(Wastewater Treatment) Abwasserbehandlung

Bemessung der Kläranlage Gevelsberg nach ATV-DVWK-A 131 - Teil 2

Abwasserbehandlung (Wastewater Treatment)

1 Dr.-Ing. O. Sterger: Ü #03 Abwasserbehandlung

Aufgabe 6: Selbststudium A 131

Arbeiten Sie die Kapitel 5.2.4 Ermittlung der Schlammproduktion und 5.2.5 Annahme des

Schlammindexes und des Trockensubstanzgehaltes

im ATV-DVWK-A 131 durch! Welche Einflussgrößen

bestimmen den Überschussschlammanfall?

4 Dr.-Ing. O. Sterger: Ü #03 Abwasserbehandlung

Welche Einflussgrößen bestimmen nach ATV-DVWK-A 131 den Überschussschlamm- anfall?

Überschussschlammanfall Ü𝑆 _𝑑

Feststoffe im Zulauf zur Belebung X_TS,ZB

Organische Stoffe im Zulauf zur Belebung C_BSB,ZB

Bemessungsschlammalter t_{TS, Bem}

Verfahrensweise der Phosphateliminierung (BioP und/oder P-Fällung) Abwassertemperatur

Ertragsfaktoren (Yield) des mikrobiologischen Wachstums Yheterotroph/ Y_autotroph Wirken sich die o. g. Einflussgrößen proportional oder umgekehrt proportional auf den Überschussschlammanfall aus?

Ü𝑆 _𝑑 = Ü𝑆 _𝑑,𝐶 + Ü𝑆 _𝑑,𝑃

Überschussschlammanfall Ü𝑆 _𝑑 / 𝑄 _Ü𝑆,𝑑

Insgesamt anfallender Überschussschlamm Ü𝑆_𝑑

Anfallender Schlamm aus Biomassenentwicklung durch

Abbau der Organika (C-Substrat) Ü𝑆_𝑑,𝐶

Anfallender Schlamm aus der Phosphatfällung Ü𝑆_𝑑,𝑃

𝑄 _Ü𝑆,𝑑 = ^Ü𝑆

𝑇𝑆

Täglicher Überschussschlammabzug 𝑄_Ü𝑆,𝑑

Trockensubstanzgehalt des Überschussschlammes 𝑇𝑆_Ü𝑆

6 Dr.-Ing. O. Sterger: Ü #03 Abwasserbehandlung

Überschussschlammanfall KA Gevelsberg

Vgl. Excel-Tabelle, Register „7 ÜSd, FT, tTS “

Ü𝑆 _𝑑 ≈ 3.700 𝑘𝑔 𝑇𝑆/𝑑 Ü𝑆 _𝑑 ≈ 150 𝑘𝑔 𝑇𝑆/ℎ

𝑄 _Ü𝑆,𝑑 = 3.700 𝑘𝑔 𝑇𝑆/𝑑

7 𝑘𝑔 𝑇𝑆/𝑚³ ≈ 530 𝑚 ³ /𝑑

𝑄 _Ü𝑆,𝑑 ≈ 22 𝑚 ³ /ℎ

𝑉

≥ 𝑀

𝑇𝑆

= Ü𝑆

∗ 𝑡

𝑇𝑆

[𝑚

]

Volumen des Belebungsbeckens Feststoffmasse im BB

𝑀

= 𝑉

∗ 𝑇𝑆

[𝑘𝑔 𝑇𝑆]

Schlammalter

𝑡

= 𝑀

Ü𝑆

= 𝑉

∗ 𝑇𝑆

Ü𝑆

[𝑑]

𝐵

[ 𝑘𝑔 𝐵𝑆𝐵

𝑑 ]

BSB₅-Tagesfracht

𝐵

= 𝐵

𝑀

= 𝐵

𝑉

∗ 𝑇𝑆

≤ 0,15 𝑘𝑔 𝐵𝑆𝐵

𝑘𝑔 𝑇𝑆 ∗ 𝑑

BSB₅-Schlammbelastung

Zusammenhang zwischen 𝑉 _𝐵𝐵 , 𝑡 _𝑇𝑆 , 𝑀 _𝑇𝑆 und 𝐵 _𝑇𝑆

Zusammenhang zwischen 𝑉 _𝐵𝐵 , 𝑇𝑆 _𝐵𝐵 , 𝑀 _𝑇𝑆 und 𝐵 _𝑇𝑆

8 Dr.-Ing. O. Sterger: Ü #03 Abwasserbehandlung

Gegenüberstellung zweier Belebungsbecken mit unterschiedlichen Volumina (konstruiertes Beispiel):

𝑉_{𝐵𝐵,𝐿ä𝑛𝑔𝑒} = 80 𝑚 𝑉_{𝐵𝐵,𝐵𝑟𝑒𝑖𝑡𝑒} = 25 𝑚 𝑉_{𝐵𝐵,𝑇𝑖𝑒𝑓𝑒} = 5 𝑚 𝑽_𝑩𝑩 = 𝟏𝟎. 𝟎𝟎𝟎 𝒎³

𝑉_{𝐵𝐵,𝐿ä𝑛𝑔𝑒} = 80 𝑚 𝑉_{𝐵𝐵,𝐵𝑟𝑒𝑖𝑡𝑒} = 𝟏𝟐, 𝟓 𝒎 𝑉_{𝐵𝐵,𝑇𝑖𝑒𝑓𝑒} = 5 𝑚

𝑽_𝑩𝑩 = 𝟓. 𝟎𝟎𝟎 𝒎³

𝑇𝑆_𝐵𝐵 = 3.500 𝑔 𝑇𝑆/𝑚³ 𝐵_{𝑑,𝐵𝑆𝐵} = 5.000 𝑘𝑔 𝑂₂/𝑑

Bemessungsvorgabe:

𝑩_𝑻𝑺 ≤ 𝟎, 𝟏𝟓 𝒌𝒈 𝑩𝑺𝑩_𝟓 𝒎³ ∗ 𝒅 Für beide BBs gilt:

Gegenüberstellung zweier Belebungsbecken mit unterschiedlichen Volumina (konstruiertes Beispiel):

𝑴_𝑻𝑺 = 10.000 𝑚³ ∗ 3,5 𝑘𝑔 𝑇𝑆/𝑚³

= 𝟑𝟓. 𝟎𝟎𝟎 𝒌𝒈 𝑻𝑺

𝑩_𝑻𝑺 = 5.000 𝑘𝑔 𝐵𝑆𝐵₅/𝑑

35.000 𝑘𝑔 𝑇𝑆 = 𝟎, 𝟏𝟒

𝑴_𝑻𝑺 = 5.000 𝑚³ ∗ 3,5 𝑘𝑔 𝑇𝑆/𝑚³

= 𝟏𝟕. 𝟓𝟎𝟎 𝒌𝒈 𝑻𝑺

𝑩_𝑻𝑺 = 5.000 𝑘𝑔 𝐵𝑆𝐵₅/𝑑

17.500 𝑘𝑔 𝑇𝑆 = 𝟎, 𝟐𝟗

Zusammenhang zwischen 𝑉 _𝐵𝐵 , 𝑇𝑆 _𝐵𝐵 , 𝑀 _𝑇𝑆 und 𝐵 _𝑇𝑆

11 Dr.-Ing. O. Sterger: Ü #03 Abwasserbehandlung

Gegenüberstellung zweier Belebungsbecken mit unterschiedlichen Volumina (konstruiertes Beispiel):

𝑴_𝑻𝑺 = 5.000 𝑚³ ∗ 5,0 𝑘𝑔 𝑇𝑆/𝑚³

= 25.000 𝑘𝑔 𝑇𝑆 𝑩_𝑻𝑺 = 5.000 𝑘𝑔 𝐵𝑆𝐵₅/𝑑

25.000 𝑘𝑔 𝑇𝑆 = 𝟎, 𝟐𝟎

𝑴_{𝑻𝑺,𝒎𝒊𝒏.} = 𝐵_{𝑑,𝐵𝑆𝐵}

𝐵_{𝑇𝑆,𝑚𝑎𝑥.} ⁼

5.000 𝑘𝑔 𝐵𝑆𝐵₅/𝑑 0,15

= 33.333 𝑘𝑔 𝑇𝑆

𝑽_{𝑩𝑩 𝒎𝒊𝒏.} = 𝑀_{𝑇𝑆,𝑚𝑖𝑛.}

𝑇𝑆_{𝐵𝐵,𝑚𝑎𝑥.} = 33.333 𝑘𝑔 𝑇𝑆 5 𝑘𝑔 𝑇𝑆/𝑚³

= 6.667 𝑚³ gewählt: 𝑉_{𝐵𝐵,𝐵𝑟𝑒𝑖𝑡𝑒} = 17,0 𝑚

17 𝑚 ∗ 80 𝑚 ∗ 5 𝑚 = 6.800 𝑚³ 𝑩_𝑻𝑺 = 5.000 𝑘𝑔 𝐵𝑆𝐵₅/𝑑

6.800 𝑚³ ∗ 5 𝑘𝑔 𝑇𝑆/𝑚³ ≈ 𝟎, 𝟏5 Ergo:

Bemessung des kleinen BB muss geändert werden!

• 𝑇𝑆_𝐵𝐵 erhöhen

(TS-Gehalt im BB, sollte aber nicht höher sein als 5.000 mg/l)

und, sofern das allein nicht ausreicht, um 𝐵_𝑇𝑆 im zulässigen Bereich zu halten

• 𝑉_𝐵𝐵 erhöhen

Zusammenhang zwischen 𝑉 _𝐵𝐵 , 𝑇𝑆 _𝐵𝐵 , 𝑀 _𝑇𝑆 und 𝐵 _𝑇𝑆

Berechnung von 𝑇𝑆 _𝐵𝐵 , 𝑇𝑆 _𝑅𝑆 und 𝑅𝑉

𝑇𝑆 _𝑅𝑆 = 𝑇𝑆 _𝐵𝐵 ∗ 1 + 𝑅𝑉 𝑅𝑉

𝑅𝑉 = 𝑇𝑆 _𝐵𝐵

𝑇𝑆 _𝑅𝑆 − 𝑇𝑆 _𝐵𝐵

𝑇𝑆 _𝐵𝐵 = 𝑅𝑉 ∗ 𝑇𝑆 _𝑅𝑆 1 + 𝑅𝑉

𝑇𝑆_𝐵𝑆  10 kg/m³ = 10 g/l

𝑇𝑆_𝑅𝑆  0,7 * 𝑇𝑆_𝐵𝑆  7 kg/m³ = 7 g/l

Faustwerte, als erster Ansatz für die meisten KA gut geeignet

Einer der beiden folgenden Werte muss zunächst (innerhalb des zulässigen bzw.

üblichen Wertebereichs) gewählt werden:

𝑅𝑉 = 0,75 … 1,5 TS_BB = 3.000 … 5.000 mg/l

Anwenden der Formeln auf KA Gevelsberg

18 Dr.-Ing. O. Sterger: Ü #03 Abwasserbehandlung

𝑇𝑆_𝑅𝑆 = 𝑇𝑆_𝐵𝐵 ∗ 1 + 𝑅𝑉

𝑅𝑉 = 3g

l ∗ 1 + 0,75

0,75 = 7𝑔

𝑙 = 7.000 𝑚𝑔/𝑙

𝑅𝑉 =

𝑇𝑆_𝑅𝑆 − 𝑇𝑆_𝐵𝐵

=

7𝑔/𝑙−3 𝑔/𝑙

= 0,75

𝑇𝑆_𝐵𝐵 = 𝑅𝑉 ∗ 𝑇𝑆_𝑅𝑆

1 + 𝑅𝑉 = 0,75 ∗ 7 𝑔/𝑙

1 + 0,75 = 3𝑔

𝑙 = 3.000 𝑚𝑔/𝑙

𝑅𝑉 = 712 𝑙/𝑠

950 𝑙/𝑠 ≈ 0,75

Gegenprobe:

Rücklaufschlammpumpwerk 𝑄_𝑚𝑎𝑥

Mischwasserzulauf 𝑄_𝑚 Regenwetterfall:

Siehe „Kenndaten und Kurzbeschreibung KA Gevelsberg“

Anwenden der Formeln auf KA Gevelsberg

𝑇𝑆_𝑅𝑆 = 𝑇𝑆_𝐵𝐵 ∗ 1 + 𝑅𝑉

𝑅𝑉 = 5g

l ∗ 1 + 1,5

1,5 = 8,333𝑔

𝑙 = 8.333 𝑚𝑔/𝑙

𝑅𝑉 =

𝑇𝑆_𝑅𝑆 − 𝑇𝑆_𝐵𝐵

=

8,333𝑔/𝑙−5 𝑔/𝑙

= 1,5

𝑇𝑆_𝐵𝐵 = 𝑅𝑉 ∗ 𝑇𝑆_𝑅𝑆

1 + 𝑅𝑉 = 1,5 ∗ 7 𝑔/𝑙

1 + 0,75 = 3𝑔

𝑙 = 6.000 𝑚𝑔/𝑙

𝑅𝑉 = 712 𝑙/𝑠

475 𝑙/𝑠 ≈ 1,5

Gegenprobe:

Rücklaufschlammpumpwerk 𝑄_𝑚𝑎𝑥

Trockenwetterzulauf 𝑄_𝑡

Zu hoch! Begrenzen auf 5.000 mg/l!

Trockenwetterfall:

Siehe „Kenndaten und Kurzbeschreibung KA Gevelsberg“

Berechnung von 𝑅𝐹

20 Dr.-Ing. O. Sterger: Ü #03 Abwasserbehandlung

𝑅𝐹 = 𝑆 _{𝑁𝐻4,𝑁}

𝑆 _{𝑁𝑂3,𝐴𝑁} − 1 = 𝑄 _𝑅𝑆

𝑄 _𝑡 + 𝑄 _𝑅𝑍 𝑄 _𝑡

𝑅𝐹 Rückführverhältnis, für das die Pumpen auszulegen sind 𝑆_{𝑁𝐻4,𝑁} Zu nitrifizierender Ammoniumstickstoff

𝑆_{𝑁𝑂3,𝐴𝑁} Konzentration an Nitratstickstoff, die im Ablauf der Nachklärung einzuhalten ist (ergibt sich aus den Überwachungswerten)

𝑄_𝑅𝑆 Rücklaufschlammstrom

𝑄_𝑅𝑍 Interne Rezirkulation bei vorgeschalteter Denitrifikation 𝑄_𝑡 Maximaler Trockenwetterzufluss

Vgl. Excel-Tabelle, Register „10 int. Rezi“

Berechnung von 𝑅𝐹

Die Gleichung auf der vorhergehenden Folie berücksichtigt lediglich den sich ergebenden Wirkungsgrad infolge des zur Verfügung stehenden Nitrats. Die

theoretischen Werte stimmen jedoch mit den Praxiswerten oft nicht überein, da infolge des Sauerstofftransportes in die Denitrifikationsstufe, der Verdünnung und der

abnehmenden Kontaktzeit negative Wirkungen eintreten.

𝜂 _𝐷 ≤ 1 − 1

1 + 𝑅𝐹

𝜂_𝐷 Maximal möglicher Wirkungsgrad der Denitrifikation

aus LONDONG, 2009

𝑅𝐹 und 𝑄 _𝑅𝑧 berechnen für KA Gevelsberg

22 Dr.-Ing. O. Sterger: Ü #03 Abwasserbehandlung

𝑅𝐹 = 36,4 𝑚𝑔 𝑁/𝑙

9,1 𝑚𝑔 𝑁/𝑙 − 1 = 3,0

TKN-Konzentration im Zulauf zur Belebung 𝐶_{𝑇𝐾𝑁,𝑍𝐵}

Nitratstickstoff im Ablauf 𝑆_{𝑁𝑂3,𝐴𝑁}

𝑄

= RF ∗ 𝑄

− 𝑅𝑉 ∗ 𝑄

= 𝑅𝐹 − 𝑅𝑉 ∗ 𝑄

Warum ist der Volumenstrom der Rücklaufschlammförderung auf den für die Denitrifikation zu rezirkulierenden Volumenstrom an nitratreichem Abwasser aus der Nitrifikation anzurechnen?

𝑄

= 3 − 0,75 ∗ 1.710 𝑚

/ℎ ≈ 3.850 𝑚

/ℎ

Siehe Excel-Tabelle, Register „3 N-Bilanz“

Warum darf hier TKN anstelle von Ammonium gesetzt werden?

Volumenstrombilanz KA Gevelsberg für 𝑄 _𝑡

1.710 𝑚³/ℎ

𝑄_𝑅𝑆 = 0,75 ∗ 1.710 ≈ 1.280 𝑚³/ℎ

22 𝑚³/ℎ 1.710 − 22 = 1.688 𝑚³/ℎ

𝑄_𝑅𝑍= (3 − 0,75) ∗ 1.710 ≈ 3.850 𝑚³/ℎ 𝑄_𝑍𝐵 = 𝑄_𝑡 = 1.710 𝑚³/ℎ

𝑅𝐹 = 3 𝑅𝑉 = 0,75

𝑄_Ü𝑆,𝑑 = 529 𝑚³/𝑑 ≅ 22 𝑚³/ℎ

𝑄_𝑅𝑍 = 𝑅𝐹 − 𝑅𝑉 ∗ 𝑄_𝑍𝐵 𝑅𝐹 = 𝑄_𝑅𝑆 + 𝑄_𝑅𝑍

𝑄

𝑄_𝑅𝑆 = 𝑅𝑉 ∗ 𝑄_𝑍𝐵

1.710 + 1.280 = 2.990 𝑚³/ℎ

2.990 −1.688

= 1.302 𝑚³/ℎ

(Trockenwetterfall)

Feststoffbilanz KA Gevelsberg für 𝑄 _𝑡

24 1.710 𝑚³/ℎ ∗ 0,1 𝑘𝑔/𝑚³ ≈ 0.2 𝑡/ℎ

𝑇𝑆_𝑅𝑆 = 0,75 ∗ 1.710 𝑚³/ℎ ∗ 7 𝑘𝑔/𝑚³ ≈ 9,0 𝑡/ℎ

𝑇𝑆_Ü𝑆= 22 𝑚³/ℎ

∗ 7 𝑘𝑔/𝑚³ ≈ 0,15 𝑡/ℎ 1.688 𝑚³/ℎ ∗ 0,020 𝑘𝑔/𝑚³

≈ 0,03 𝑡/ℎ 2.990 𝑚³/ℎ

∗ 3,0 𝑘𝑔/𝑚³ ≈ 9.0 𝑡/ℎ

𝑇𝑆_𝑅𝑍= 3 − 0,75 ∗ 1.710 𝑚³/ℎ

∗ 3,0 𝑘𝑔/𝑚³ ≈ 11, 5 𝑡/ℎ

1.302 𝑚³/ℎ ∗ 7 𝑘𝑔/𝑚³ ≈ 9,1 𝑡/ℎ

Dr.-Ing. O. Sterger: Ü #03 Abwasserbehandlung 𝑇𝑆_𝐵𝐵 = 3.0 𝑘𝑔/𝑚³

𝑄_𝑍𝐵 = 𝑄_𝑡 = 1.710 𝑚³/ℎ 𝑅𝐹 = 3

𝑅𝑉 = 0,75

𝑄_Ü𝑆,𝑑 = 529 𝑚³/𝑑 ≅ 22 𝑚³/ℎ

(Trockenwetterfall)

Zusammenhang zwischen 𝑉 _𝐵𝐵 , 𝑇𝑆 _𝐵𝐵 , Ü𝑆 _𝑑 und 𝑡 _𝑇𝑆

Gegenüberstellung zweier Belebungsbecken mit unterschiedlichen Volumina (konstruiertes Beispiel):

𝑉_{𝐵𝐵,𝐿ä𝑛𝑔𝑒} = 80 𝑚 𝑉_{𝐵𝐵,𝐵𝑟𝑒𝑖𝑡𝑒} = 25 𝑚 𝑉_{𝐵𝐵,𝑇𝑖𝑒𝑓𝑒} = 5 𝑚 𝑽_𝑩𝑩 = 𝟏𝟎. 𝟎𝟎𝟎 𝒎³

𝑉_{𝐵𝐵,𝐿ä𝑛𝑔𝑒} = 80 𝑚 𝑉_{𝐵𝐵,𝐵𝑟𝑒𝑖𝑡𝑒} = 𝟏𝟐, 𝟓 𝒎 𝑉_{𝐵𝐵,𝑇𝑖𝑒𝑓𝑒} = 5 𝑚

𝑽_𝑩𝑩 = 𝟓. 𝟎𝟎𝟎 𝒎³

𝑇𝑆_𝐵𝐵 = 3.500 𝑔 𝑇𝑆/𝑚³ 𝐵_{𝑑,𝐵𝑆𝐵} = 5.000 𝑘𝑔 𝑂₂/𝑑 Ü𝑆_𝑑 = 2.800 𝑘𝑔 𝑇𝑆/𝑑

Bemessungsvorgabe:

𝒕 ≥ 𝟏𝟐 𝒅

Wovon hängt ÜS_d ab?

Oder, anders gefragt:

Kann ÜS_d im kleinen BB genau so hoch sein wie im großen BB?

Für beide BBs gilt:

26 Dr.-Ing. O. Sterger: Ü #03 Abwasserbehandlung

Gegenüberstellung zweier Belebungsbecken mit unterschiedlichen Volumina (konstruiertes Beispiel):

𝑴_𝑻𝑺 = 10.000 𝑚³ ∗ 3,5 𝑘𝑔 𝑇𝑆/𝑚³

= 𝟑𝟓. 𝟎𝟎𝟎 𝒌𝒈 𝑻𝑺

𝒕_𝑻𝑺 = 35.000 𝑘𝑔 𝑇𝑆

2.800 𝑘𝑔 𝑇𝑆/𝑑 = 𝟏𝟐, 𝟓 𝒅

𝑴_𝑻𝑺 = 5.000 𝑚³ ∗ 3,5 𝑘𝑔 𝑇𝑆/𝑚³

= 𝟏𝟕. 𝟓𝟎𝟎 𝒌𝒈 𝑻𝑺

𝒕_𝑻𝑺 = 17.500 𝑘𝑔 𝑇𝑆

2.800 𝑘𝑔 𝑇𝑆/𝑑 = 𝟔, 𝟐𝟓 𝒅

Kann ÜS_d im kleinen Belebungsbecken für die weitere Berechnung einfach verringert werden, um t_TS von 12 d einzuhalten? Wenn „nein“, warum nicht? Begründen Sie Ihre Antwort!

Zusammenhang zwischen 𝑉 _𝐵𝐵 , 𝑇𝑆 _𝐵𝐵 , Ü𝑆 _𝑑 und 𝑡 _𝑇𝑆

Gegenüberstellung zweier Belebungsbecken mit unterschiedlichen Volumina (konstruiertes Beispiel):

𝑴_𝑻𝑺 = 5.000 𝑚³ ∗ 5,0 𝑘𝑔 𝑇𝑆/𝑚³

= 25.000 𝑘𝑔 𝑇𝑆 𝒕_𝑻𝑺 = 25.000 𝑘𝑔 𝑇𝑆

2.800 𝑘𝑔 𝑇𝑆/𝑑 = 𝟖, 𝟗 𝒅

𝑴_{𝑻𝑺,𝒎𝒊𝒏.} = 𝑡_𝑇𝑆 ∗ Ü𝑆_𝑑

= 12 𝑑 ∗ 2.800 𝑘𝑔 𝑇𝑆/𝑑 = 33.600 𝑘𝑔 𝑇𝑆

𝑽_{𝑩𝑩 𝒎𝒊𝒏.} = 𝑀_{𝑇𝑆,𝑚𝑖𝑛.}

𝑇𝑆_{𝐵𝐵,𝑚𝑎𝑥.} = 33.600 𝑘𝑔 𝑇𝑆 5 𝑘𝑔 𝑇𝑆/𝑚³

= 6.720 𝑚³ gewählt: 𝑉_{𝐵𝐵,𝐵𝑟𝑒𝑖𝑡𝑒} = 17,0 𝑚

17 𝑚 ∗ 80 𝑚 ∗ 5 𝑚 = 6.800 𝑚³ 𝒕 = 6.800 𝑚³ ∗ 5 𝑘𝑔 𝑇𝑆/𝑚³

= 𝟏𝟐, 𝟏 𝒅 Ergo, auch bei dieser Betrachtungsweise:

Bemessung des kleinen BB muss geändert werden!

• 𝑇𝑆_𝐵𝐵 erhöhen

(TS-Gehalt im BB, sollte aber nicht höher sein als 5.000 mg/l)

und, sofern das allein nicht ausreicht, um 𝑡_𝑇𝑆 im zulässigen Bereich zu halten

• 𝑉_𝐵𝐵 erhöhen

Zusammenhang zwischen 𝑉 _𝐵𝐵 , 𝑇𝑆 _𝐵𝐵 , Ü𝑆 _𝑑 und 𝑡 _𝑇𝑆

N-Bilanz

30 Dr.-Ing. O. Sterger: Ü #03 Abwasserbehandlung

Fraktionen des Stickstoff

gasförmiger Stickstoff Nitrit Nitrat Ammonium Gelöster organischer Stickstoff

Dissolved Organic Nitrogen (DON)

Partikulärer organischer Stickstoff

Particulate Organic Nitrogen (PON)

Gesamtstickstoff Total Nitrogen (TN)

Gesamter Kjeldahl-Stickstoff Total Kjeldahl Nitrogen (TKN)

Gesamter organischer Stickstoff Total Organic Nitrogen (TON)

Leicht zugänglich (bioverfügbar) für Wasserpflanzen und andere -organismen

Bioverfügbar erst nach mikrobiellem Abbau

Gesamter anorganischer Stickstoff Total Inorganic Nitrogen (TIN)

NO_x-N und NH₄-N kommen

ausschließlich in gelöster Form vor!

Summe aus NO_x-N und NH₄-N ist i.a.R auch Überwachungswert (N_ges.anorg.)!

N-Bilanz

Metabolisierung der Stickstoffkompartimente bei der Abwasserbehandlung

aus LONDONG, 2009

N-Bilanz

32 Dr.-Ing. O. Sterger: Ü #03 Abwasserbehandlung

Grobbilanz der Stickstoffkompartimente in Kläranlagen mit Denitrifikation

aus LONDONG, 2009

Nitrifikation / Denitrifikation

Wie viel Sauerstoff wird verbraucht, um 1 g NH₄-N vollständig zu oxidieren?

Reaktionsgleichung:

NH₄⁺ + 2 O₂  NO₃ + H₂O + H₂⁺ Atomgewichte: N=14, H = 1, O = 16

Molekulargewicht des Sauerstoffs: 16 ∗ 2 = 32𝑔 𝑀𝑜𝑙 𝑂₂ Um 1 Mol NH₄-N zu oxidieren, werden 2 Mol Sauerstoff verbraucht, d. h.:

es sind 64 g Sauerstoff je 14 g NH₄-N erforderlich. Danach ergibt sich:

64 𝑔 𝑂

14 𝑔 𝑁𝐻

− 𝑁 = 4,57 𝑔 𝑂

𝑔 𝑁𝐻

− 𝑁

Molekulargewicht des Ammoniumstickstoffs: 14 𝑔 𝑁

Nitrifikation / Denitrifikation

35 Dr.-Ing. O. Sterger: Ü #03 Abwasserbehandlung

Aber: Die Umwandlung des Ammoniumstickstoffs in der Nitrifikation erfolgt nicht als Oxidation im streng stöchiometrischen Verhältnis, denn es handelt sich um eine

biologische Metabolisierung. Dabei wird ein Teil des Stickstoffs in die Zellen der Nitrifikanten eingebaut. Dieser Zellertrag vermindert den tatsächlich erforderlichen Sauerstoffbedarf.

Üblicherweise rechnet man deshalb mit:

4,3 𝑔 𝑂

𝑔 𝑁𝐻

− 𝑁

aus ATV-DVWK-A 131, 2000

Nitrifikation / Denitrifikation

Molekulargewicht des Nitratstickstoffs: 14 𝑔 𝑁

Sauerstoffgewinn: 5

2 ∙ 16 = 40 𝑔 𝑂₂ Reaktionsgleichung:

NO₃^- + ½ H₂O  ½ N₂ + ⁵/₂ O + OH^-

Mit anderen Worten: 1 Mol Nitratstickstoff wiegt 14 g

Mit anderen Worten: Der Sauerstoffgewinn beträgt 40 g Wie viel Sauerstoff wird bei der Denitrifikation je g NO₃-N zurückgewonnen?

40 𝑔 𝑂

𝑀𝑜𝑙 𝑁𝑂

− 𝑁 14 𝑔

𝑀𝑜𝑙 𝑁𝑂

− 𝑁

≈ 2,9 𝑔 𝑂

𝑔 𝑁𝑂

− 𝑁

Nitrifikation / Denitrifikation

39

Sauerstoffrückgewinnung bei der Denitrifikation: 2,9 𝑔 𝑂₂ 𝑔 𝑁𝑂₃ − 𝑁 Wie stellt sich somit die Sauerstoffbilanz der Nitrifikation / Denitrifikation dar?

2,9 𝑔 𝑂

𝑔 𝑁𝑂

− 𝑁 4,3 𝑔

𝑔 𝑁𝐻

− 𝑁

= 0,67

Sauerstoffverbrauch bei der Nitrifikation: 4,3 𝑔 𝑂₂ 𝑔 𝑁𝐻₄ − 𝑁

Mit anderen Worten:

Bei der Denitrifikation werden ca. 2/3 des Sauerstoffverbrauchs aus der Nitrifikation wieder zurückgewonnen.

Dr.-Ing. O. Sterger: Ü #03 Abwasserbehandlung

Aufgabe 7: Selbststudium A 131

Arbeiten Sie Kapitel 5.2.9 Säurekapazität im ATV-DVWK-A 131 durch! Wie ist es zu

verstehen, dass in der Nitrifikation Säurekapazität aufgezehrt und in der Denitrifikation teilweise

wieder aufgefüllt wird?

42

Nitrifikation / Denitrifikation

Reaktionsgleichung Denitrifikation:

NO₃^- + ½ H₂O  ½ N₂ + ⁵/₂ O + OH^- Reaktionsgleichung Nitrifikation:

NH₄⁺ + 2 O₂  NO₃ + H₂O + H₂⁺

Die Nitrifikation ist gekennzeichnet durch einen hohen Sauerstoffverbrauch (1 g NH₄-N benötigt 4,3 g 0₂) und durch eine hohe Säureproduktion (1 Mol NH₄-N bildet 2 Mol H⁺).

Die Denitrifikation ist gekennzeichnet durch einen Gewinn an Sauerstoff (1 g NO₃-N liefert 2,9 g O₂) und durch eine Basenproduktion, die die in der Nitrifikation gebildete Säure zur Hälfte wieder neutralisiert (1 Mol NO₃-N bildet 1 Mol OH^-).

Dr.-Ing. O. Sterger: Ü #03 Abwasserbehandlung

Wie verändert sich demzufolge der pH-Wert bei der Nitrifikation?

Literaturverzeichnis

ATV-DVWK-A 131, 2000

ATV-DVWK-A 131

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Abwassertechnische Vereinigung e.V. / Deutsche Vereinigung für Wasserwirtschaft und Kulturbau e.V., Mai 2000 ATV-DVWK-A 198, 2003

ATV-DVWK-A 198

Vereinheitlichung und Herleitung von Bemessungswerten für Abwasseranlagen

Abwassertechnische Vereinigung e.V. / Deutsche Vereinigung für Wasserwirtschaft und Kulturbau e.V., April 2003 DROSTE, 1997

Droste, R. L.:

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Gujer, W.

Siedlungswasserwirtschaft

Springer-Verlag Berlin Heidelberg, 2007 HENZE et al., 1987

Henze, M.; Grady, C. P. L.; Gujer, W.; Marais, G. v. R.; Matsuo, T.

Activated Sludge Model No. 1

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Vorlesung Grundlagen der Siedlungswasserwirtschaft TU Dresden, Institut für Siedlungswasserwirtschaft, 2007

LONDONG et al., 2009

Londong, J.; Lützner, K. u. a.

Abwasserbehandlung

Weiterbildendes Studium Wasser und Umwelt

Bauhaus-Universität Weimar, 3. überarbeitete Auflage, September 2009 SCHNEIDER, 2014

Schneider, F.

Vorlesungsskript Entsorgung (Abfall & Abwasser) für Master Urbane Infrastrukturplanung, Abwasserreinigung Beuth-Hochschule für Technik, Berlin, 2014