Sekundäre oder biologische Abwasserbehandlung – aerobe Verfahren

Beschreibung der Technik: Die sekundäre oder biologische Abwasserbehandlung wird zur Elimination von organischen Stoffen angewandt, die im Wesentlichen durch biologischen Abbau erfolgt. Der sekundären Behandlung gewöhnlich vorgeschaltet ist eine Reihe von primären Behandlungsstufen wie Entfernung von Feststoffen, Neutralisation, Kühlung und Mengenausgleich. Diese Primärstufen haben den Schutz der sekundären Behandlung vor zu hohen Frachten und Stößen und vor allem die kostengünstigere Reinigung der Abwässer zum Ziel. Bei den meisten Zellstoff- und Papierfabriken werden die Abwässer mittels aerober Verfahren behandelt. Die am häufigsten in der Zellstoff- und Papierindustrie eingesetzten aeroben Behandlungsverfahren sind Belüftungsteiche und Belebtschlammverfahren. Erstere erreichen geringere Reinigungsleistungen, sind aber billiger.

Belüftungsteich

Ein Belüftungsteich weist ein großes Volumen auf mit Aufenthaltszeiten für das Abwasser zwischen 3 – 20 Tagen. Die Mikroorganismen wachsen in Suspension im Großteil des Abwassers, wobei im Teich mit 100 – 300 mg TS/l relativ geringe Feststoffkonzentrationen erreicht werden. Das Wachstum der Miroorganismen erfordert Sauerstoff, der nahezu ausschließlich mit mechanischen Belüftungseinrichtungen zugeführt wird.

Oberflächenturbinenbelüfter sind die häufigsten Belüftungsaggregate, aber bei tiefen Teichen werden auch Bodenbelüfter mit dadurch eingetragener Luft oder mit Zugabe von Druckluft eingesetzt. Die Belüftungseinrichtungen sorgen auch für ein Vermischen, was für das Inschwebehalten der Feststoffe und für die Verbesserung der mikrobiellen Aktivität erforderlich ist.

Belüftungsteiche sind wegen der großen benötigten Fläche und Volumen Erdbecken und können mit und ohne Absetzbereich angelegt werden. Im ersten Fall erfolgt am Ende des Teichs keine Belüftung oder Mischung,

wodurch sich die Feststoffe absetzen können. Im zweiten Fall wird diese Sedimentation in einem separaten Becken durchgeführt. Bei diesem biologischen Verfahren wird vom Beckenende keine Biomasse zum Anfang zurückgeführt. Der sedimentierte Schlamm wird nur selten entfernt, alle 1 – 10 Jahre.

Der Einsatz von Belüftungsteichen ist in der jüngsten Vergangenheit aus mehreren Gründen weniger üblich geworden. Ein wichtiger Grund dafür ist die im Vergleich zum Belebtschlammverfahren niedrigere Reinigungsleistung.

Belebtschlammverfahren

Eine Belebtschlammanlage besteht aus zwei Teilen, dem Belüftungsbecken und dem Nachklärbecken (zweites Sedimentationsbecken). Im Belüftungsbecken als der ersten Stufe wird das Abwasser mit Hilfe von Mikroorganismen (Belebtschlamm) behandelt, die in hoher Konzentration vorhanden sind. Die Belebtschlammanlagen von Sulfatzellstofffabriken weisen eine Aufenthaltszeit von 15 – 48 h auf, wobei die längere Aufenthaltszeit für neuere Anlagen gilt.

Im Nachklärbecken wird der Schlamm vom Wasser getrennt. Der größte Teil des Schlammes wird zur Aufrechterhaltung der hohen Schlammkonzentration zum Belüftungsbecken zurückgeführt. Ein kleiner Teil des Schlammes, der dem Nettowachstum der Mikroorganismen entspricht, wird dem System als Überschussschlamm entnommen.

Die Sauerstoffzufuhr und die Vermischung im Belüftungsbecken erfolgen durch mechanische Belüftungseinrichtungen. Es sind verschiedene Belüfterarten wie Oberflächenbelüfter, getauchte Turbinenbelüfter, Feinblasenbelüfter und Strahlbelüfter im Einsatz.

Für das Belebtschlammverfahren gibt es eine Vielzahl unterschiedlicher Verfahrens- und Anlagenkonzeptionen.

Diese Alternativen können hinsichtlich der Auslegung des Belüftungsbeckens, der Nachklärung, der Belüftungseinrichtung sowie des Schlammrecyclings unterschiedlich sein. Eine besondere Verfahrenskonzeption stellt das Reinsauerstoff-Belebungsverfahren dar, bei dem Reinsauerstoff oder sauerstoffangereicherte Luft anstelle von normaler Atmosphärenluft eingesetzt wird.

Anwendbarkeit und Charakterisierung der Maßnahme: Es handelt sich um eine end-of-pipe-Technik.

Belüftungsteich

Belüftungsteiche können sowohl bei bestehenden als auch bei neuen Sulfatzellstofffabriken eingesetzt werden.

Allerdings ist ihr Einsatz hauptsächlich wegen der niedrigen bis mittleren Reinigungsleistung, des großen Flächen- und Volumenbedarfs, des hohen Energiebedarfs bei niedriger Energieeffizienz für Belüftung und Vermischung rückläufig. Zusätzlich bereiten manchmal Schaum- und Geruchsprobleme Schwierigkeiten. Die Entfernung und Entsorgung des Absetzschlammes können auch Probleme bereiten. Es ist zweifelhaft, ob Belüftungsteiche noch als BVT angesehen werden können.

Belebtschlammverfahren

Dieses Verfahren kann sowohl bei bestehenden als auch bei neuen Sulfatzellstofffabriken angewandt werden. In bestehenden Fabriken sollten vorzugsweise einige Maßnahmen zur Reduktion des Wasserverbrauchs zur Reduzierung der Investitionskosten durchgeführt werden. Das Belebtschlammverfahren kommt oft zum Einsatz, wenn hohe oder sehr hohe Reinigungsleistungen erforderlich sind. Im letzteren Fall stellen jedoch zweistufige biologische Verfahren die optimale Verfahrenswahl dar.

Belebtschlammanlagen sind in der Zellstoff- und Papierindustrie weit verbreitet. Einer groben Abschätzung folgend, wird das Belebtschlammverfahren bei 60 – 75 % aller biologischen Abwasserbehandlungsanlagen in der Zellstoff- und Papierindustrie praktiziert. Es ist auch bei den jüngst errichteten Anlagen das üblichste Verfahren.

Die Vorteile des Belebtschlammverfahrens liegen im hohen oder sehr hohen Potenzial für die Reinigungsleistung, in den Möglichkeiten zur Prozesskontrolle (insbesondere des Sauerstoff-verbrauchs) und im

Die Nachteile bestehen in der relativ hohen Anfälligkeit für Störungen und dem daraus folgenden Risiko instabiler Betriebsverhältnisse, soweit keine Schutzmaßnahmen wie Misch- und Ausgleichsbecken getroffen werden, sowie im hohen Anfall von zu entsorgendem Belebtschlamm und in den hohen Betriebskosten.

Es bestehen Alternativen zu Belebtschlammsystemen, die kompakter und billiger sind. Die Erfahrung mit solchen Anlagen ist begrenzter, aber es wird der Anspruch erhoben, dass die Reinigungsleistungen im Vergleich zu Belebtschlammsystemen gleich sind.

Wichtigste erreichte Emissionswerte/Umweltnutzen:

Belüftungsteich

Die Reinigungsleistungen variieren stark und hängen von der Art des Abwassers, der Auslegung der Behandlungsanlage und den Betriebsbedingungen ab. Typische Reinigungsleistungen betragen 40 – 85 % für den BSB5, 30 – 60 % für den CSB und 20 – 45 % für den AOX, wobei die höheren Werte der Bereiche für hohe Aufenthaltszeiten (15 - 30 Tage) und Abwasser-temperaturen oder Schadstoffe gelten, die das Wachstum der Mikroorganismen nicht nachhaltig hemmen. Es erfolgt keine Stickstoffentfernung und nur eine geringe Phosphorentfernung im Bereich von 0 - 15 %.

Die Entfernung der Feststoffe hängt stark vom Einzelfall ab und in einigen Fällen enthält der Ablauf mehr Feststoffe als der Zulauf. Die zulaufenden Feststoffe werden in einem Teich mit Absetzbereich ausreichend entfernt, aber durch das mikrobielle Wachstum entstehen biologische Feststoffe mit schlechten Absetzeigenschaften. Die Ableitung von Feststoffen ist bei Teichen mit hoher Aufenthaltszeit und mit Absetzbereichen niedriger.

Im Vergleich zum Belebtschlammverfahren können nachteilige Effekte wie gelegentlicher schwerer Nebel bei feuchten und kalten Wetterbedingungen und Gerüche aus anaeroben oder anoxischen Bereichen des Teichs auftreten.

Belebtschlammverfahren

Die Reinigungsleistungen schwanken und hängen von der Art des Abwassers, der Anlagenauslegung und den Betriebsbedingungen ab. Typische Reinigungsleistungen liegen in den Bereichen 85 - 98 % für den BSB5 und 60 - 85 % für den CSB.

Die AOX-Reduktion liegt im Bereich von 40 - 65 % und Phosphor und Stickstoff werden zu 40 – 85 % beziehungsweise zu 20 - 50% reduziert. Die gesamte Reinigungsleistung für die abfiltrierbaren Stoffe beträgt für die Primär- und Sekundärbehandlung 85 - 90 %.

Typische Konzentrationen für diese Parameter nach Belebtschlammbehandlung werden in Tabelle 2.36 wiedergegeben. Bei gut konzipierten und betriebenen Anlagen kann der leicht biologisch abbaubare Anteil der organischen Stoffe, bestimmt als BSB5, auf 20 - 40 mg/l und der Gehalt an abfiltrierbaren Stoffen auf das gleiche Niveau reduziert werden. Die Konzentrationen für Phosphor und Stickstoff korrelieren in hohem Maße mit den abfiltrierbaren Stoffen, so dass der Gehalt an ungelösten Nährstoffen durch sorgfältigen Anlagenbetrieb auf ein sehr niedriges Niveau gebracht werden kann. Die Ablauf-CSB-Konzentration, die ein Maß für den Gesamtgehalt an organischen Substanzen darstellt, hängt vom Anteil an schwer abbaubaren Stoffen ab.

Parameter BSB5 CSB Abf. St. gesamt-P gesamt-N Konzentration 20 - 40 300 - 500 20 - 40 0,2 – 0,4 2 - 4

Tabelle 2.36: Typische Konzentrationen in [mg/l] im Abwasser von Sulfatzellstofffabriken nach biologischer Behandlung (Belebtschlammanlagen) unter Annahme von gut bemessenen und betriebenen Anlagen

Verlagerungseffekte:

Belüftungsteich

Belüftungsteiche benötigen großen Platzbedarf, der nicht immer in der Nachbarschaft oder innerhalb des Fabrikgeländes zur Verfügung steht. In den Belüftungsteichen fällt im Vergleich zum Belebtschlammverfahren

weniger Schlamm an, der aber schwierig zu entwässern ist. Deshalb benötigt die Schlammentsorgung durch Verbrennung, bezogen auf die Trockensubstanz, üblicherweise mehr Entwässerungschemikalien und Zusatzbrennstoff im Vergleich zum beim Belebtschlammverfahren anfallenden Schlamm.

Belebtschlammverfahren

Beim Belebtschlammverfahren fällt Schlamm an, der nach Entwässerung verbrannt werden kann, wobei in einigen Fällen Überschussenergie zur Verfügung steht. Das behandelte Abwasser ist für eine Wiederverwendung an einigen Stellen im Produktionsprozess sauber genug. Das Problem ist, dass üblicherweise die Abwasserbehandlungsanlage so weit von der Fabrik entfernt liegt, dass ein Recycling nicht wirtschaftlich ist.

Betriebserfahrungen:

Belüftungsteich

Seit langer Zeit sind in vielen Zellstoff- und Papierfabriken Belüftungsteiche zum Erreichen von mittleren Reinigungsleistungen im Einsatz. Allerdings sind gegenwärtig viele der in dieser Industrie bestehenden Teiche außer Betrieb genommen oder in hoch leistungsfähige Belebtschlammanlagen umgerüstet oder mit zusätzlichen Behandlungsbecken versehen worden.

Belebtschlammverfahren

Belebtschlammanlagen sind seit vielen Jahren in allen Arten von Sulfatzellstofffabriken mit guten Ergebnissen im Einsatz.

Belüftungsteich

Die Kosten für dieses Verfahren hängen stark davon ab, wo und wie der Belüftungsteich errichtet werden kann.

Wenn er durch Nutzen einer Bucht eines Gewässers und durch Schließen der offenen Seite mittels eines Dammes errichtet werden kann, sind die Kosten deutlich niedriger im Vergleich zu einem Teich, der an Land gebaut werden muss.

Vor diesem Hintergrund schwanken die Investitionskosten stark und liegen im Bereich von 16 - 20 Mio. EUR für eine Sulfatzellstofffabrik mit einer Produktion von 1500 t/d Zellstoff. Diese Kosten umfassen auch die Primärbehandlung und die Schlammentwässerung. Die entsprechenden Betriebskosten betragen 1,3 – 1,7 Mio.

EUR/a und bestehen hauptsächlich aus den Stromkosten, die für die Belüftung und Vermischung anfallen.

Belebtschlammverfahren

Für eine Sulfatzellstofffabrik mit einer Produktion von 1500 t/d betragen die Investitionskosten für eine komplett neue Belebtschlammanlage ungefähr 19 – 24 Mio. EUR, wobei der niedrigere Wert für eine Fabrik zur Herstellung von ungebleichtem Sulfatzellstoff gilt. Diese Kosten beinhalten auch die erforderliche Primärbehandlung und Schlammbehandlung. Die damit einhergehenden Betriebskosten liegen bei 2,0 – 2,6 Mio. EUR/a.

Wichtiger Grund für die Einführung dieser Technik: Belüftungsteiche können eingesetzt werden, wenn niedrige oder mittlere Reinigungsleistungen für die im Abwasser enthaltenen organischen Stoffe ausreichend sind. Das Belebtschlammverfahren kommt vorzugsweise zum Einsatz, wenn hohe oder sehr hohe Reinigungsleistungen erforderlich sind.

Referenzanlagen: Weltweit zahlreiche Anlagen für alle Abwasserarten.

Literatur:

[J. Pöyry, 1997b], [Finnish BAT Report, 1997], [SEPA-Report 4713-2, 1997]