Biologische P-Elimination mit dem Belebungsverfahren ...16650... · Biologische P-Elimination mit dem Belebungsverfahren, stationäres Modell 7 - 5 fikationszone nachher folgt, ansonsten

VSA

Verband SchweizerAbwasser- undGewässerschutz-fachleute

Association suissedes professionnelsde la protectiondes eaux

Associazione svizzeradei professionistidella protezionedelle acque

Swiss WaterPollution ControlAssociation

VSA-Fortbildungskurse 1999

Biologische P-Elimination mit demBelebungsverfahren, stationäres Modell

Martin KühniGerhard KochHansruedi Siegrist

EAWAGEidg. Anstalt für Wasserversorgung,Abwasserreinigung und GewässerschutzÜberlandstrasse 1338600 Dübendorf

Biologische P-Elimination mit dem Belebungsverfahren, stationäres Modell 7 - 1

4. EICHUNG UND VALIDIERUNG DES STATIONÄREN MODELLS ..................... ._

BIOLOGISCHE P-ELIMINATION MIT DEMBELEBUNGSVERFAHREN, STATIONARES

MODELL

M. Kühni, dipl. sc. nat. ETH, G. Koch, dipl. lng. ETH, H. Siegrist, Dr. sc. nat. ETH,EAWAG, 8600 Dübendorf

INHALTSVERZEICHNIS Seite

1. EINLEITUNG ......................................................................................................... ..

2. ERHÖHTE BIOLOGISCHE PHOSPHORELIMINATION (BIO-P): PROZESSEUND VERFAHREN ............................................................................................... ._2.1 Prozesse........................................................................................................ ..2.2 Verfahren ....................................................................................................... ._2.3 Anlagenprofile................................................................................................ ..

3. GRUNDLAGEN DES STATIONÄREN MODELLS ................................................ _.3.1 Einleitung ....................................................................................................... ._3.2 Modellprinzip und Anwendungsbereich ......................................................... ._

2

\I01C000

999

3.3 Abwassercharakteristik und Betriebsgrössen .............................................. ..103.4 Physiologischer Phosphorbedarf ................................................................. ..113.5 Fällungsprodukte ......................................................................................... ..123.6 Polyphosphatspeicherung beim AAO-Verfahren ......................................... ..123.7 Phosphorrücklösung und -aufnahme........................................................... ..143.8 Totale Phosphorelimination ......................................................................... ..143.9 Denitrifikation beim AAO-Verfahren ............................................................ ..15

164.1 Versuchsanlagen ......................................................................................... ..164.2 Ermittlung von Modell- und Fitparameter..................................................... ..17

5. BEMERKUNGEN ZU ANDEREN VERFAHREN ................................................. ..215.1 UCT-Verfahren ............................................................................................ ..215.2 lntermittierende Verfahren ........................................................................... ..225.3 Sequencing Batch Reactor (SBR) ............................................................... ..23

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7 - 2 Biologische P-Elimination mit dem Belebungsverfahren, stationäres Modell

6. NOMENKLATUR ................................................................................................. ..246.1 Abkürzungen ............................................................................................... ..246.2 Bezeichnungen ............................................................................................ ..246.3 Indices ......................................................................................................... ..246.4 Englische Indices in Excel-Kalkulation ........................................................ ..25

7. LITERATURVERZEICHNIS ................................................................................ ..26

1. EINLEITUNGDie Elimination der eutrophierenden Nährstoffe Phosphat und Nitrat aus demAbwasser ist momentan die Hauptaufgabe der kommunalen Kläranlagen (Beitrag B.Jost). In der Gewässerschutzverordnung vom 28.10.1998, welche sich auf dasGewässerschutzgesetz vom 24.1.1991 bezieht, sind die folgenden Grenzwerte fürden gesamten Phosphor (Pges) vorgeschrieben (Tagesmittelwerte): Ablauf-konzentration 0.8 g P m'° und P-Elimination 80% bezogen auf Rohabwasser anfolgenden Orten: Einzugsgebiet von Seen; Fliessgewässer unterhalb von Seen, fallszum Schutz des Fliessgewässers erforderlich; Fliessgewässer unterhalb von Seen,im Rhein-Einzugsgebiet, bei Anlagen ab 10'000 EW. Für den Stickstoff soll dieFracht gemäss der Gewässerschutzverordnung vom 28.10.1998 in den Anlagen desschweizerischen Rhein-Einzugsgebiets gegenüber 1995 um 2'000 t N/Jahr reduziertwerden und die EG-Richtlinien vom 21.5.1991 fordern eine 70-80%-ige Reduktionder Fracht bei Anlagen über 10'000 EW, was gesamtschweizerisch einer Reduktionvon ca. 10'000 t N/Jahr entsprechen würde.

Fast alle Anlagen der Schweiz entfernen Phosphat mittels chemischer Fällung.Diese wird im Ausland vielerorts durch die mikrobiellen Prozesse der erhöhtenbiologischen Phospatelimination “Bio-P” (Alarcon, 1991, Barnard, 1974, Levin undShapiro, 1965, Comeau et al., 1986, Wentzel et al., 1986, Mino et al., 1987)erfolgreich ersetzt. Damit kann neben der Fällmitteleinsparung (Eisen- oderAluminiumsalze) eine Reduktion der zu entsorgenden Klärschlammmenge (wenigerFällmittel) sowie unter Umständen eine Energieeinsparung erreicht werden. DieKlärschlammentsorgung ist heute der wichtigste ökonomische Faktor im Betrieb derkommunalen schweizerischen Kläranlagen (Maurer, 1996a).

Um die grosstechnische Realisierung der Bio-P unter- schweizerischenAbwasserbedingungen abzuklären, wurden von der EAWAG während drei JahrenVersuche im Grossmassstab auf der Kläranlage Neugut Dübendorf durchgeführt(Moser-Engeler et al., 1998, Kühni et al., 1997, Wild, 1997, Moser-Engeler et al.,1998, Koch et al., 1998, Moser-Engeler et al., 1999, Siegrist et al., 1999, Carucciund Kühni et al., 1999, Kühni et al., 1999). Dazu kamen Versuche auf der EAWAG-Pilotanlage Zürich-Tüffenwies (Koch et al., 1998, Siegrist et al., 1999, Kühni et al.,1999). Das entsprechende Projekt “Untersuchung der Denitrifikation und erhöhtenbiologischen Phosphorelimination auf den Kläranlagen Zürich Werdhölzli und Neugut


Dübendorf“ wurde im Auftrag des BUWAL, des AWEL sowie der Stadt Zürichdurchgeführt, wobei die Gesamt-Projektleitung bei der “Entsorgung und RecyclingZürich“ (ERZ, vormals "Stadtentwässerung" STE) lag. Die folgenden Versuchszielestanden dabei im Vordergrund:

ø verbessertes mikrobiologisches/verfahrenstechnisches Verständnis derdynamischen Wirkungsmechanismen insbesondere der erhöhten biologischenPhosphorelimination. _

o Kalibration und Validierung stationärer und dynamischer Belebtschlammmodelle.o Dimensionierungsgrundlagen zur verfahrenstechnischen Bemessung der

Nährstoffelimination (Stickstoff und Phosphor) bei Kläranlagen-Ausbauten/-Sanierungen.

o Betriebsoptimierung durch Regelung und Steuerung der Nährstoffelimination.0 Kostenabschätzungen und -vergleiche für verschiedene Optimierungsvarianten.

Bilanzierungen erfolgten durch die Beprobung der Zu- und Abläufe mittelsSammelproben, während die Dynamik der Nährstoffe in den einzelnen Beckenmittels Online-Analytik (nur Grossversuche) verfolgt wurde. Dazu kamen offlinedurchgeführte Sauerstoff-Zehrungsversuche und Nährstoff-Längsprofile. Als diewichtigsten Hilfsmittel in der Auswertung (Simulation) kamen dieBelebtschlammmodelle ASM 2d (Henze et al., 1995a, b, Maurer, 1996, Maurer undGujer, 1998), ASM 3 (Gujer et al., 1999) und ein mit Bio-P-Prozessen enıveitertesASM 3 (Kühni et al., 1999) zur Anwendung. Das Kapitel 4 geht im Detail aufVersuchsresultate, Schlussfolgerungen und Modellkalibrierungen ein.lm Weiteren wird im Kapitel 2.1 kurz in die mikrobiologischen Grundlagen der Bio-Peingeführt (Bio-P-Prozesse), und im Kapitel 2.2 werden die drei wichtigstenAnlagenschemen (Bio-P-Verfahren) vorgestellt.

2. ERHÖHTE BIOLOGISCHE PHOSPHORELIMINATION (BIO-P):PROZESSE UND VERFAHREN

2.1 ProzesseAnhand der Figur 1 soll kurz auf die wichtigsten Prozesse der erhöhten biologischenPhosphorelimination (Bio-P) eingegangen werden.

Zur vermehrten Phosphorspeicherung befähigte Bakterien (Phosphorusaccumulating organisms, PAO) können verfügbaren Kohlenstoff (C) unter anaerobenBedingungen aufnehmen und speichern, indem sie die notwendige Energie durchHydrolyse intrazellulärer Polyphosphate gewinnen. Das dabei freiwerdendeOrthophosphat (P04) wird ans Medium abgegeben. Der gespeicherte Kohlenstoffliegt als zellinternes “Polysubstrat" (Speicher-C, z.B. Polyhydroxialkanoate PHA) vor.

7 - 4 Biologische P-Elimination mit dem Belebungsverfahren, stationäresk/lodell

Erst unter aeroben oder denitrifizierenden (anoxischen) Bedingungen kann dieses Cin grösserem Mass im Zellstoffwechsel umgesetzt (metabolisiert) werden. Dabei wirdein Teil veratmet und der andere zum Aufbau der Zellsubstanz (Wachstum, Teilung)venıvendet. Die freigesetzte Energie übersteigt dabei den direkten Energiebedarf desStoffwechsels. Dieser Energieüberschuss kann in die Synthese intrazellulärenPolyphosphats (Poly-P) investiert und damit konserviert werden. DerEnergieüberschuss ist verständlich, wenn bedacht wird, dass der Energiebedarf fürdie C-Aufnahme aus dem umliegenden Medium entfällt, das heisst derjenigeEnergiebedarf, der in der anaeroben Umgebung aufgewendet wurde. DerOrganismus kann diese Energie gewissermassen in Form von Poly-P in dieanaerobe Phase transferieren, wo dann die (externe) C-Quelle zur Verfügung steht.Voraussetzung dafür ist natürlich das Vorhandensein von Ortho-P (P0,-P) imMedium in der aeroben resp. denitrifizierenden Phase (Figur 1).

Rezirkulation,if 2'- '-~

zuıauf I Ablaufl aíıob ıınokhl aerob l : Ö

RÜ0K|8UfS<¦h|ifl1I11 Ueberschussschlamm

o

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oo°0o°0°o0

Substrat Orthophosphat c02_|.|20 Orthophosphat

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Figur 1: Schematische Darstellung der wichtigsten Prozesse der erhöhten biologischenPhosphorelimination, mit den entsprechenden Kompartimenten der Kläranlage (oben).

Wird in einem Verfahren Belebtschlamm abwechselnd anaeroben und aeroben resp.denitrifizierenden Bedingungen ausgesetzt (Figur 1), reichern sich PAO an(Einwachsen von Bio-P-Aktivität). Dies, weil sie gegenüber anderen Organismen denSelektionsvorteil der vermehrten anaeroben C-Assimilation und Verfügbarkeit diesesC unter aeroben Bedingungen (C-Limitierung im Aussenmedium) haben. Dient Nitrat(N03) anstelle von 02 als Elektronenakzeptor (“anox"), kann die P-Aufnahme mit derDenitrifikation kombiniert werden. Wichtig bei allen Verfahren ist, dass die Anaerob-zone mit dem am leichtesten verfügbaren C versorgt wird (Zulauf) und die Denitri-


fikationszone nachher folgt, ansonsten die obige “Doppelnutzung” nicht möglich ist(Figur 1 und Figur 2). Um mit der Bio-P tatsächlich Phosphor aus dem Abwasser zueliminieren, muss natürlich der am meisten P-angereicherte Schlamm, das heisst derSchlamm am Ende der aeroben Phase, als Ueberschussschlamm aus der Anlageentnommen werden, und die Rückführung von Phosphor aus der Schlamm-eindickung und -behandlung so klein wie möglich gehalten werden (Figur 1 und Figur2). Evtl. ist eine separate Eindickung des Ueberschussschlamms vorzusehen.

Es konnte gezeigt werden, dass sämtliche, oben beschriebene Bio-P-Prozesse imgleichen Organismus ablaufen (Hesselmann et al., 1998).

Zusätzlich zum oben beschriebenen rein mikrobiellen Bio-P wurde eine biologischinduzierte chemische P-Fällung durch das im Abwasser vorhandene Kalziumbeschrieben (Maurer, 1996 und Maurer et al., 1999). Unter mittlerenschweizerischen Abwasserbedingungen findet dieser Prozess jedoch nicht statt, dadie P-Rücklösung resp. der pH-Wert zu klein ist.

2.2 VerfahrenDie Fliessbilder der drei gebräuchlichsten Bio-P-Verfahren sind in der Figur 2dargestellt. lm AAO-Verfahren (anaerobic anoxic oxic) durchfliesst derBelebtschlamm wie auch das Abwasser nacheinander die Anaerob-, Anox- und dieAerobzone. Eine interne Rezirkulation zur Rückführung von Nitrat (N03) in dieAnoxzone erlaubt die Steuerung der Anlage in Richtung optimaler Bio-P-Leistungoder aber optimaler Denitrifikation. Eine allfällige Denitrifikation im Schlammbett derNachklärung unterstützt die P-Rücklösung in der Anaerobzone. lm Rücklaufschlammverbleibendes N0, wird in der Anaerobzone zusammen mit dem Zulauf-N03 aufKosten der P-Rücklösung denitrifiziert. Variable N0,-Konzentrationen imRücklaufschlamm, wie sie in diesem Verfahren kaum vermieden werden können,beeinflussen die Stabilität der Bio-P-Prozesse (Rücklösung). Beim JHB-Verfahren(University of Johannesbourgh) wird im Rücklaufschlamm mit einem separatenReaktor denitrifiziert (nachgeschaltet), um N0,-frei in die Anaerobzone zu kommen.Das UCT-Verfahren (University of Capetown) schliesslich führt den hier N0,-reichenRücklaufschlamm in die Anoxzone zur Denitrifikation. Die Anaerobzone wird übereine separate interne Rezirkulationsleitung mit N03-freiem Schlamm versorgt, derhier allerdings eine kleinere Konzentration als in den übrigen Kompartimentenerreicht. Eine detailliertere Uebersicht zu den Bio-P-Verfahren findet sich im Beitrag“Gestaltung von Belebungsanlagen zur Nährstoffelimination“ von H. Siegrist. Auchwerden dort die verschiedenen Verfahren in Bezug auf ihre Leistungsfähigkeit zur N-und P-Elimination unter verschiedenen Abwasserbedingungen verglichen.


AAO-Verfahreninterne Rezirkulation

1 ' QabQzu Qır ›Zulauf NKB AblaufBiohgie anaerob anoxisch aerob NKB

schlammRücklaufschlamm Qr Qüs Übe__schuSS_

JHB-Verfahreninterne Rezirkulation

zu ab' QQ Qır ›Zu|auf NKB AblaufBiologie anaerob anox. aerob NKB

Rücklaufschlamm anox Qüs Übeı.sChuSs_Q1' schlamm

UCT-Verfahreninteme Rezirkulationen

zu _ _ _<_ _ır2 aQ.

' bQ › Qirı I- › QZulauf NKB AblaufBiologie anaerob anoxisch aerob NKB

Rücklaufschlamm Qüs Übefschm-„S_Qf schlamm

Figur 2: Fliessbilder der drei häufigsten Verfahren zur erhöhten biologischen P-Elimination:Erklärung der Bezeichnungen siehe Text.


2.3 AnlagenprofileZur Illustration der Beiträge der verschiedenen Kompartimente zur Kohlenstoff- undNährstoffelimination sollen Konzentrationsprofile der wichtigsten Stoffe am Beispieldes UCT-Verfahrensschemas (Kapitel 2.2) diskutiert werden. Die Profile, welche inFigur 3 dargestellt sind, zeigen stark vereinfacht und rein qualitativ die Trends derwichtigsten Inhaltsstoffe im Längsverlauf des Verfahrens (Maurer und Gujer, 1993).Der abbaubare CSB im Zulauf wird zum grossen Teil im Anaerobkompartiment zurP-Rücklösung gebraucht. Hier wird ein wesentlicher NO,-Eintrag dadurch vermieden,dass die Schlammrückführung aus dem Ende der Anoxzone erfolgt. DerRücklaufschlamm muss demgegenüber in den Zulauf des Anoxbereichs eingeleitetwerden (hohe N0,-Konzentration). Die Möglichkeit der PAO, im Anoxkompartimentdenitrifizierend auf den internen Speicherstoffen zu wachsen und gleichzeitig P0, zufixieren (Kapitel 2.1) erlaubt die Doppelnutzung des abbaubaren CSB zur N- und P-Elimination. Die infolge Wachstum vergrösserte PAO-Biomasse kann in derAerobzone gesamthaft gesehen mehr P04 fixieren als in der Anaerobzonerückgelöst wurde, sodass eine Netto-P-Fixierung in den Schlamm möglich wird.Natürlich muss der Schlamm mit dem höchsten Poly-P-Gehalt, d.h. nachabgeschlossener P-Aufnahme, als Ueberschussschlamm entnommen werden (Endeaerobes Becken oder Rücklaufschlamm). Die Profile veranschaulichen deutlich dengleichläufigen Gang der P0,-Konzentration im Aussenmedium mit dem Gang derPAO-internen organischen Speicherstoffe sowie den dazu gegenläufigen Gang des(zellinternen) Polyphosphats. Sprünge in den Konzentrationsverläufen entstehenjeweils durch die Vermischung unterschiedlich konzentrierter Teilströme.


< <-JP | |ı Ifil i†¬ F¬anaerob anoxisch aerob

mlCSB (gelöst, zellexte

Phosphat (zellextern)

F I

PHA (organische Sp 'chersto `fe, PAO-intern)

Polyphosphat (PAO-intern)

Ammonium (zellextern)

Nitrat (z lextern)BI

Sauerstoff (zellexternji

I

Figur 3: Konzentrations-Längsprofile entlang des zuoberst dargestellten UCT-Schemas(vergleiche Figur 2). Die Profile sind stark vereinfacht und rein qualitativ. Die einzelnen

Kompartimente werden als Röhrenreaktoren angenommen.


3. GRUNDLAGEN DES STATIONÄREN MODELLS

3.1 EinleitungAus Kapitel 2 wird ersichtlich, dass die erhöhte biologische Phosphorelimination einrelativ komplexes Verfahren darstellt. Die für diesen Prozess charakteristische,äusserst ausgeprägte Phosphordynamik (P-Rücklösung und P-Aufnahme resp.Tages- und Wochendynamik) erschwert die sichere Vorhersage der Phosphor-Eliminationsleistung. Mit einfachen stationären Modellen, wie sie zur Abschätzungder Stickstoffelimination erfolgreich eingesetzt werden, lassen sich bezüglichPhosphorelimination nur Schätzwerte simulieren, da dynamische Effekte nichtberücksichtigt werden können. Es lassen sich zwar verschiedene Strategien für eineSanierung resp. einen Ausbau einer Anlage mit erhöhter biologischerPhosphorelimination bewerten, aber für die Optimierung einer biologisch Phosphoreliminierenden Belebungsanlage ist die mathematische Modellierung mitdynamischen Modellen sinnvoll.Das Modell basiert auf dem kalibrierten stationären Modell zur Berechnung derStickstoffelimination und Schlammproduktion in Belebungsanlagen (Koch et al.,1998), ergänzt mit dem Ansatz von Maurer und Gujer (1993) zur Abschätzung derbiologischen Phosphorelimination. Wie später gezeigt wird, können dieModellparameter zur Beschreibung der Stickstoffelimination und derSchlammproduktion für das enıveiterte Modell beibehalten werden.Nach einer theoretischen Beschreibung der Modellgrundlagen anhand des AAO-Verfahrens (Kap. 3) wird auf die Eichung und Validierung des Modells bezüglichPhosphor anhand mehrerer Datensätze der biologisch phosphoreliminierendenPilotanlage Tüffenwies resp. Versuchsanlage Neugut eingegangen (Kap. 4). In Kap.5 wird auf die Berechnung weiterer Verfahren (UCT, SBR, intermittierend) kurzeingegangen. Die Handhabung der Modellgleichungen zur Berechnung derPhosphorelimination wird in den Ubungen zur Dimensionierung einerBelebungsanlage (Beitrag Koch et al.) aufgezeigt.

3.2 Modellprinzip und AnwendungsbereichBei der erhöhten biologischen Phosphorelimination wird Zulaufphosphor in einepartikuläre Form überführt und mit dem Überschussschlamm aus dem Systementfernt. Dabei sind drei Prozesse bedeutend: Einbau von Phosphor in die Biomasseinfolge Wachstum der Organismen in der Belebungsanlage (physiologischerPhosphorbedarf), irreversible Ausfällungen von anorganischem Phosphor (z.B.Apatit) sowie Phosphorrücklösung und -wiederaufnahme durch die PAO (Bio-P). lmFolgenden werden diese drei Prozesse mit einfachen mathematischen Beziehungenbeschrieben und in die Bilanzgleichungen des AAO-Verfahrens integriert. Dieangeführten Berechnungsschritte für das AAO-Verfahren resp. analogeBeziehungen für weitere Verfahren wie UCT-, SBR- und alternierende Verfahrensind als Excel-Kalkulation erhältlich. Die Benennung der Parameter weicht dortvereinzelt von den hier gewählten Bezeichnungen ab, da die Excel-Tabellekonsequent in englischer Sprache geschrieben wurde. In Kapitel 6 sind alleBezeichnungen und Indizes erklärt.


Folgende Annahmen liegen dem stationären Modell zugrunde:ø Es gelten die gleichen Voraussetzungen wie für das zu Grunde gelegte Modell zur

Berechnung der Denitrifikation in Belebungsanlagen (Beitrag Koch et al.)_ø Das rasch abbaubare Zulauf-Substrat wird vollständig im anaeroben

Kompartiment „abgebaut“_ø In der Anoxzone wird auch bei Nitratlimitierung keine Phosphorrücklösung

berücksichtigt. Für eine korrekte Modellvorhersage muss deshalb die Nitratkon-zentration im Anoxbecken immer grösser als null sein.

3.3 Abwassercharakteristik und Betriebsgrössen

Tab. 1: Bezeichnung der mittleren Zulaufgrössen (inkl. Rückläufe aus derSchlammbehandlung) sowie der geforderten Ablaufkonzentrationen.

Parameter Zulauf Ablauf EinheitZulaufmenge Q0 m d

T °CTemperatur3-I

Suspendierte StoffeTotaler CSBinerter CSBLeicht abbaubarer CSB

X*rss.eCcsB.<›

sS_„ 2›

XTss,e

Sl,e I )

gTSS m-3gCSB m-3gCSB m-3gCSB m-3

Totaler Kjeldahl StickstoffGelöster Kjeldahl StickstoffAmmonium-StickstoffNitrat+Nitrit-StickstoffTotaler PhosphorOrthophosphatGelöster organischer Phosphor

CTı<N,e

SNI-ı,eSuoe

S*rı<N,eSm-1,eSum:

gN m-3gN m-3gN m-3gN m-3

CP,oSPo4,t›

CP,eSı›04,e

Sum 3)

gP m-3gP m'3gP m-3

1) ee. 0.05-0.12-02320, 2) ea. 0.10-0222„ (Gujer, 1993)3) ea. 0.1-0.2 gP m'° (Kiinni et aı., 1999)Tab. 2: Mittlere Betriebsdaten sowie Schlammcharakterisierung.Parameter Bereich EinheitSauerstoff im ZulaufSauerstoff im RLSSauerstoff in intemer Rez.Sauerstoff im Ablauf BB02-Eintrag über Oberfläche

S0,oSO,rS0,ir

50,33kla

0.0-5.00.0-5.01.0-5.01.0-5.00.5-3.0

gO2 m-3gO2 m-3gO2 m-3gO2 m-3

d-ıVolumenanteil AnoxzoneVolumenanteil AnaerobzoneRücklaufverhältnisRezirkulationsverhältnisAerobes Schlammalter

Vano VBB'lVaner VBB-I

Qr Q0-'_Qir Q0'SAW I)

0.15-0.30.2-0.351.0-2.00.0-3.0

dcss-Gehalt im üsstieksteffgeiıeıt im üsPhosphorgehalt im ÜSSuspendierte Stoffe im BB

icsB.Tss1N,csa

1.0-1.2 gCSB gTSS-I0.04-0.06 gN gcsß-i

Ip_CSB 2) 0.025-O.Ü35 gp gCSB'I

xmm, 3) 2.0-5.0 kgcsß in-3Schlammfraktion im NKB åıkb 3) 0.05-0.25 -1) nach Gujer (1993)2) Anlage mit vollständiger P-Elimination (Berechnung von ip_C5B siehe Kap 3 8)3) nach Siegrist und Krebs (1997)


Aus Tab. 1 und Tab. 2 sind die für die Modellierung der erhöhten biologischen Phos-phorelimination erforderlichen anlagespezifischen Grössen ersichtlich. Die gelöstenKomponenten sind mit S„ die partikulären Komponenten mit X, bezeichnet. EineKomponente die sowohl einen gelösten als auch einen partikulären Anteil besitzt,wird mit C, charakterisiert. Alle Parameter werden als Mittelwerte über eine Periodemit der Länge von mindestens zwei Schlammaltern verstanden und schliessensowohl Trockenwetter- als auch Regenwetterbedingungen mit ein. Stichproben wiebeispielsweise Sauerstoffkonzentrationen im Zulauf müssen daher immer beiunterschiedlichen Zulaufbedingungen gemessen werden (z.B. Nacht/Tag-verhältnisse, Trocken/Regenwetterbedingungen) um mittlere Werte zu erhalten.

Die zu erreichende Phosphor-Ablaufkonzentration Sms ergibt sich aufgrund dergeforderten Phosphor-Eliminationsleistung bezogen auf das Rohabwasser undaufgrund der Einleitbedingung:

Ciao _(SP,eig.e +Sı>o4,= + iiıcsß 'icsB,*rss 'XTss.e) > (1)TIP = C - TIP,seıı H

P,o

Cine = SP,t›ig,e +SPo4.e + iP.csB ' icsafrss 'XTss,e S CP,e,§eıı [gp ma] (2)

Die neue Gewässerschutzverordnung GSchV vom 28.10.98 verlangt fürempfindliche Gewässer eine Phosphorelimination 1;„_„à„ von mindestens 80% resp.eine Abflusskonzentration C„__, von höchstens 0.8 gP m' _

3.4 Physiologischer PhosphorbedarfMikroorganismen bestehen aus unterschiedlichen organischen Verbindungen wiebeispielsweise Kohlenhydraten, Nukleinsäuren und Proteinen. Diese Verbindungenenthalten z.T. Phosphor, der beim Wachstum der Mikroorganismen dem Abwasserentzogen wird. Bei Anlagen ohne biologische oder chemische Phosphoreliminationbeträgt der Phosphorgehalt im Überschussschlamm i„_csB zwischen 0.013-0.018 gPgCSB". Auch ohne chemische Phosphorfällung liegt ein Teil des Phosphors imBelebtschlamm als anorganische Komponente vor. Der rein organisch gebundenePhosphorgehalt des Überschussschlammes infolge Bakterienwachstum i„„,g_cs„beträgt nur ca. 0.012-0.014 gP gCSB". Damit kann der totale physiologischePhosphorbedarf der gewachsenen Biomasse, welcher mit dem Uberschussschlammaus dem System abgetrennt wird, berechnet werden. Der in denAblaufschwebstoffen enthaltene organische Phosphoranteil vermindert dieEliminationsleistung was es zu berücksichtigen gilt:

Xrnefg = I(CcsB,e T Sı,e) ' Ycsß _ XTss,e 'icsB,Tss iı›efg,csB [QP ma] (3)

Für den scheinbaren Ausnützungskoeffizient YCSB gilt die Beziehung von Koch et al.(1998, Gleichung 11 im Beitrag Koch et a/_), mit der mittleren Zerfallsrate b„ einerBio-P-Anlage:

bH = bH,aer20 ° eebfl .(T_20) ' (Baer + nano ' (ßano 'I' Bnkb))


Die Schlammanteile in den einzelnen Kompartimenten sind folgendermassendefiniert:ßano = Vano ' XTSS,BB _: Vano _ _ ßnkb) [_]

VEB -XTSs_BB + Schlammmasse im NKB VBB

ß _ Vanaer I XTSS,BB _ Vanagf B ) [_]r _ - _ ' _ nkam VBB - XTSS_BB + Schlammmasse ım NKB VEB b

B _ Schlammmasse im NKB [_]"kb VBB -XTS5_BB + Schlammmasse im NKB

V er ' X

Ba" 2 VB, -x,SS_„„ fsehıgâisifiiíiasse im NKB 2 (1 _ Ba” _ ß““*'°' _ BM) H

Der Reduktionsfaktor nam, berücksichtigen die unter anoxischen Bedingungendeutlich verlangsamten Zerfallsprozesse (Tab. 4 und Tab. 5). Es wird angenommen,dass unter anaeroben Bedingungen kein Biomassenzerfall stattfindet. Die nachGleichung (4) berechnete mittlere Zerfallsrate wird bei Anlagen mit biologischer P-Elimination 25 bis 50% kleiner als die rein aerobe Zerfallsrate.

3.5 FällungsprodukteAbwasseranalysen zeigen, dass ca. 5-10% des totalen Phosphorgehaltesanorganisch gebunden vorliegt (Abramovich, 1997). Angaben über denentsprechenden Anteil im Belebtschlamm von Bio-P-Anlagen variieren stark undliegen ebenfalls zwischen 5-10% (Abramovich, 1997) resp. nach Maurer (1996)zwischen 15-25% des totalen Phosphors. Aufgrund dieser unterschiedlichenAngaben kann nicht eindeutig darauf geschlossen werden, ob durch die hohePhosphorkonzentration im anaeroben Becken eine zusätzliche Phosphorfällung (z.B.Apatit) induziert wird. Bei den häufig beobachtbaren maximalenPhosphorkonzentrationen unter 25-30 gP m'° im Anaerobbecken von Bio-P-Anlagensollte das Löslichkeitsprodukt von Phosphor (pH < 7.4, T = 15°C) theoretisch nichtüberschritten sein (Maurer et al., 1999). Für das stationäre Modell wird der mit demUberschussschlamm eliminierte, anorganische Phosphor summarisch mit 10% destotalen Zulaufphosphors berücksichtigt. Auch hier ist ein Teil des partikulärenanorganischen Phosphors in den Schwebstoffen des Ablaufs enthalten. Dieser Anteilmuss in Abzug gebracht werden:

C -S -Y -X -` 6Xpm =0_10_CPo_( csß,e ı,e) csß Tss,e 1csB,1ss [gp me] (II rg I (CCSB,o _ SI,e) ' YCSB

3.6 Polyphosphatspeicherung beim AAO-VerfahrenBei der aeroben resp. anoxischen Polyphosphatspeicherung wird davonausgegangen, dass das zuvor im anaeroben Kompartiment gespeicherte Substrat(CcS„_„„ae,_„e„) für das Wachstum der PAO genutzt wird. Kennt man den mittlerenSubstrat-Ausnützungskoeffizienten Y,.„,0 der PAO und den mittleren Polyphosphat-


gehalt i„„ (Tab. 5) der PAO im Schlamm, kann daraus die PolyphosphatspeicherungX„,_g„„,„„e„ berechnet werden zu:

~ -3XPP,gespeichert = CCSB,anaer,verf ' YPA0 ' IPP m I (7)

Der mittlere Substrat-Ausnützungskoeffizient der PAO Y„„0 ist ungefähr gleich grosswie der mittlere heterotrophe Ausnützungskoeffizient Y„ (Mittelwert aus dem aerobenund dem anoxischen Wert, siehe Beitrag Koch et al.).Das für die PAO zur Verfügung stehende Substrat Ccs„_„„,_„„ setzt sich aus demschnell abbaubaren Substrat SS_„ im Zulauf und dem im anaeroben Beckenhydrolysierbaren Substratanteil von XS_„ (gewichtet mit f„„,e„ Tab. 5) zusammen.Davon subtrahiert werden muss derjenige CSB-Anteil (Ccsmsp), der für dieElimination des über den Zulauf und den Rücklaufschlamm in das Anaerobbeckeneingetragenen Sauerstoffs resp. Nitrats notwendig ist:

B - fCCSB anaer verf = SS o 'I' XS o ` anaer anaer _ CCSB resv 1 1 ı s p

ßanaer ` fanaer 'I' Baer 'I' ßano ' fano 'I' ßnkb ' fnkb

[gCSB m'°]mit dem CSB-Verlust infolge Nitrat- und Sauerstoffeintrag

So.e +50; ' Q' 1' kıa 'Sostiit (1 “fnit ) 'I' (sNo.e`*'SNo.r '&) ' 2-36C 1 Q0 Q0 Q0

CSB,resp _ ' 1_ Y`H '-3110

Ein Teil der gebildeten phosphorakkumulierenden Organismen stirbt ab und zerfällt.Dabei gelangt das gespeicherte Polyphosphat wieder in die Umgebung. Der Anteildes letztendlich gebundenen 0rtho-Phosphats, berechnet aufgrund einerMassenbilanz (vgl. auch Gleichung für YCSB, Beitrag Koch et al_), ist:

1.2- X"^° = X” = 1 i-1 (10)XPAO,gebildet XPP,gespeichert 1 'I' SAtot ' bPP

Der mittlere Polyphosphatzerfall des Systems ergibt sich anlog Gleichung (4) zu:

bPP : bPP,aer ' (ßaer 'I' nano ` (ßano 'I' ßnkb)) (1 1)

Je grösser das Schlammalter, desto grösser wird der Anteil des gespeichertenPolyphosphates, der wieder in das Abwasser zurückgelangt. Die Temperatur-abhängigkeit der aeroben Zerfallskonstante für Polyphosphat bpm, (Tab. 5) wird imstationären Modell nicht berücksichtigt, da die verbesserte P-Aufnahme die höhereZerfallsrate nahezu kompensiert. Damit berechnet sich die durch die Substrat-aufnahme schlussendlich gebildete und über den Uberschussschlamm entnommenePolyphosphatmenge X„„ zu (Polyphosphat in den Ablaufschwebstoffen abgezogen):

1 _ (Ccsiıe `Sıe) ' Ycss “ Xrss,e 'icsa,Tss (12)1+ SAM 'bı>ı> (Ccsııe “ Sie) ' Ycsß

[QP m'°1XPP = CcsB,entier,verf ' YPAo ' IPP '

_;

IE

1i

I

II

ıI

I

ı

I


3.7 Phosphorrücklösung und -aufnahmeDie Speicherung von Substrat unter anaeroben Bedingungen führt zu einerFreisetzung von Ortho-Phosphat (P-Rücklösung). Die zurückgelöste Ortho-Phosphatkonzentration AS,_a„„, ist proportional zum zur Verfügung stehendenSubstrat:

ASP,anaer = YPO4 ' CCSB,anaer,verf m'3]

Der Faktor YPO, gibt an, wieviel Phosphor pro verfügbarem CSB rückgelöst wird. DerFaktor ist sehr stark von der Substratart abhängig. lm Modell beeinflusst er diePolyphosphatbildung nicht (siehe Gleichung (12)). Es gilt zu beachten, dass AS„_,„ae,auf die Zulaufwassermenge bezogen ist. Die effektiv aufgrund von Stichprobenmessbare 0rtho-Phosphatkonzentration S„,„_a„a_„ in der anaeroben Zone des AAO-Verfahrens kann mit einer P0,-Bilanz um das Anaerobbecken ermittelt werden(Annahme: kein Wachstum und kein Zerfall von Biomasse im anaeroben Becken):

SP04,o + Q' 'SPO4,e + ASP,:ınaer

SPO4,anaer = Q rn'3:Il+~

Q0

lm nachfolgenden aeroben resp. anoxischen Becken wird das anaerob gespeicherteSubstrat mit Sauerstoff resp. Nitrat unter gleichzeitiger Aufnahme von Phosphorveratmet. Experimentell zeigt sich, dass die Aufnahme ASW proportional zurvorhergehenden Ortho-Phosphatrücklösung ist:

ASP,aer = U'aer,anaer ' ASP,anaer [gp ma] (15)

Damit eine Phosphorelimination resultiert, muss der Proportionalitätsfaktor ot„,_„„a„,grösser als 1.0 werden. Die Differenz zwischen aufgenommener und rückgelösterOrtho-Phosphatmenge entspricht genau dem gespeicherten Polyphosphat in dengebildeten PAO (Phosphorbilanz):

XPP›8espeicher1 = ASP,aer _ ASP,anaer [gp ma] (16)

Setzt man Gleichungen (13) und (15) in die Phosphorbilanz ein, kann derProportionalitätsfaktor rx„,_„„ae, theoretisch berechnet werden zu:

Y Haaer,anaer = 1+ IF]

3.8 Totale PhosphoreliminationDie mittlere Phosphorkonzentration im Ablauf der Anlage berechnet sich aus dertotalen Phosphorkonzentration im Zulauf abzüglich dem mit via Uberschussschlammeliminierten Phosphor zu:

CP,e : CP,o _ XP,org _' XP,anorg '_ XPP _ XP,FäII m'3]


XP_°,g = organisch gebundener Phosphor im ÜSXP_a„0,g = anorganisch gebundener Phosphor im ÜSXPP = durch PAO als Polyphosphat gebundener Phosphor im ÜSXP_Fä„ = Eisenphosphat im ÜS infolge zusätzlicher chemischer Fällung

Aus diesen Anteilen kann auch der Phosphorgehalt des Überschussschlammesi,2_CSB berechnet und mit dem Schätzwert aus TABELLE 2 verglichen werden. iP_CSBlässt sich leicht durch Messungen überprüfen.- _ XP,org 'I' XP,anorg 'I' XPP 'I' XP,Fâll _ CP,üslv csß _ . _ .

' Ycsß '(CcsB,e _ Sie) _ XTss,e '1csB,Tss XTss,rie '1csB,Tss

Ist die Polyphosphatbildung zu gering und kann daher die geforderte Phosphor-Ablaufkonzentration nicht eingehalten werden, ist eine zusätzliche chemischePhosphorfällung (X„_F„„) möglich (siehe Beitrag Kühni et al.). Weitere Möglichkeitenzur Verbesserung der Phosphorelimination wären:ø Förderung des Wachstums der PAO und damit der Polyphosphatbildung durch

Zugabe einer Kohlenstoffquelle in den Zulauf der Belebungsanlage (siehe BeitragKühni et al. und Beitrag Moser et al.)

ø Reduktion des Stickstoffinputs in die anaerobe Zone durch Reduktion der überden Rücklaufschlamm reziklierten Stickstofffracht (separate Denitrifikation desRücklaufschlammes, Verbesserung der Denitrifikation im Nachklärbecken oderReduktion des O,:0„-Verhältnisses auf Kosten der Stickstoffelimination)

ø Reduktion des Stickstoffinputs in die anaerobe Zone durch separate Entstickungder Rücklaufe aus der Schlammbehandlung (siehe Beitrag Koch et al.)

3.9 Denitrifikation beim AAO-VerfahrenDie Berechnung der Denitrifikationsleistungen im Anox- und im Nachklärbeckenerfolgt analog der Berechnung einer rein denitrifizierenden Belebungsanlage (sieheBeitrag Koch et al.). Es müssen die für die Nitratatmung zur Verfügung stehendenCSB-Anteile an der gesamten CSB-Veratmung ermittelt werden. Beim AAO-Verfahren stehen drei CSB-Anteile für die Denitrifikation im Anoxbecken zurVerfügung:ø Systeminternes Substrat aus der endogenen Atmung Som, (S0_e„„_„„„ und SO_e„„_„,„

siehe Beitrag Koch etal.),ø die Atmung auf Hydrolyseprodukten Som, (Veratmung des partikulären Substrats

X52, siehe Beitrag Koch etal.)o und die teilweise Veratmung von gespeichertem Substrat der PAO. Das Modell

nimmt an, dass ein Teil der PAO (f„,O_a„„ siehe Tab. 5) unter anoxischenBedingungen ihr gespeichertes Substrat für Wachstum und Denitrifikation nutzenkönnen (anoxische Phosphoraufnahme).

Das leicht abbaubare Substrat SS_„ im Zulauf steht primär für die Phosphorrücklösungund Substratspeicherung der PAO im vorgeschalteten Anaerobbecken zurVerfügung. Ein Teil von SS_„ kann in Form von gespeichertem Substrat für die


Denitrifikation im Anoxbecken genutzt werden. Für die substratlimitierteDenitrifikation im Anoxbecken gilt (So„,„_a„„ siehe Beitrag Koch et al.):

B -fSO den ano = SO end ano + SO h ' ano am, . , . . ydr

ßanaer ' fanaer + ßano ' fano + Baer + ßnkb ' fnkb

+ CCSB,anaer,verf ' (1 _ YPAO,ano) ` Bam o fPAO,ano _ SO,in,ano m-3]Baer + fPAO,ano ° (ßano + ßnkb)

Analog lässt sich auch die Denitrifikation im Nachklärbecken Sc,'_,„„'„„„ berechnen.Berücksichtigt man noch die Denitrifikationsleistung im anaeroben Becken

SNO.den.zınaer = SN0.o + SN0.r rna]

ergibt sich die gesamte Denitrifikationsleistung zu (2.86 = O2-Äquivalent von Nitrat):

S SSNO,den : SNO.den,anacr + rnß] )

4. EICHUNG UND VALIDIERUNG DES STATIONÄREN MODELLS

4.1 VersuchsanlagenTab. 3 zeigt einen Überblick über die Datengrundlage, welche zur Eichung undKalibrierung des stationären Modells bezüglich biologischer Phosphorelimination zurVerfügung stand. Die Messkampagnen wurden auf der Pilotanlage Tüffenwies undder Versuchstrasse der Kläranlage Neugut durchgeführt. Auf die genauenVersuchsbedingungen sowie die Analytik wird nicht eingegangen, das detaillierteMessprogramm kann aus Kühni et al. (1999) entnommen werden. Generell warjedoch der Versuchsaufwand bei den Bio-P-Versuchen im Vergleich zu den reinenDenitrifikationsversuchen (Beitrag Koch et al.) aufgrund der komplexerenVerfahrensführung und der P-Bilanzierung deutlich höher.

Tab. 3: Datengrundlage aller für die Eichung und Validierung des stationären Modellsbeigezogenen Kampagnen. ø = vorhanden, (o) = teilweise vorhanden, - = nicht vorhanden.

TW: Pilotanlage Tüffenwies, NG: Versuchsstrasse Neugut." Stichproben.


Tages- Proñle Online P-Bilanz N-Bilaıız CSB-Bil. N-Bilanz

gang " BB+NKB BB+NKB BB+NKB NKBTW, UC'I`la - - - 0 0 0 -TW, UCTlb 0 - - 0 0 0 -Tw, Jı-ıßı ø - - ~ ø ø -TW, UCT2a 0 - - 0 0 0 -TW, UCT2b 0 - - 0 0 0 -TW, AAOla 0 0 - 0 0 0 ~Tw, AAoıb - ~ - ~ ~ ~ -TW, AAOlc - 0 - 0 0 0 -TW, AAO2 0 0 - 0 0 0 -TW, UCT3 0 0 - 0 0 0 .

Tw, AAO3 ø ~ - ø ~ › -NG, AAoı ø - ~ ø ø ø ~NG, UCT1 o - 0 0 0 0 o

NG, UCT2 o - o o 0 o o

NG, AAO2 0 - 0 0 0 0 0

Kampagne

4.2 Ermittlung von Modell- und FitparameterNeben den in Tab. 1 und Tab. 2 beschriebenen anlagespezifischen Eingangs-grössen enthält das Modell weitere Parameter, die für die Berechnung der Stickstoff-(Tab. 4) und Phosphorelimination (Tab. 5) notwendig sind. Einige Parameter(Modellparameter) zur Berechnung der biologischen P-Elimination stammen direktvom dynamischen Modell (siehe Beitrag Kühni et al. und Koch et al.). ZweiParameter, nämlich ip., und Y„0_„ verbleiben als sog. Fitparameter und müssenanhand von Datensätzen kalibriert werden. Fitparameter sind sehr stark mit derStruktur des stationären Modells verknüpft und beinhalten auch vom Modell nichtbeschriebene Einflüsse wie z.B. Messfehler oder Fehler in der Modellstruktur.

Tab. 4: Übersicht über die Modellparameter (ASM3) und kalibrierten Fitparameter zurBerechnung der Stickstoffelimination und Schlammproduktion (siehe Beitrag Koch et al.).

Bezeichnung Symbol Einheit WertModellparameter StickstoffAnox. Hydrolyserate zur mittleren aeroben Hydrolyserate fm, - 1.5Hydrolyserate im NKB zur mittleren Hydrolyserate fnkbAerober heterotropher Ausnützungskoeffizient YH,a„,Anoxischer heterotropher Ausnützungskoeffizient YHMOProduktion von inertem CSB beim Zerfall fx;Aerobe endogene Atmung (T=20°C) bH,ae,20Temperaturkoeffizient der endogenen Atmung 6bHAnoxischer Reduktionsfaktor endogene Atmung nanoFitparameter StickstoffAnteil des durch Nitrifikation eliminierten 02 in Anoxzone fniıKalibrationsfaktor zur Anpassung der Schlammproduktion fm

gCSB gCSB-1gCSB gCSB-l

d-1OC- I

0.70.640.460.200.300.070.5

0.41.3


Tab. 5: Übersicht über die Modellparameter (Kühni et al., 1999) und kalibriertenFitparameter zur Berechnung der Phosphorelimination.

Bezeichnung Symbol Einheit WertModellparameter PhosphorAnaerobe zur mittleren aeroben Hydrolyserate fan“, 1) - 1.5Anteil denitrifizierender PAO fpA0,„„„ - 0.6Aerober Ausnützungskoeffizient der PAO = YH'„e, YpAQ„,„ gCSB gCSB*1 0.64Anoxischer Ausnützungskoeffizient der PAO = YH,a„0 YpA0,a„0 gCSB gCSB>| 0.46Aerobe Zerfallskonstante für Polyphosphat (T = 15°C) bppmr d*| 0.14Fitparameter PhosphorPolyphosphatgehalt der PAO im Überschussschlamm ipp gP gCSB" 0.13Rückgelöster Phosphor pro aufgenommenem Substrat Yp04 gP gCSB* 0.33

Alle bereits ermittelten Model|~ und Fitparameter zur Berechnung derStickstoffelimination und der Schlammproduktion (Tab. 4) werden unverändert auchfür das mit der biologischen Phosphorelimination ergänzte Modell übernommen. Diebeiden Korrelationen in Figur 4 und Figur 5 zeigen, dass die gemessenenscheinbaren Ausnützungskoeffizienten YCSB und die Denitrifikationsleistungen S„„_„e„aller untersuchten Versuchsphasen mit erhöhter biologischer Phosphorelimination imMittel sehr gut mit den Modellvorhersagen übereinstimmen. Die Vorhersage desscheinbaren Ausnützungskoeffizienten YCSB im einzelnen ist jedoch ungenau undwird bei BioP-Anlagen leicht unterschätzt.

0.80 fy= ı.o4sx

0.70 - U

0.60 - ~_.-°'ı cı

ı:ı_ I I.. 3.'

/D I B.-~

Ycsnmessung[gCSBgCSB`ı] .O.Oå3Üfl

_ Ü __ Regressionsgerade-*-* Vertrauensintervall~~~~~~~ -- Prognoseband

O_3() -ı ı-" ı ı 1 ı

0.30 0.40 0.50 0.60 0.70 0.80

Ycsnwmaeıı [gCSB SCSBJ]

Figur 4: Vergleich zwischen modellierten und gemessenen YCSB. Vertrauensintervall:zukünftige Messungen liegen im Mittel mit 95%-iger Wahrscheinlichkeit dazwischen.Prognoseband: nächster Messwert liegt mit 95%-iger Wahrscheinlichkeit dazwischen.

Legende: ı Anlagen mit Bio-P, E1 Rein denitrifizierende Anlagen (siehe Beitrag Koch et al.).


30.0 '

y = o.997x =›„,¬ 25'°` R2=o.ss4 Ü E'

[gNm'IQ .QO

sung ._. P'o ı

cı U _-"Ü

SNO,den,Mes

.5CDI -_Regressionsgerade

5_0 - i*Vertrauensintervall_ ~~~~~~~ '¬ Prognoseband

()_() ¬ -1" ı › l 1 i

0.0 5.0 10.0 15.0 20.0 25.0 30.0

SNo,a=n,ıvıo±ıı [gN 111-3]

Figur 5: Vergleich zwischen gemessener und modellierter Denitrifikationsleistung.Vertrauensintervall: zukünftige Messungen liegen im Mittel mit 95%-iger Wahrscheinlichkeit

dazwischen. Prognoseband: nächster Messwert liegt mit 95%-iger Wahrscheinlichkeitdazwischen. Legende: ı Anlagen mit Bio-P, cı Rein denitrifizierende Anlagen (siehe Beitrag

Koch et al.).

Die Kalibration/Validierung des Modells zur Vorhersage der Phosphoreliminationanhand der Datensätze der Pilotanlage Tüffenwies resp. der Versuchsanlage Neugutliefert:

ip, = 0.13 gP gCSB"Y„O„ = 0.33 gP gCSB"

Das Verhältnis von rückgelöstem Phosphor zu aufgenommenem Substrat YPO, istvon der Substratart abhängig, die für die Rücklösung zur Verfügung steht. Kunst(1991) erhielt aus zahlreichen Versuchen mit Belebtschlamm einen Durchschnitt von0.26 gP gCSB". Wild (1997) ermittelte aus Versuchen mit Versäuerungsproduktenund Belebtschlamm den hohen Wert von 0.38 gP gCSB". Aus Batchversuchen miteinem Acetat-Abwassergemisch als Substrat resultiert ein Wert von 0.35 gP gCSB"(Kühni et al., 1999). Literaturangaben zum Polyphosphat-Gehalt i„„ der PAO inangereicherten Kulturen variieren zwischen 0.09 und 0.18 gP gTSS" (aus Maurer,1996). Der hier ermittelte Wert liegt ebenfalls in dieser Grössenordnung (Annahme:iCSB_,Ss von angereicherten Kulturen beträgt 1.2 bis 1.3 gCSB gTSS").

Die gesamte Phosphorelimination wird vom Modell relativ ungenau wiedergegeben(Figur 6). ln Einzelfällen treten Abweichungen zwischen gemessener undmodellierter Phosphorelimination von 1.0 gP m`° resp. 20-25% bezogen auf denZulaufphosphor auf. Dabei lässt sich kein eindeutiger Unterschied in der Güte derModellvorhersage bei den verschiedenen untersuchten Verfahren (AAO, JHB undUCT) erkennen.


7.0I_ y= 1.01911 I6.0 2 ,.R =o.662 ' . .

X1...MamtgPmii

:FSf'OOI

_ I _.f `ı'

I ı9°o ' l-Regressionsgerade

--- Vertrauensintervall2-0 ` ....... ._

1_O -1 1'". 1 1 1 1 1

1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 6.0 7.0

Prognoseband

Xı›,eı,1vı›1±1ıı [EP m-3]

Figur 6: Vergleich zwischen gemessener und modellierter Phosphorelimination. Vertrauens-intervall: zukünftige Messungen liegen im Mittel mit 95%-iger Wahrscheinlichkeit

dazwischen. Prognoseband: nächster Messwert liegt mit 95%-iger Wahrscheinlichkeitdazwischen.

Die Modellierung der mittleren P-Rücklösung im aneroben Becken erfolgt mitähnlicher Streuung wie die Vorhersage der Phosphorelimination (Figur 7).

ASP,anaer,Messungm-3]

35.0

1~.› 5-"o

ı~.› .0o

I_l P'o

U11 .°o

. 1

y = 0.94611 '30-0 ' R2 = 0.657

..,"...- I .'.'._.

` I 1 I I-"II Z-Regressionsgerade

5.0 - 4_ -- vematıensımewaıı' ~~~~~~~ '- Prognoseband

Q O ¬1 1 ~ ` 1 1 1 1 l

0.0 5.0 10.0 15.0 20.0 25.0 30.0 35.0

ASP,1111111e1-,ıvımeıı [SP ma]

Figur 7: Vergleich zwischen gemessener und modellierter zulaufbezogenerPhosphorrücklösung. Die effektiv messbaren mittleren PO,-Konzentrationen in den

anaeroben Becken sind bedeutend kleiner (Gleichung (14)). Vertrauensintervall: zukunftıge


Messungen liegen im Mittel mit 95%-iger Wahrscheinlichkeit dazwischen. Prognoseband:nächster Messwert liegt mit 95%-iger Wahrscheinlichkeit dazwischen.

Die Sensitivitätsanalyse zeigt, dass ähnlich wie bei der Modellierung derStickstoffelimination und der Schlammproduktion (Koch et al., 1998) auch diePhosphorelimination sehr sensitiv auf Veränderungen der CSB-, Stickstoff- undSchwebstofffrachten im Zulauf reagiert. Eine möglichst genaue Erfassung derZulauffrachten, d.h. genügend lange Messreihen oder Doppelbestimmungen, ist füreine Abschätzung der Phosphorelimination Voraussetzung.

5. BEMERKUNGEN ZU ANDEREN VERFAHREN

5.1 UCT-VerfahrenEs gilt zu beachten, dass beim UCT-Verfahren (siehe Kap. 2.1.1 im Beitrag Siegrist)die Feststoffkonzentration im anaeroben Kompartiment X,SS_a„„, stets kleiner ist als imanoxischen und aeroben Kompartimenten (X,sS_B„). Bei der Berechnung derPhosphoreliminationsleistung ist dies zu berücksichtigen. Der Abminderungsfaktorwm, der Konzentration ist abhängig vom Verhältnis der internen Rezirkulation (vomanoxischen zum anaeroben Kompartiment) zur Zulaufwassermenge Q, Q0".

ÄXTss,anaer = °3'XTss,BB [Q1-SS ma] mit “anaer :___ H

1 + XO1O° <>=.

Für das übliche Verhältnis Q, Q„" = 3.0 beträgt der Abminderungsfaktor wm, = 0.75.Insgesamt kann beim UCT-Verfahren weniger Belebtschlamm im System gehaltenwerden, wodurch sich das Schlammalter der Anlage gegenüber dem AAO-Verfahrenoder reiner Denitrifikation mit gleichem Beckenvolumen leicht verringert. DieSchlammmassen-Anteile berechnen sich für das UCT-Verfahren wie folgt:

VIUIO

ß = VB” ~<1-ß..„,› 1-1“"° haıg, HiVBB

VBB 811861'

E. 0)V anaer

Banaer = V BB V _`ßnkb)í. www + 1 _íVisa VBB

B _ Schlammmasse im NKB [ ]"kb _ XTSS,BB - (VEB - Vme, - (1 - wa„ae,))+ Schlammmasse im NKB

ßaer = (1 _ ßano _ ßanaer _ ßnkb) [`]


Die Schlammproduktion sowie die substratlimitierte Denitrifikationsleistung undbiologische P-Eliminationsleistung lassen sich analog den Gleichungen in Kap. 3 imBeitrag Koch et al. resp. Kap. 3 im Beitrag Kühni et al. berechnen.

5.2 lntermittierende VerfahrenDas gesamte Belebungsbecken besteht aus zwei parallel durchflossenen,intermittierend belüfteten Beckenteilen mit dem totalen Volumen V„„,e,m„ und einemgemeinsamen nachgeschalteten, permanent belüfteten Beckenteil mit dem VolumenVM (Nachbelüftung) (Kap. 2.1.4 Beitrag Siegrist). Die einzelnen Schlammmassen-Anteile werden bei diesem Verfahren aufgrund der Phasenlängen berechnet:

_ Vimemiı 1 taer,intermitßaeninlermit __?'( _ ßnkb) '___- [-]

BB tzy1<ı,1111erm11

_ Vimemiı 1 tZyklus _ taerjntennitßaerjmermit _ V _ßnkb)' [_]

BB tzyı<ı,1111e1m11

=@. _ _ßnııch VBB (1 ßnkb)

B _ Schlammmasse im NKB"kb (Vimmm + Vmh) - XTSSBB + Schlammmasse im NKB

Die Summe der einzelnen Schlammfraktionen muss eins geben:ßaenintennit + ßgerühn,interrnil + ßnach + Bnkb _ 1 [_]

Die Zykluszeit des intermittierenden Beckenteils setzt sich aus der aeroben und dergerührten Phase zusammen:1..=1. .+1 [11]Zykl,ınterm1t aer,ıntermıt gerührt,intermit

Je nach Denitrifikationsleistung kann die gerührte Phase anaerob werden und zurerhöhten biologischen Phosphatelimination beitragen. Der anaerobe und anoxischeAnteil kann berechnet werden zu:ßanaerjntemıit Bgerühn,intem1ıt ßanojntermıl [ ]

_ Vimermiı 1 tano,inlem1it _ßano,inlermil _T'( _ ßnkb› '___ [ ]

BB tzyı<ı,1111e1-m11

Die Schlammproduktion sowie die substratlimitierte Denitrifikationsleistung undbiologische P-Eliminationsleistung lassen sich analog den Gleichungen in Kap. 3 imBeitrag Koch et al. resp. Kap. 3 im Beitrag Kühni et al. berechnen. Die nitratlimitierteDenitrifikationsleistung wird im Kap. 2.1.4 im Beitrag Siegrist erläutert.Tip: Die Berechnung einer intermittierenden Anlage mit zusätzlichemvorgeschalteten Anaerobbecken (V„„„,) kann näherungsweise mit dem stationärenModell für das AAO-Verfahren durchgeführt werden. Folgende Annahme ist dabeierfoderlich:


Da das lntermittierende Verfahren im Normalfall immer nitratlimitiert arbeitet, gilt:Vanaer tanaer Vintennil_-§_--_ 1-1VBB tzykı VBB

Weil im Bio-P-Verfahren das Substrat besser (für Bio-P und Denitrifikation)ausgenützt wird, kann der anaerobe Volumenanteil im AAO-Verfahren aufgerundetwerden.lm AAO-Modell muss über das Verhältnis Q1,/Q., genau die Grenze zurNitratlimitierung eingestellt werden (SNOM, E 0).

5.3 Sequencing Batch Reactor (SBR)Ähnlich wie bei den intermittierenden Verfahren werden bei SBR-Anlagen (Kap.2.1.6 Beitrag Siegrist) die einzelnen Schlammmassen-Anteile aufgrund derPhasenlänge berechnet. Die herkömmliche Schlammfraktion in der Nachklärung wirdhier durch die Dekantations- und Sedimentationsphase repräsentiert:

t - t tz kı T t T td kßdek _ li' Baer __2_eı-_ und ßgerühn_ [`]

tzykı tzykı tzykı

ßdek +ßael. +ßgerühn = 1 [']

Je nach Denitrifikationsleistung kann beim SBR die gerührte Phase anaerob werdenund zur erhöhten biologischen Phosphatelimination beitragen. Der anaerobe undanoxische Anteil der gerührten Phase kann berechnet werden zu:Banaer _ ßgerührt _ ßano [-]

Ißano _ ini [-]

tzyıu

Die Schlammproduktion sowie die substratlimitierte Denitrifikationsleistung undbiologische P-Eliminationsleistung lassen sich auch hier analog den Gleichungen inKap. 3 im Beitrag Koch ef al. resp. Kap. 3 im Beitrag Kühni et al. berechnen. Da deranaeroben Phase stets eine aerobe Phase folgt, ist die anoxischePhosphataufnahme durch die PAO im Modell nicht vorgesehen.Das maximale Volumen VW des Reaktors ergibt sich aus dem minimalen VolumenVM nach der Dekantation und der kurzfristig zu speichernden Wassermenge AVMwährend eines Zykluses bei Spitzenzufluss Q„_„,„ (abhängig vom vorgeschaltetenSpeichertank):Vmax _ Vmin + Avmax [ms]

Q -SP -L -SAV„„„ = °"““ CS” _ '“'“ '°' [ma] (X,sS„m,„ = Belebtschlammkonzentration in V„„„)X'rss.vm111 '1csß,'rss i

AVM = Q„_m„ -tm, [ma] (tm, = minimale Zyklusdauer bei Spitzenzufluss)

7-24 Biologische P-Elimination mit dem Belebungsverfahren, stationäres Modell

6. NOMENKLATUR

6.1 AbkürzungenARAASM1

ASM3

BBCSBEWIAWQNKBPAOSASPTSSVKB

AbwasserreinigungsanlageActivated Sludge Model No. 1 der IAWPRC Task Group von 1987.Mathematisches Modell zur Dimensionierung und Optimierung vonbiologischen Abwasserreinigungs-Anlagen.Activated Sludge Model No. 3 der IAWQ Task Group von 1999.Nachfolge von ASM1.BelebungsbeckenChemischer SauerstoffbedarfEinwohnenıvert = Einwohnergleichwert (EGW) + Einwohner (E)International Association on Water QualityNachklärbeckenPhosphorakkumulierende OrganismenSchlammalter __Schlammproduktion (im Steady-State gleich Uberschussschlamm)Totale suspendierte StoffeVorklärbecken

6.2 BezeichnungenC

:Q®>wx<<*fiwm0~*

Summe von gelösten und partikulären StoffenFraktion oder FaktorFraktionWasserflussKorrelationskoeffizientgelöste StoffeWassertemperaturPhasenlänge, ZykluslängeVolumenAusnützungskoeffizientpartikuläre StoffeSchlammfraktion bezogen auf gesamte Schlammmasse im SystemDifferenzHydraulische AufenthaltszeitProportionalitätsfaktorEliminationsleistung oder Abminderungsfaktor

6.3 Indicesaeranaeranoanorgcaldekden

Aerobe UmweltbedingungAnaerobe Umweltbedingung (weder O2 noch N03 oder NO, vorhanden)Anoxische UmweltbedingungAnorganischKalibration (calibration)Dekantation (beim SBR)Denitrifikation, denitrifiziert


e Ablauf (effluent)end Endogen, endogene AtmungFäll Fällung, chemischeH Heterotrophhydr Hydrolyse, hydrolysiertl lnert, nicht abbaubari Stoff oder Kompartimentin Einlauf in ein Kompartimentintermit intermittierendir Interne RezirkulationN StickstoffNH NH_,*-N (Ammonium-Stickstoff)nit Nitrifikation, nitrifiziertnkb NachklärbeckenNO N03'-N+NO2`N (Nitrat+Nitrit-Stickstoff)O O2 (Sauerstoff)o Zulauf, Abwasserorg Organischer Stickstoff oder PhosphorPP Polyphosphatr Rücklaufschlammresp Respiration, Veratmungsätt Sättigung, gesättigte LösungS Organisches Substrattot totalTKN Totaler Kjeldahl Stickstoff (= totaler Stickstoff minus Nitrat+Nitrit)üs Uberschussschlammverf VerfügbarZykl Zyklus

6.4 Englische Indices in Excel-Kalkulationaver Average (Mittel, mit)avail Available (Verfügbar, verf)blanket Sludge blanket (Schlammmasse im ganzen Nachklärbecken, nkb)calc Calculated (berechnet)COD Chemical Oxygen Demand (Chemischer Sauerstoffbedarf, CSB)cycle Cycle (Zyklus, Zykl)dec Decantation (Dekantation, dek)design Design (Dimensionierung, dim)estim Estimated (geschätzt)feed Feed (Füllen)inorg lnorganic (anorganisch, anorg)post-aer Post-aeration (Nachbelüftung, nach)sat Saturation (Sättigung, sätt)SRT Sludge Retention Time (Schlammalter, SA)tank Activated Sludge Tank (Belebungsbecken, BB)


7. LITERATURVERZEICHNIS 'Abramovich D. (1997). The development of a method to extract inorganic phosphate from

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