Belüftungsstrategien für Anlagen mit aerob granuliertem Schlamm

Abstract

Aerob granulierte Biomasse (AGS) wird heute erfolgreich in SBR-Anlagen als NEREDA© -Verfahren eingesetzt, um kommunale und industrielle Abwässer zu reinigen. Die kompakte Struktur und die erhöhte Dichte des granulierten Schlammes führen zu verbesserten Absetzeigenschaften. Eine weitere Besonderheit von Anlagen mit AGS ist die Möglichkeit der simultanen Stickstoffentfernung (SND). Aufgrund der Ausbildung einzelner Zonen, mit unterschiedlichen Sauerstoff- und Nährstoffgradienten, werden die Prozesse nicht mehr über die Gegebenheiten im äußeren Medium bestimmt, sondern von den vorherrschenden Eigenschaften der verschiedenen Zonen definiert. Neben Stickstoffverbindungen siedeln sich auch Phosphatakkumulierende-Organismen (PAOs) innerhalb der Granula an, so dass auch die Möglichkeit der biologischen Phosphorentfernung gegeben ist (Winkler et al., 2012). Die Belüftung hat einen wesentlichen Einfluss auf das Wachstumsverhalten der verschiedenen Mikroorganismen innerhalb eines Granula. Ist der Sauerstoffgehalt im äußeren Medium zu hoch kann dieser bis in die anaerobe Zone vordringen und das Wachstum von denitrifizierenden und phosphatakkumulierenden Organismen beeinflussen, wodurch die Nährstoffentfernung behindert wird (Lochmatter et al., 2013). In dieser Diplomarbeit werden verschiedene Belüftungsstrategien in zwei SBR-Anlagen und einer kontinuierlich durchflossenen Anlage untersucht und ausgewertet. Ziel der Arbeit ist die Erprobung verschiedener Belüftungsstrategien im SBR-Betrieb und Optimierung der Einstellungen hinsichtlich einer möglichst hohen Nährstoffelimination bei gleichzeitig kompakter und dichter Struktur der Granula. Des Weiteren werden die Erkenntnisse aus dem SBR-Betrieb genutzt um den Betrieb in einer kontinuierlich durchflossenen Anlage zu erproben. Um den Einfluss der Belüftung auf AGS zu untersuchen wurden zwei SBR-Anlagen und eine kontinuierlich durchflossene Anlage betrieben. Eine SBR-Anlage wurde intermittierend belüftet und die andere wurde so belüftet, dass sich ein konstanter Sauerstoffgehalt einstellte. Die kontinuierlich durchflossene Anlage wurde so betrieben, dass die Bedingungen aus dem SBR-Betrieb möglichst genau nachgestellt werden konnten. Über den Zeitraum von 125 Tagen wurden werktäglich Proben entnommen, die Anlagen überwacht und die wichtigsten Parameter möglichst kontinuierlich aufgezeichnet. Eine werktägliche Betreuung der Anlage war dabei notwendig. Die 125 Tage wurden in 4 Phasen mit unterschiedlichen Einstellungsparametern aufgeteilt, dabei wurden Ergebnisse aus der vorherigen Phase zur Optimierung der nächsten Phase genutzt, um die Reinigungsleistung sowie die Absetzeigenschaften zu verbessern. Für diese Untersuchungen wurde in den ersten 106 Tagen aufbereitetes Abwasser der TU-Wien verwendet, um einen möglichst repräsentativen Zufluss einer kommunalen Anlage zu generieren. Ein Schlammvolumenindex von unter 50 [ml/g] und Schlammvolumenverhältnissen SV5/SV30 nahe 1 konnten in den ersten 30 Tagen bei den SBR-Anlagen gemessen werden. Die hohe Selektion mit einer Absetzzeit von 2 [min] hat dazu geführt, dass nur die dichten Partikel im SBR-System gehalten wurden. Nachteilig hat sich diese Selektion jedoch auf den TS-Gehalt ausgewirkt, weil durch hohe Schwebstoffkonzentrationen im Ablauf viel Biomasse verloren gegangen war und die Stickstoffentfernung und Phosphorentfernung beeinträchtigt wurde. Mit der gewählten Belüftungseinstellung konnte keine konstante Nitrifikation und Denitrifikation gewährleistet werden, wodurch die Ges.N.-Entfernung stetig abnahm und hohe Schwankungen aufwies. Erst mit der Erhöhung der anaeroben Beschickungsdauer um 30 [min] wurde eine Ges.N-Entfernung, bei beiden SBRs, von über 70 [%] erreicht. De Kreuk et al. (2005a) und Wagner et al. (2015) haben bereits gezeigt, dass sich eine längere Beschickungszeit positiv auf die Ausbildung der anoxische Schicht innerhalb der Granula auswirkt und sich dadurch auch die Denitrifikation und biologische Phosphatentfernung erhöht. In den letzten zwei Phasen wurden im SBR2 mit intermittierender Belüftung und der kontinuierlich durchflossenen Anlage Fäden festgestellt, welche die Absetzeigenschaften des Belebtschlamm maßgeblich verschlechterten. Es war nicht möglich eine Granulierung in der kontinuierlich durchflossenen Anlage aufrecht zu halten oder zu fördern. Die Schlammvolumenverhältnisse lagen größtenteils über 1,5 und der SVI zwischen 80 und 140 [ml/g]. In den letzten beiden Phasen lag die Ges.N-Entfernung auch hier bei über 70 [%]. Für den Betrieb von AGS in einer kontinuierlich durchflossenen Anlage müssen weitere Untersuchungen unternommen werden um den betrieb mit AGS zu ermöglichen.

These days, aerobic granulated sludge (AGS) is used with success in SBR-reactors with the NEREDA© process to clean wastewater on a municipal and industrial level. The compact structure and the higher density of the granulated sludge leads to improved settling properties. Another particularity of plants with AGS is the possibility of a simultaneous nitrification denitrification (SND). Due to the development of individual zones with various oxygen and nutrient gradients, the processes are no longer determined by the circumstances in the exterior medium, but are defined by the predominant properties of the different zones. Besides nitrogen compounds phosphate accumulating organisms (PAOs) deposit within the granule, so that the possibility of a biological phosphate removal is given as well (Winkler et al., 2012). The aeration strategy has a significant influence at the growth behaviour of the various microorganisms within a granule. If the oxygen level in the exterior medium is too high, the oxygen can penetrate in the anaerobic zone and influence the growth of denitrifying and phosphate accumulating organisms, whereby the nutrient removal is impeded (Lochmatter et al., 2013). In this master thesis are analysed and evaluated different aeration strategies based on similar studies of AGS in SBR-reactors. The objective of this thesis is the testing of various aeration strategies in the SBR-operation and the optimization of the settings in terms of a high nutrient removal with, simultaneously, a compact and dense structure of the granules. Furthermore, the findings of the SBR-operation are used to put to test the operation in a continuous flow reactor. To analyse the influence of the aeration at the AGS, two SBR-reactors and one continuous flow reactor have been operated. One of the SBR-reactors was aerated intermittently, the other one was aerated in such a way that a constant oxygen level was set. The continuous flow reactor was operated in such a way that the conditions of the SBR-operation could be reproduced as closely as possible. Over a 125 days¿ period, samples were taken daily, the reactors were supervised and the main parameters continuously recorded. A daily supervision of the setup was thereby necessary. The 125 days were divided into 4 phases with different operating parameters. Results of the previous phase were thereby used for the optimization of the next phase to improve the cleaning performance as well as the settling properties of the AGS. For these tests, wastewater of the TU-Vienna was used in the first 106 days to generate a representative inflow of a municipal reactor. Good settling properties with SV5/SV30-Ratios near 1 and an SVI below 50 [ml/g] could be measured in the first 30 days. The high selection with a settling time of 2 [min] lead to dense particles in the SBR-system. However, this selection had a negative impact on the TS-content because a lot of biomass got lost. With the selected aeration strategy, no constant nitrification and denitrification could be ensured, whereby the removal of the nitrogen was steadily decreasing and showed high fluctuations. With the increase of the anaerobic feeding time by 30 [min] was it possible to achieve a Tot.N-removal of more than 70 [%] for the SBRs. De Kreuk et al. (2005a) and Wagner et al. (2015) have already shown that a longer charging time has a positive effect on the formation of the anoxic layer within the granules, thereby also increasing denitrification and biological phosphate removal. In the last two phases, filamentous bacteria were dominant in the SBR2 with intermittent aeration and the continuously flowing system, which significantly depreciated the sedimentation properties of the activated sludge It was not possible to maintain or promote granulation in the continuous flow system. The sludge volume ratios were for the most part above 1.5 and the SVI was between 80 and 140 [ml / g]. In the last two phases, the Tot.N-removal was over 70 [%]. For the operation of AGS in a continuously flowing plant, further investigations must be undertaken.