Wastewater treatment with aerobic granular sludge in continuous-flow reactors and effects on downstream processes

Abstract

Das Belebtschlammverfahren ist das weltweit am häufigsten eingesetzte Verfahren zur Behandlung kommunaler sowie industrieller Abwässer. Der Abtrennung und Rückführung des belebten Schlammes kommen bei diesem Verfahren eine besondere Bedeutung zu. Herkömmliche Belebungsanlagen benötigen üblicherweise große Nachklärbecken mit einem entsprechend hohen Flächenbedarf. Die Größe der Nachklärung hängt vor allem von den Absetzeigenschaften des Belebtschlammes ab, wobei es bei höheren Biomassekonzentrationen zu einem eingeschränkten Absetzen der Schlammpartikel kommen kann. Die Konzentration der Biomasse in der biologischen Stufe ist daher durch die Absetzeigenschaften des Schlammes begrenzt. Schlechte Absetzeigenschaften, die oftmals durch das Wachstum fadenförmiger Organismen verursacht werden, sind häufig für einen Schlammabtrieb und eine verschlechterte Ablaufqualität verantwortlich. Fadenförmige Bakterien vermehren sich bevorzugt in schwach- als auch in hochbelasteten Anlagen. In Regionen mit Bevölkerungszuwachs können zusätzliche Abwassermengen die langfristige Sicherstellung der vorgeschriebenen Ablaufqualität gefährden. In diesem Fall werden Kapazitätserweiterungen mit dem Ausbau der biologischen Stufe und der Schaffungzusätzlicher Beckenvolumen erforderlich. Eine Möglichkeit zur Steigerung der Behandlungskapazität besteht in der Erhöhung der Anzahl der an der Abwasserreinigung beteiligten Organismen, wodurch der Neubau von Anlagenkomponenten umgangen werden kann. Eine Erhöhung der Biomassekonzentration zur Steigerung der Reinigungsleistung ist beispielsweise durch den Einsatz von Aufwuchsträgern möglich. Diese Verfahren sind jedoch meist kostenintensiv und werden hauptsächlich für die industrielle Abwasserreinigung angewendet.Um den begrenzten Absetzeigenschaften des Belebtschlammes entgegenzuwirken und die Kapazität der biologischen Abwasserreinigung zu erhöhen, kam es in den vergangenen Jahren zur Modifikation des Belebtschlammverfahrens mit der gezielten Anreicherung von Mikroorganismen über die Bildung kompakter Biofilmaggregate. Dieser sogenannte aerob granulierte Schlamm zeichnet sich durch eine kompakte und dichte Schlammstruktur und hohe Sedimentationsgeschwindigkeiten aus. Durch die Kompaktheit der Granula entstehen Zonen mit unterschiedlichen Sauerstoff- und Substratgradienten, welche die simultane Stickstoff- und Kohlenstoffentfernung ermöglichen. Die vermehrte Anreicherung von Phosphat akkumulierenden Organismen ermöglicht zudem die erhöhte biologische Phosphatentfernung und die Reduktion des Fällmittelbedarfs sowie der Betriebskosten. In einigen Studien wurden erhöhte Gehalte an extrazellulären polymeren Substanzen in aerob granulierten Schlamm nachgewiesen, welche eine hohe Resistenz der Biomasse gegenüber Schwankungen in der Zulauffracht und auftretende Stoßbelastungen ermöglichen.Bisherige Publikationen berichten hauptsächlich von der Umsetzung des Verfahrens mit aerob granuliertem Schlamm in SBR-Anlagen, in denen die Einstellung der Zykluszeiten und der Absetzintervalle relativ leicht handhabbar sind. Da in Österreich lediglich 15% der Kläranlagen größer 50 EW als SBR konzipiert sind, besteht ein Interesse das Verfahren mit aerob granuliertem Schlamm auch in kontinuierlich durchflossene Anlagen umzusetzen. Mangelnde Erfahrungen zur Anwendung des granuliertem Belebtschlammverfahrens in kontinuierlich durchflossenen Anlagen verdeutlichen die Notwendigkeit zur weiteren Forschung und großtechnischen Umsetzung. Im Rahmen des Forschungsprojektes KontiGran (Granulares Belebtschlammverfahren in kontinuierlich durchflossenen Anlagen) gefördert von Ministerium für Nachhaltigkeit und Tourismus (BMNT) wurde die Etablierung des aerob granuliertem Belebtschlammverfahrens in kontinuierlich durchflossenen Belebungsanlagen untersucht. Im Rahmen des Projektes wurde in Laborversuchen die Reinigungsleistung des aerob granulierten Belebtschlammverfahrens in einem kontinuierlich durchflossenen System bestehend aus einem anaeroben und aeroben Becken in Kombination mit einer Nachklärung untersucht. Neben einem vollständig durchmischten anaeroben Reaktor, wurde ein geteilt anaerobes Volumen genutzt, wobei ein Schlauchreaktor (plug-flow) und ein vollständig durchmischter Reaktor kombiniert wurden. Begleitend wurden Versuche im SBR durchgeführt, um Erfahrungen zum Betrieb und der Reinigungsleistung der Biomasse zu erarbeiten. Darüber hinaus wurden Untersuchungen zur Beantwortung weiterer Fragestellungen bezüglich potentieller Auswirkungen auf den Kläranlagenbetrieb durchgeführt.Mit dem Betrieb der kontinuierlich durchflossenen Anlage konnte eine Verbesserung der Absetzeigenschaften mit einer Senkung des Schlammindex auf ca. 85 ml g-1 realisiert werden. Die Messung der Partikelgrößenverteilung und die mikroskopischen Aufnahmen zeigten eine deutlich kompaktere Struktur des Schlammes. Dennoch ergaben sich im Vergleich zur SBR Betriebsweise insgesamt schlechtere Absetzeigenschaften des granulierten Schlammes, was in einem höheren Schlammindex sowie SV10/SV30-Verhältnis ersichtlich wurde. Im Gegensatz zum SBR ist in kontinuierlich durchflossenen Anlagen der Einsatz von Rührern erforderlich und die Realisierung von plug-flow Bedingungen schwer realisierbar. Die Granulierung war aufgrund niedriger Substratgradienten und dem Einsatz von Rührern limitiert. Die Ausbildung großer Granula ist lediglich beim Vorliegen hoher Substratkonzentrationen und einer hohen Eindringtiefe (Diffusion) in die Granula möglich.Messungen von N2O in der Abluft der Versuchsreaktoren mit aerob granuliertem Schlamm ergaben Emissionsfaktoren zwischen 0,54 und 4,8% (gN2O/gNH4-Nox.). Ein deutlicher Zusammenhang konnte zwischen den N2O-Emissionen und der Aktivität der Nitrifikanten gesehen werden. Höhere Emissionen wurden mit steigender Schlammbelastung sowie hohen Nitrit-Konzentrationen festgestellt. Die anaerobe Abbaubarkeit des aerob granulierten Schlammes wurde in anaeroben Faulreaktoren untersucht. Das Entwässerungsverhalten des Schlammes wurde mit Hilfe einer Zentrifuge untersucht. Die anaeroben Versuche ergaben eine spezifische Methanproduktion von 263 bis 285 mlCH4/goTS-1. Der oTS-Abbau errechnete sich mit 51 und 59%. Die Laboruntersuchungen zeigten ein schlechteres Entwässerungsverhalten des aerob granulierten Schlammes, wobei weitere Untersuchungen unter Einbezug großtechnischer Entwässerungsaggregate erforderlich sind.Im Rahmen der Arbeit wurden zudem die Betriebsdaten einer großtechnischen SBR-Anlage mit ausgesprochen guten Absetzeigenschaften und einem hohen Anteil an Granulas ausgewertet. Der Schlammindex lag ganzjährig in einem Bereich zwischen 30 bis 50 ml/g und somit deutlich niedriger als für suspendierten Belebtschlamm. Der Betrieb der Anlagen mit der Beschickung unter nicht belüfteten Bedingungen ermöglicht die Ausbildung anoxisch-anaerober Phasen, welche eine wesentliche Voraussetzung für die Granulierung bilden. Im Weiteren werden ein hoher industrieller Abwasseranteil mit leicht verfügbaren Kohlenstoffverbindungen sowie kurze Rührintervalle als günstige Faktoren für die Ausbildung von Granulas in dieser SBR-Anlage angesehen.

The activated sludge process is the most widely applied technology for the treatment of municipal and industrial wastewater worldwide. Conventional WWTPs usually comprise separate activated sludge tanks for the biological treatment processes as well as clarifiers for the separation of the activated sludge from the purified water. The size of the clarifiers depends mainly on the settling properties of the activated sludge, whereby the settling rate tends to decrease with higher biomass concentrations and necessitates large post-clarification tanks with increased footprint. The concentration of the biomass in the activated sludge tank is therefore limited by declining settling properties. Generally, lower sinking rates are related to the growth of filamentous organisms, which are usually responsible for sludge wash-out and lower effluent quality. Filamentous bacteria grow preferably in low or high loaded WWTPs as well as under carbon or nutrient limitations. In regions with demographic increase, additional quantities of wastewater can favor the development of bulking sludge that imperils the compliance of the effluent quality. In that case, capacity expansions with the upgrade of the biological stage and the construction of additional tank volume are necessary. Alternatively, the treatment capacity could be increased by raising the number of the involved organisms to avoid the construction of new plant components. For instance, the use of growth carriers or membranes are possibilities to enhance the biomass concentration and plant capacity. However, these processes are usually expensive and mostly applied for industrial wastewater treatment. In order to counteract the limited settling properties, the activated sludge process has been modified in recent years with the target to enhance the biological treatment capacity by increasing the microbial density. An innovative approach for the design of compact treatment plants was found with the formation of aerobic granular sludge, a biomass that offers a more compact structure compared to suspended activated sludge. Consequently, aerobic granules settle significantly faster than conventional sludge flocs. Beside improved settling properties, the compact and dense sludge structure enables zones with different oxygen and substrate gradients and thus the ability for simultaneous nitrogen and carbon removal. Moreover, the granulation allows the enrichment of phosphate accumulating organisms and subsequently enhanced biological phosphate removal. In consequence, a reduced demand for precipitation agents oppresses the operational treatment costs. Moreover, aerobic granules offer an increased content of extracellular polymeric substances which was found to improve the resistance against load fluctuations and toxic shock loads. Previous publications mainly report about the operation of aerobic granular sludge in sequencing batch reactors (SBR), in which the biological processes and the sludge separation appear time-separated in one single reactor. In this process, the adjustment of cycle times and settling intervals are easy to handle. Since only 15% of the WWTPs in Austria with a size above 50 p.e. are designed as SBR, there is still an interest in making the granular sludge process accessible also for continuous-flow plants. Lack of experiences in the application of the aerobic granular sludge process in continuous-flow illustrates the demand for further research. The establishment of aerobic granules in continuous-flow was investigated within the framework of the project "KontiGran - Aerobic granular sludge process in continuous-flow plants" supported by the Federal Ministry of Sustainability and Tourism. As part of the project, lab-scale experiments were performed to examine the cleaning performance of the biomass in a continuous-flow setup consisting of an anaerobic and aerobic reactor volume as well as a post-clarifier. The setup obtained an anaerobic reactor, which was divided into a plug-flow and a fully mixed reactor. Additional experiments were carried out in lab-scale SBRs in order to receive experiences in the aerobic granulation process as well as in the operation and treatment performance. Further investigations belonged to the effects on the down-stream processes, especially on the sludge treatment and dewatering as well as on the nitrous oxides emissions during the biological nutrient removal. With the operation of the continuous-flow setup, it was possible to improve the settling properties of the biomass to an overall lower sludge volume index of approx. 85 ml/g. The particle size distribution as well as the microscopic images revealed a more compact structure of the sludge and overall larger sizes. Nevertheless, the sludge offered lower settling properties compared to the granules from the SBR, which was confirmed by an increased SV10/SV30 ratio. Aerobic granulation in continuous-flow was limited due to insufficient substrate gradients and the use of stirrers. In contrast to SBR systems, where stirrers are not entirely necessary, continuous-flow plants always require mixing systems to avoid sludge deposits. The use of stirrers and the presence of nitrate in the return sludge makes it difficult to realize anaerobic plug-flow conditions, which were found to be the most important requirement for the aerobic granulation. Moreover, stirrers reduce the substrate gradients among the bulk liquid and the biomass which causes lower penetration depths into the granules and smaller sizes (diffusion limitations). N2O measurements in the exhaust air of the SBR operated with aerobic granular sludge revealed emission factors in a range of 0.54 to 4.8% (gN2O/gNH4-Nox.). A clear correlation was found between the N2O emissions and the nitrification, since N2O was measured in the exhaust air as long as NH4-N was present in the bulk liquid. Higher emissions were observed with increased organic loading rates and elevated nitrite levels. Moreover, the investigations comprised anaerobic tests under mesophilic temperatures and a hydraulic retention time of 25 d. The outcomes of the anaerobic biodegradation revealed a specific methane production of 263 to 285 mlCH4/gVSS. VSS reduction was calculated with 51 and 59%. The experiments disclosed an overall lower dewaterability of the digested aerobic granules. However, further studies with large-scale dewatering aggregates are required to verify the lower dewatering behavior. In addition, operational data of a full-scale SBR with excellent settling properties were evaluated as part of this work. The activated sludge of this plant comprised a high amount of granules and a sludge volume index in a range of 30 to 50 ml/g, which is significantly lower than for conventional activated sludge plants. The plant operation included a feeding phase under non-aerated conditions, which ensured the formation of anoxic-anaerobic periods at the beginning of the cycle. Anaerobic feeding conditions were identified as essential for the aerobic granulation in earlier studies. Furthermore, the increased proportion of industrial wastewater with a high amount of readily available carbon as well as short stirring intervals are recognized as favorable conditions for the formation of granules in this SBR plant.