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Oswald Schulze Stiftung

Technische Innovationen bei der Abwasserreinigung

27. September 2018 Münster

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Anaerobe Verfahren zur Vorbehandlung organisch hochbelasteter

Abwässer - Einsatzchancen und Beispiele

Prof. Dr. Karl-Heinz Rosenwinkel, Mariano Noack und Maike Beier

Leibniz Universität Hannover; Eggert Osterloh aqua-consult Ing. GmbH

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□ Einleitung

□ Biologische Grundlagen

□ Anaerobe Reaktoren und Auslegung

□ Anaerobe-Aerobe Behandlung

Beispiel Hefe: Besonderheiten/Bilanzen

CSB, Schwefel und Stickstoff

autotrophe Deni, Geruch

□ Zusammenfassung / Ausblick

Gliederung

2

3

3. Mikroorganismengruppe

(methanogene

Archaeen)

Methan

Methanogene-

Phase

Umsetzung

der

Zwischen-

produkte

zu

Methan

2. Mikroorganismengruppe

(acetogene

Bakterien

Essigsäure (Acetat)

Acetogene-

Phase

1. Mikroorganismengruppe

(acidogene

Bakterien)

H2

Bruchstücke und gelöste Polmere

org. Säuren AlkoholeEssigsäure

Hydrolyse-

Phase

Versäuerungs

- Phase

Saure

Gärung

CO2

Biologische Grundlagen

Polymere Substrate

(Kohlenhydrate, Fette, Eiweiß)

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Sulfat- und Sulfidschwefel

• Sulfatreduzierer nutzen gleiche Substrate wie methanogene

Archaeen Störung, Verschlechterung Biogas

• Hohe H2S-Gehalte wirken hemmend auf methanogene

Archaeen und Sulfatreduzierer

• Verhältnis CSBred/Sred > 15

• Durch H2S entstehen Korrosionsprobleme

Biologische Entschwefelung; Zugabe Raseneisenerz

Ammonium und Nitratstickstoff

• NH4-N: min. CSB/N/P = 800/5/1

• NH4-N > 3.000 mg/L bei pH = 7 keine Hemmung

• NH4-N ~ 1.000 mg/L bei pH = 8 Hemmung

• Nitrat-N: O2-Quellenersatz

Einflussfaktoren auf den anaeroben Prozess

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Anaerobe Reaktoren

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Anaerobes

Membranverfahren

(AMBR)

Zufluß

Abfluß

Re

zir

ku

latio

n

Gas

Be

ga

su

ng

Zufluß

Abfluß

Re

zir

ku

latio

n

Gas

Anaerobes

Belebungsverfahren

Zufluß

Abfluß

Gas

Re

zir

ku

latio

n

Festbettreaktor

Abfluß

Zufluß

Gas

UASB-Reaktor

Zufluß

Abfluß

Biogas

erste

Stufe

zweite

Stufe

Abfluß

Zufluß

Gas

Re

zir

ku

latio

n

Schlammbett

Abfluß

Zufluß

Gas

Re

zir

ku

latio

n

Fließbettreaktor

EGSB-Verfahren

R2S E2EBiobed®-RaktorIC®-Raktor

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Belastungen großtechnischer Anaerobanlagen

ReaktortypRaumbelastung

[kg CSB/(m³∙d)]

Zulauf-

konzentration

Co,CSB [mg/L]

Aufstrom-

geschwindigkeit

[m/h]

Anaerobes

Belebungsverfahren2 - 6 5.000 - 15.000 --

UASB

i.d.R. 10

T = 20 °C BR = 4 - 6

T = 35 °C BR = 8 - 20

1.500 - 10.000 0,5 - 1,0

EGSB

i.d.R. 20

T = 20 °C BR = 7 - 13

T = 35 °C BR = 15 - 30

1.500 - 40.0003 - 10 inkl.

Rezirkulation

Festbettreaktor 3 - 15 5.000 - 70.0000,1 - 1 inkl.

Rezirkulation

Fließbettreaktor 15 - 30 1.500 - 15.0006-18 inkl.

Rezirkulation

Anaerobe Reaktoren

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□ Sowohl Melasse als auch Rübendicksaft als Rohstoffe für die Hefeproduktion

□ Wechselnde Einsatzverhältnisse schwankende Abwasserzusammensetzung

Beispiel der Anwendung der anaeroben Vorbehandlung

mit autotropher N-Elimination

Zielsetzungen:

• Reduzierung des Energieverbrauchs für den aeroben C-Abbau auf der kommunalen KA

• Energiegewinn durch Anaerobtechnik

• N-Elimination ohne externe Kohlenstoffquelle

• Reduzierung des Schlammanfalls

• Vermeidung einer Anlagenerweiterung der kommunalen KA

Quelle: aqua consult

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Fließschema der Hefeabwasserbehandlung:

Industrietage Wassertechnik: Anaerobtechnik/Deammonifikation am Bsp. Hefeindustrie / Lange, Osterloh, Rosenwinkel / 15.11.2017

Beispiel der Anwendung der anaeroben

Vorbehandlung mit autotropher N-Elimination

Kanalnetz

Hefefabrik M+A VVK

o CH4 DN N NB

S

Heizkessel BHKW

Dampfkessel

VVV

~1.020 m³VCH4

~860 m³

VDN

~490 m³

VN

~980 m³

VNB

~490 m³

Bd, CSB ~ 14,5 t/d

Bd, N ~ 1,1 t/d

Z K

Stufenkonzept

• Anaerobstufe, nachgeschaltete Nitritation/ autotrophe Sulfidoxidation in der Denitritation

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Grundlagen II - Der dritte Weg

Anaerobe Umsetzung von Betain nach Naumann (1983):

C5H11NO2 + 0,95 C3H7NO3 => 1,66 CH3COOH + C2H6O +

0,97 C3H9NH + 0,95 NH3 + CO2

Betain + 0,95 L-Alanin => 1,66 Essigsäure + Ethanol +

0,97 Trimethylamin +

0,95 Ammoniak + Kohlendioxid

Reaktion der methylotrophen Methanogenese:

4 (CH3)3NH + 6 H2O => 9 CH4 + 3 CO2 + 2 H2O + 4 NH3

Vers

äu

eru

ng

Aceto

gen

ese

Meth

an

og

en

ese

Hyd

roly

se

CH

4

H2 + CO2

Acetat

Trimethylamin

Quelle: Trautmann

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Beispiel der Anwendung der anaeroben Vorbehandlung

CSB- Abbau, Anaerob, Frachten und Energie 2017/ 2018

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CSB-Bilanz

□ Betain nicht als CSB erfasst

□ reale CSB-Zulauffracht + 20-25%

höherer Gasertrag und Belastung

□ Refraktärer CSB ca. 12% vom Zulauf

Abbau und Gasäquivalent, Vergleich für Hefeabwasser

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Biologische Entschwefelung des Biogases

□ Zweistufiger Biowäscher

1. Übergang von H2S in die Flüssigphase, H2S + NaOH NaHS + H2O

2. Regeneration der Natronlauge mit

Luftsauerstoff,

NaHS + 0,5 O2 NaOH + S

Gesamtr.: H2S + 0,5 O2 S0 + H2O

• Oxidation durch autotrophe Mikroorganismen (susp. oder BF)

• Nährstoffzugabe N und P, exotherme Reaktion!

SulfothaneBiogasentschwefelung (Veolia)

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Oxidation von Schwefelverbindungen aus Ablauf

Anaerobstufe mit Nitrit, Nitrat und O2

□ chemische Oxidation mit O2 z.B. 2HS- +2O2 S2O3

2- +H2O□ biol. Oxidation von H2S aerob mit Luftsauerstoff z.B.

H2S + 0,5 O2 S0 + H2O□ Autotrophe Denitrifikation (H2S, HS-, S2-) mit NOx,

z.B. S2- + 2 NO2- SO4

2+ + N2

□ verfügbare Menge an O2/NOx bestimmt Endprodukt (S0

oder SO4)□ schneller Umsatz, hoher Yield, hohe H2S-

Konzentrationstoleranz (>> 100 mg/L H2S)□ durch z.B. Thiobacillus spp., Thiomicrospira spp.,

Thiomonas spp.

7

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3,5 - 5,7 kWh/kg N

2,5 - 3 kWh/kg N

1,5 kWh/kg N

Energiebedarf

S

autotrophe Denitrifikation

2-

4

2-SO N

2+ +2NO

2-

autotroph

NH4

+

NO3-NH 4

+

NH 4+

NH 4+ CSB/KN: 0

CSB/KN: ~3,6

CSB/KN: ~5,5

aerob/anoxischNitrifikanten und P lanctomyceten

(z.B. B rocadia anam moxidans )autotroph autotroph

autotroph

autotroph heterotroph

heterotroph

NO2- N 2

N 2

N 2

aerob/anoxisch

aerob/anoxisch

2-

Nitrifikation/ Denitrifikation

Nitritation Denitritation

Deam m onifikation

NO2-

+

)

aerob/anoxisch

/

NO

CSB/S: 0

anoxisch

Stickstoffnachbehandlungsmöglichkeiten/-vergleich

2,5 - 3 kWh/kg N

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Stickstoffbilanz

• nicht hydrol. org. N ca.

12% im Zulauf

• SK reicht für 94%

Nitritation

• N-Eli ≈ 65-75% mit

Rest abbaub.

CSBAbl.anaer. + 7,5% QZul

• Autotrophe Deni Anteil

ca. 1/3 von

Gesamt_N_Eli

• Deammonifikation

Langzeithemmung

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Beispiel der Anwendung der Gesamtanlage CSB, N für Aerob

Wirkungsgrade Gesamtanlage, Aerobanlage und Teilstrom 2017/ 2018

↓

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

31 33 35 37 39 41 43 45 47 49 51 1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31

ɳ [%]

Woche

ɳ N ges.,

Aerob

Anlage

[%]

ɳ CSB,

An-

/Aerob

[%]

15

□ Spezifische Investition:

• 290 T€ je t CSB

• 1.800 T€ je t N

□ Energie- und CO2-Bilanzen (Trautmann 2015):

Kosten und Energiebilanzen:

Vorbehandlung/Mitbehandlung Kommunal

Verfahren: Mitbehandlung in

kommunaler KA

Verdampfer und

Anaerobie

Anaerob und

Deammonifikation

Energiebilanz 12,7 kWh/ m³ Abwasser

86,1 kWh/ m³ Abwasser

-42,4 kWh/ m³ Abwasser

CO2 -Bilanz 4,9 kg CO2 eq/m³ Abwasser

20,3 kg CO2 eq/m³ Abwasser

-7,7 kg CO2 eq/m³ Abwasser

• Mögliche Ausbaustufe: Nachschaltung einer Ozonanlage zur Reduzierung des refraktären CSB

• Lachgas: Forschung hinsichtlich N2 und N2O Emission

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Anaerobtechnik/Deammonifikation am Bsp. Hefeindustrie / Lange, Osterloh, Rosenwinkel / 15.11.2017

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großtechnisches Beispiel der Hefeindustrie:

□ Anaerobe Vorbehandlung im EGSB mit nachfolgender N-Elimination Nitritation/ Denitritation (Sulfidoxidation in der Deni, autotrophe

Deni)

□ energieeffiziente und betriebssichere Elimination des Kohlenstoffs und des Stickstoffs (Biogasentschwefelung und Geruchsproblematik)

□ besondere Beachtung: Kapazitätsreserven für Gasbehandlung und Gasverwertung vorsehen Temperatur und Nährstoffvers. in biol. Entschwefelung beachten (hohe

Sulfidkonzentrationen, Kühlung) Kapselung der Anlagenteile und mehrstufige Abluftbehandlung

vorsehen (Photoionisation bzw. - oxidation) evtl. Fackelanlage mit Stützfeuerung für Inbetriebnahme

Anaerobtechnik/Deammonifikation am Bsp. Hefeindustrie / Lange, Osterloh, Rosenwinkel / 15.11.2017

Zusammenfassung und Ausblick

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C-Elimination

• Anaerobe Verfahren: Für unterschiedliche industrielle Abwässer erprobt

• Einflussparameter: T, pH, org. Säuren, S, N, P, Spurenelemente

• Unterschiedliche Verfahren im Einsatz, Trend: Hochlast-Reaktoren

• Vorteile: Biogasproduktion, geringe Schlammproduktion

• Nachteil: kein N-Elimination

• Besonders zu beachten: CSB-Bilanzen, S-Bilanzen, Geruch

N-Elimination

• sinnvoller Einsatz: Deammonifikation, autotrophe N-Elimination

geringe C-Quelle – aus Rohabwasser, geringer E-Bedarf

Zu beachten: CSB-Bilanzen und N-Bilanzen, Hydrolisierbarkeit

Zusammenfassung & Ausblick

Kombination Anaerob + autotrophe Deni zur

N-Elimination wirtschaftlich und ökologisch!

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ISAHAnaerobe-aerobe Industrieabwasserreinigung

Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!