu verbessern und Energie- und Kosteneinsparungen zu erzielen.
2.1 Verbesserte Kontrolle des gelösten Sauerstoffs (DO).
Bei bestehenden BIOLAK-Nachrüstprojekten wird häufig die schwache Zoneneinteilung als mehrstufige A/O-Variante festgestellt, was zu einer geringen Denitrifikationseffizienz führt. In diesem Projekt wurde unter Sicherstellung der Einhaltung der Ammoniak-Stickstoff-Konformität des Abwassers der maximale gelöste Sauerstoff am Ende der Belüftungszone bei 0,5–1,0 mg/L gehalten, was niedriger ist als die herkömmlichen Anforderungen zur Kontrolle des gelösten Sauerstoffs.
2.2 Verstärkte Prozessdatenüberwachung
Um die Kontrolle des gelösten Sauerstoffs und die Dosierung der externen Kohlenstoffquelle zu steuern, wurden Nitratstickstoff und Ammoniakstickstoff am Ende der anaeroben Zone und im BIOLAK-Tank überwacht, um optimale Kontrollbereiche zu bestimmen. Während des Betriebs wurde die Dosierung der externen Kohlenstoffquelle reduziert oder gestoppt, wenn sich am Ende der anaeroben Zone Nitratstickstoff befand<2 mg/L, and increased when it was ≥2 mg/L. Similarly, blower output was reduced to lower DO to 0.5 mg/L when ammonia nitrogen at the end of the BIOLAK tank was ≤0.5 mg/L, and increased to raise DO to 1.0 mg/L when it was ≥0.5 mg/L. Adjustments to carbon source dosage and blower frequency were made every 8–16 hours, with each adjustment ranging from 5% to 15%.
2.3 Festlegen interner Abwasserkontrollziele
Um eine stabile Einhaltung sicherzustellen, wurden interne Kontrollziele auf 30–80 % der Einleitungsgrenzwerte festgelegt, basierend auf der Schwierigkeit, jeden Schadstoff zu kontrollieren. Das Überschreiten dieser internen Grenzwerte führte zu sofortigen Anpassungen der Prozessparameter, um die Abwasserkonzentrationen wieder in einen akzeptablen Bereich zu bringen. Die jährlichen internen Kontrollziele für CSB, Ammoniakstickstoff, Gesamtstickstoff und Gesamtphosphor lagen bei 15 mg/L, 0,5 mg/L, 12 mg/L bzw. 0,12 mg/L.
2.4 Aufrechterhaltung einer angemessenen Schlammkonzentration
Die Schlammverschwendung wurde je nach Durchfluss, Belastung und Jahreszeit angepasst. Die Schlammretentionszeit (SRT) wurde bei 15–25 Tagen und die Konzentration der suspendierten Feststoffe in der gemischten Flüssigkeit (MLSS) bei 2.500–4.500 mg/l gehalten. Konkret wurde die MLSS im Sommer und Herbst auf 2.500–3.500 mg/L mit einer Schlammbelastung von etwa 0,06 kgCOD/(kgMLSS·d) und im Winter und Frühjahr auf 3.500–4.500 mg/L mit einer Schlammbelastung von etwa 0,04 kgCOD/(kgMLSS·d) kontrolliert.
2.5 Anpassen des Betriebs von erweiterten Behandlungseinheiten
Niedrige Temperaturen im Winter beeinträchtigten die Flockung und Sedimentation. Eine vorzeitige Rückspülung von Filtern vom Typ V- könnte zu erhöhten Schwebstoffen und CSB im Abwasser führen. Daher wurde während des Winterbetriebs die Rückspülhäufigkeit je nach Koagulationsleistung erhöht und der Schlammaustrag aus dem Koagulations-{3}}Sedimentationstank wurde intensiviert, um die Konzentration an suspendierten Feststoffen im Abwasser zu verringern.
3 Behandlungsleistung
Der jährliche CSB-Zufluss lag zwischen 109 und 248 mg/L, im Durchschnitt bei 176 mg/L. Der CSB im Abwasser lag zwischen 9,5 und 20,1 mg/L, im Durchschnitt bei 12,1 mg/L. Wenn der CSB des Abwassers den internen Kontrollzielwert (15 mg/l) überschritt, wurde die Häufigkeit der Filterrückspülung erhöht, um suspendierte Feststoffe zu reduzieren. Für eine bessere Koagulationseffizienz wird empfohlen, den Koagulationssedimentationstank auf einen Hochdichte- oder Magnetkoagulationssedimentationstank umzurüsten.
Der jährlich einströmende Ammoniakstickstoff lag zwischen 17,8 und 54,9 mg/L, im Durchschnitt bei 31,9 mg/L. Der Ammoniakstickstoff im Abwasser lag zwischen 0,12 und 1,30 mg/L, im Durchschnitt bei 0,5 mg/L. Bei Überschreitung des internen Kontrollziels wurde die Belüftung gemäß den Optimierungsmaßnahmen angepasst. Die Abwasserqualität hielt das ganze Jahr über stabil die wichtigsten Regelbereichsgrenzwerte von *DB13/2795-2018* ein.
Aufgrund der geringen Konzentration der Kohlenstoffquelle im Zulauf lag der Schwerpunkt auf der Optimierung der Prozessbedingungen zur Verbesserung der Stickstoff- und Phosphorentfernung mit dem Ziel, Energie- und Kosteneinsparungen zu erzielen.
3.1 Optimierung der DO-Kontrolle und vollständige Stickstoffentfernung
Der jährliche Gesamtstickstoffgehalt (TN) lag zwischen 20,3 und 55,6 mg/L (sieheAbbildung 2), durchschnittlich 42,1 mg/L. Die Abwasser-TN lag im Bereich von 2,5 bis 14,2 mg/L, was einem Durchschnitt von 8,8 mg/L entspricht und innerhalb des internen Kontrollziels (12 mg/L) liegt. Die durchschnittliche TN-Entfernungsrate betrug 79,1 %. Bei einem Schlammrückführungsverhältnis von 90 % (keine interne Rückführung der gemischten Flüssigkeit) betrug die theoretische Denitrifikationseffizienz 47,4 %, was darauf hindeutet, dass die Denitrifikation auch in anderen Prozesszonen außerhalb des anaeroben Selektors stattfand. Änderungen des Stickstoffs entlang der Behandlungsstrecke in einem typischen Zyklus sind in dargestelltAbbildung 3.
In einem typischen Zyklus betrug die einströmende TN 42,0 mg/L, wobei die Summe aus Ammoniak und Nitratstickstoff 35,2 mg/L betrug. Nach dem anaeroben Selektor betrug die TN 16,7 mg/L, was zu einer Entfernungsrate von 43,5 % über die Massenbilanz führte, was mit dem theoretischen Wert übereinstimmt. Der BIOLAK-Tank trug zu einer TN-Entfernung von 24,0 % bei. Das abfließende TN wurde im sekundären Sedimentationstank weiter reduziert und trug zu einer zusätzlichen Entfernung von 11,3 % bei, was hauptsächlich auf die lange hydraulische Verweilzeit (8,6 Stunden) zurückzuführen ist, die eine Denitrifizierung durch endogene Kohlenstoffquellen ermöglicht. Andere Einheiten trugen 1,9 % zur Entfernung bei. Die endgültige Abwasser-TN betrug 8,1 mg/l, mit einer Gesamtentfernungsrate von 80,7 %.
Betriebserfahrungen zeigen, dass die DO-Kontrolle für die TN-Entfernung im BIOLAK-Prozess von entscheidender Bedeutung ist. Bei herkömmlichen Prozessen wird der Sauerstoffgehalt typischerweise am Ende der aeroben Zone in einer Kanalstruktur gemessen, wo der Sauerstoffgehalt über den Querschnitt relativ gleichmäßig ist. Im BIOLAK-Becken ist das Ende der Belüftungszone jedoch fast 70 Meter breit, wobei der Sauerstoffgehalt vom Hangrand zur Mitte hin zunimmt und sich um 0,5–1,0 mg/L unterscheidet. Daher erfordert die Platzierung von DO-Sonden sorgfältige Aufmerksamkeit.
Durch die strenge Kontrolle des maximalen Sauerstoffgehalts am Ende der BIOLAK-Belüftungszone wurde effektiv eine für die Denitrifizierung erforderliche anoxische Umgebung sichergestellt. Es wurde eine gleichzeitige Nitrifikation und Denitrifikation (SND) unter Nutzung endogener Kohlenstoffquellen erreicht, was zu einer effektiven TN-Entfernung führte.
3.2 Gesamtphosphorentfernung und Betriebsoptimierung
Der jährliche Gesamtphosphorzufluss (TP) lag zwischen 1,47 und 4,80 mg/L (sieheAbbildung 4), durchschnittlich 2,99 mg/L. Der Abwasser-TP lag zwischen 0,04 und 0,17 mg/L. Die Dosierung des Phosphorentfernungsmittels wurde basierend auf dem internen Kontrollziel (0,12 mg/l) angepasst. Die durchschnittliche TP-Konzentration im Abwasser betrug 0,07 mg/L und erfüllte damit stabil den Abflussstandard mit einer durchschnittlichen TP-Entfernungsrate von 98,3 %.
Phosphatveränderungen entlang der Behandlungsstrecke in einem typischen Zyklus sind in dargestelltAbbildung 5.
Der Phosphatgehalt im Zufluss betrug 2,70 mg/L und der Phosphatgehalt im Rücklaufschlamm betrug 0,58 mg/L, sodass der theoretische Phosphatwert, der in den anaeroben Selektor gelangt, 1,70 mg/L beträgt. Nach der anaeroben Phosphorfreisetzung durch Polyphosphat-akkumulierende Organismen (PAOs) erreichte die Phosphatkonzentration 3,2 mg/L. Das Verhältnis der Phosphatkonzentration (Maximum in der anaeroben Zone / Zufluss) betrug 1,9, was auf eine erhebliche Freisetzung hinweist. Der Hauptgrund war die effektive Denitrifikation unter Bedingungen mit niedrigem Sauerstoffgehalt, die zu einer niedrigen Nitratkonzentration im Rücklaufschlamm in die anaerobe Zone führte, ein gutes anaerobes Milieu aufrechterhielt (ORP im Allgemeinen unter -200 mV) und die Phosphorfreisetzung förderte.
Nach der BIOLAK-Belüftungszone kam es zu einer erheblichen Phosphoraufnahme, wodurch die Phosphatkonzentration am Ende auf 0,3 mg/L sank und eine biologische Phosphorentfernungseffizienz von 88,9 % erreicht wurde. Nach den Sedimentations- und Stabilisierungstanks stieg die Phosphatkonzentration auf 0,64 mg/L. Analysen deuten darauf hin, dass dies auf die lange HRT im Sedimentationstank und den streng kontrollierten Sauerstoffgehalt im BIOLAK-Tank zurückzuführen war, wodurch ein anaerober Zustand im Sedimentationstank entstand und sekundärer Phosphor freigesetzt wurde. Nach der Chemikaliendosierung in der Koagulationseinheit wurde der Phosphatgehalt im Abwasser auf 0,06 mg/L reduziert. Unter Berücksichtigung der wirtschaftlichen Kosten und der betrieblichen Komplexität ist es daher eine praktikable Optimierungsstrategie für ähnliche Anlagen, einen Teil der Effizienz der biologischen Phosphorentfernung zu opfern, um die Denitrifikation zu verbessern.
4 Betriebskosten
Zu den direkten Betriebskosten zählen Strom, Chemikalien und Schlammentsorgung. Der spezifische Stromverbrauch lag laut Jahresstatistik bei 0,66 kWh/m³. Bei einem Strompreis von 0,65 CNY/kWh (basierend auf einer Kombination aus Spitzen-/Nebenspitzentarifen) betrugen die Stromkosten 0,429 CNY/m³. Dieser Verbrauch ist laut „Bewertungsmaßstab für die Betriebsqualität kommunaler Kläranlagen“ höher, was vor allem auf die etwas geringere Sauerstoffausnutzungseffizienz des Belüftungssystems zurückzuführen ist. Die Kosten für Chemikalien, einschließlich Natriumacetat, Phosphorentfernungsmittel, PAM, Natriumhypochlorit und Entwässerungschemikalien, beliefen sich auf insgesamt 0,151 CNY/m³. Spezifische Nutzung und Kosten sind in aufgeführtTabelle 2.
Schlamm stammt hauptsächlich aus biologischen und chemischen Quellen (Koagulationsbecken). Bei der Hochdruckplatten- und Rahmenfiltration werden Kalk und Eisenchlorid als Konditionierungsmittel verwendet. Die Kalkdosierung beträgt etwa 25 % des Trockenschlammgewichts. Entwässerter Kuchen hat einen Feuchtigkeitsgehalt von 60 %. Die tägliche Produktion von entwässertem Schlamm beträgt etwa 9 Tonnen, mit einer spezifischen Trockenschlammausbeute von etwa 0,15 %. Der Schlammtransport kostet 250 CNY/Tonne, was zu Schlammentsorgungskosten von etwa 0,118 CNY/m³ führt. Daher betragen die gesamten direkten Produktionskosten 0,698 CNY/m³.
5 Schlussfolgerungen
① Eine Kläranlage in der Provinz Hebei, die das BIOLAK-Verfahren zur Behandlung von kommunalem Abwasser einsetzt, war ein Jahr lang ununterbrochen in Betrieb, wobei die Abwasserqualität stabil die wichtigsten Kontrollbereichsgrenzwerte von *DB13/2795-2018* (Quasi-Klasse-IV-Oberflächenwasserstandard) einhielt.
② Als Variante des mehrstufigen A/O-Prozesses führte die Steuerung des maximalen gelösten Sauerstoffs am Ende der BIOLAK-Belüftungszone auf 0,5–1,0 mg/L zu einer TN-Entfernungsrate von 24,0 % in der BIOLAK-Zone und 11,3 % im Sedimentationstank. Dadurch wurde eine gleichzeitige Nitrifikation -Denitrifikation und Denitrifikation endogener Kohlenstoffquellen erreicht, was eine erhebliche Fähigkeit zur Stickstoffentfernung demonstrierte.
③ Die direkten Betriebskosten für den BIOLAK-Prozess betrugen 0,698 CNY/m³. Maßnahmen zur Betriebsoptimierung, einschließlich der Überwachung von Prozessdaten und der Festlegung angemessener interner Kontrollziele, können Hinweise für die Optimierung des Betriebs und die Erzielung von Energie-/Kosteneinsparungen in ähnlichen Abwasseraufbereitungsanlagen liefern.