Ertüchtigung der Vorbehandlung eines Teilstroms

In einem Unternehmen der chemischen Industrie erfordert die Marktsituation eine deutliche Kapazitätssteigerung, wodurch mit einem nach Menge und Beschaffenheit veränderten Abwasseranfall zu rechnen ist. Mit Hilfe einer dynamischen Simulation des Programmpakets STOAT ist zu untersuchen, wie die dahinter liegende Kläranlage auf die neuen Lastfälle reagiert und ob Erweiterungsinvestitionen erforderlich werden.

Den Berechnungen wurden folgende Szenarien zugrunde gelegt:

Die zu simulierende Anlage wird als klassische Belebungsanlage mit vorgeschalteter Denitrifikation errichtet. Das Herz der Anlage bildeten das Denitrifikationsbecken (B 2), das Belebungsbecken (B 3) und das Nachklärbecken (B 4). Im Zulauf zum Denitrifikationsbecken besteht die Möglichkeit, eine C-Quelle zu dosieren (hier Essigsäure). Durch einen in der Produktionsanlage installierten Abwasserstripper tritt jedoch kaum noch Stickstoff im Zulauf zur Kläranlage auf. Damit erübrigt sich auch die interne Rezirkulation nitratreichen Mediums. Aus diesem Grund hat das Becken B 2 keine besondere Funktion.

Der Ausgleichs- und Stapelbehälter (B 1) dient dazu, den von der produzierenden Anlage ankommenden Abwasserstrom nach Menge und Konzentration zu puffern. Das Volumen des B 1 ist mit 650 m³ groß genug, um kürzere Stillstandszeiten der chemischen Anlage zu überbrücken, ohne dass der Betrieb der Kläranlage beeinträchtigt wird.

Die Nachbildung des Anlagenbetriebs erfolgt mit vorhandenen Betriebsdaten. Mit Ausnahme eines kurzen Shutdowns der Chemieanlage Ende Oktober ist in diesem Zeitraum ein weitestgehend ungestörter Anlagenbetrieb zu verzeichnen. Die ausgleichende Wirkung des Stapelbehälters auf den Volumenstrom geht aus der folgenden Abbildung (Betriebsdaten) sehr gut hervor.

Die Simulation des Verhaltens des Stapelbehälters erfolgte unter Verwendung eines PID-Controllers (siehe folgende Abbildung).

Mit Hilfe der STOAT Simulation können sowohl die Ablaufwerte als auch die Systemzustände über die Zeit in den verschiedenen Prozessstufen eingehend untersucht werden. Die folgende Abbildung ist ein Beispiel für die Wiedergabe maßgeblicher Ablaufwerte End-of-the-Pipe.

Auf der Abszisse der Grafik ist die abgelaufene Simulationszeit in Stunden aufgetragen. Auf der Ordinate können die zugehörigen Werte des Abwasservolumenstroms und der Beschaffenheitskurven abgelesen werden. Unterhalb der Grafik befindet sich eine zusammenfassende Statistik. Wie sich an dieser Abbildung zeigt, sind die vor allem in der ersten Hälfte des Simulationszeitraums zu verzeichnenden hohen Ablaufwerte im CSB auf vergleichsweise hohe Werte des gelösten, biologisch abbaubaren CSB zurückzuführen. Dies deutet darauf hin, dass die Anlage in dieser Phase nicht das Optimum erreichte.

Die Kurven für Ammonium und Nitrat liegen nur ganz knapp oberhalb des Nullpunkts und sind daher in der Grafik kaum zu erfassen. Die äußerst geringe Stickstoffkonzentration ist auf die bereits erwähnte prozessnahe Abwasservorbehandlung zurückzuführen. Dennoch weisen die Werte in der Statistik unterhalb der Grafik darauf hin, dass Probleme in der Nitrifikation des Ammoniumstickstoffs zu verzeichnen sind.

Ausgehend von einem Überwachungswert des Parameters Ammonium von 2 mg/l, ist dieser Parameter bei den STOAT-Simulationen der neuen Lastfälle von besonderem Interesse. Um die Stickstoffkompartimente im Ablauf bei «worst case» näher betrachten zu können, werden alle anderen Parameter ausgeblendet (siehe nächste Abbildung).

Die türkisfarbene Kurve zeigt den Verlauf der Ammoniumkonzentration. Der Überwachungswert von 2 mg/l wird mehrfach über längere Perioden überschritten, obwohl der Mittelwert noch darunter liegt. Die scheinbar sinnlosen negativen Werte rühren daher, dass der Simulation des Belebungsverfahrens das Activated Sludge Model Nr. 1 zugrunde gelegt wurde. In diesem Modell wird ein Mangel an den Nährstoffen Stickstoff und Phosphor nicht berücksichtigt. Selbst wenn im Zulauf zur biologischen Stufe nicht genügend bioverfügbarer Stickstoff vorhanden ist, wird ein davon unbeeinflusstes Wachstum der heterotrophen und autotrophen Organismen simuliert. Der für den Aufbau der Biomasse verbrauchte TKN schlägt sich dann konsequenterweise in negativen Konzentrationen im Ablauf nieder. Mit anderen Worten, die negativen Ammoniumwerte zeigen eine Störung des C-N-P-Verhältnisses zu Lasten des bioverfügbaren Stickstoffs an. Die End-Of-The-Pipe gleichbleibend vernachlässigbar geringen Nitratkonzentrationen in Kombination mit hohen Ammoniumwerten sind ein deutlicher Hinweis darauf, dass die Nitrifikation ausbleibt.

Warum das so ist, lässt sich aus einer näheren Betrachtung der Prozesse in B 2 und B 3 erschließen. Hierzu wurden 3-D-Darstellungen zu den Konzentrationen der autotrophen und heterotrophen Organismen sowie des Ammoniums und der Temperatur über die Zeit generiert (siehe folgende Abbildungen). In diesen Abbildungen verläuft der Fließweg des Abwassers von unten Mitte nach hinten rechts. «Stage 1» repräsentiert die vorgeschaltete Denitrifikation, «Stage 2» die Belebungsstufe (Nitrifikation). Die abgelaufene Zeit ist unten Mitte beginnend nach hinten links aufgetragen. Auf der senkrechten Achse können wieder die zugehörigen Werte abgelesen werden.

Aus dieser Abbildung geht hervor, dass die Konzentration der autotrophen Organismen in beiden Becken fast über die gesamte Simulationsperiode bei null bleibt. Die Gründe für die Abwesenheit der Autotrophen lassen sich wiederum anhand der Abbildungen für Ammonium und die Temperatur nachvollziehen (siehe folgende Abbildungen). Wie anhand der nächsten Abbildung zu erkennen ist, treten immer wieder Mangelsituationen beim Ammonium auf. Infolge dessen sterben die Autotrophen ab. Wenn wieder ausreichend NH4-N im Zulauf vorhanden ist, können sie jedoch wegen ihrer geringen Wachstumsgeschwindigkeit nicht schnell genug nachwachsen. Der häufige Wechsel zwischen Ammoniummangel und Ammoniumdargebot, gepaart mit einem ungünstigen Temperaturprofil, insbesondere in der ersten Hälfte der Simulationsperiode, führt zu den ungünstigen Verhältnissen.

Die hohe Temperatur im BB2 und BB3 in der ersten Hälfte der Simulationszeit (Monate Juli, August und September) beeinträchtigt offenbar auch das Wachstum der Heterotrophen. Dies geht aus der Gegenüberstellung der nächsten beiden Abbildungen hervor. Damit wird auch klar, warum in diesem Zeitabschnitt so hohe Konzentrationen an gelöstem, biologisch abbaubarem CSB im Ablauf der Kläranlage errechnet wurden.

Temperaturen oberhalb von 35°C wirken inhibierend auf mesophile Bakterien. Daher ist die Schlussfolgerung aus der Simulation der Lastfälle den Ablauf des Prozessabwassers über einen Wärmetauscher zu führen, um die Temperatur konstant unter 35 Grad Celsius zu halten.

Die teilweise zu niedrige Ammoniumkonzentration im Zulauf zur Kläranlage wird erst durch die Ammoniakstrippung erreicht. Demzufolge ist es möglich, das Defizit an TKN durch Auskreisen eines Teilstroms vor dem Stripper und direkte Zuführung zum B 1 auszugleichen.

Die Auswirkungen dieser geplanten Veränderungen werden in einem zusätzlichen Rechnerlauf überprüft. Dazu werden die Inputfiles wie folgt verändert: Die Temperatur wird konstant auf 35 Grad Celsius eingestellt und die Konzentration an NH4-N angehoben, indem eine zusätzliche Fracht entsprechend des optimalen BSB-TKN-Verhältnisses von 100:5 zugrunde gelegt wird. Die ursprüngliche Konzentration an NH4-N im Zulauf zur Kläranlage liegt im Mittel bei 5,2 mg/l. Diese wird rechnerisch um 67,5 mg/l auf 72,7 mg/l, d.h. auf etwa das 1,3-fache erhöht (alle Angaben Mittelwerte).

Was die o. g. Optimierungen im Ablauf der Kläranlage bewirken, ist aus der vorangegangenen Abbildung zu erkennen: Die Ablaufwerte haben sich im Vergleich zum ursprünglichen Szenario C deutlich verbessert. Beim CSB fällt ins Auge, dass der große Peak in der ersten Hälfte des Simulationszeitraums verschwunden ist. Der Mittelwert der Konzentration an gelöstem, biologisch abbaubarem CSB kann von 80,4 auf 47,1 mg/l, der Maximalwert von 189,4 auf 58,0 mg/l abgesenkt werden. Analoges gilt für den CSB gesamt.

Das wichtigste Ergebnis ist jedoch, dass die erwartete Verbesserung bei Ammonium eintritt. Nach kurzem Einschwingen am Anfang zeigt die Kurve einen ausgeglichenen Verlauf in einem Konzentrationsbereich, der einen komfortablen Sicherheitsabstand zum Überwachungswert einhält. Auch die gleichmäßig hohen Nitratwerte nach der kurzen Einschwingphase zeigen, dass nunmehr eine robuste Nitrifikation stattfindet (siehe obige Abbildung). Der Unterschied zu den Ergebnissen des Ist-Zustands ist nicht zu übersehen.

Ein Blick auf die Population der autotrophen und heterotrophen Mikroorganismen im BB2 und BB3 zeigt die eingetretenen Verbesserungen.

Die Population der Autotrophen bleibt über die gesamte Simulationszeit stabil, wobei die Konzentration der Autotrophen auf dem Fließweg des Abwassers zunimmt (siehe obige Abbildung). Dies erlaubt die gute Nitrifikation. Dementsprechend wird die im B 2 ankommende Ammoniumzulaufkonzentration nach kurzer Einschwingphase stabil auf Werte deutlich unter 2 mg/l im Ablauf des B 3 abgebaut.

Dass die Konzentration an Ammonium im Zulauf zum B 2 nur etwa die Hälfte der mit dem Inputfile übergebenen Konzentration beträgt, geht übrigens auf die “Verdünnung” mit dem fast ammoniumfreien Rücklaufschlamm (30 m³/h) zurück.

Im Vergleich zur Situation in Szenario C ohne Einsatz des Wärmetauschers ist die Konzentration der Heterotrophen vor allem in der ersten Hälfte der Simulationszeit höher. Daraus ergeben sich ein deutlich besserer Abbau des Substrats und dementsprechend niedrigere CSB-Werte im Ablauf der Anlage.

Diese Verbesserungen im Abbau spiegeln sich auch in der Summe der Ablauffrachten über die gesamte Simulationsperiode wider (vgl. folgende Tabelle).

Wie sich auch an diesem Beispiel zeigt, ermöglicht die dynamische Simulation einen wesentlich besseren Zugang zum Verständnis der hochkomplexen Prozesse in biologischen Kläranlagen. Auf dieser Grundlage können Anlagen und Prozesse optimiert und Investitions- und Betriebskosten eingespart werden.