Aerobe Granulation - Aerobic granulation

Die biologische Abwasserreinigung in der Kläranlage erfolgt häufig mit konventionellen Belebtschlammanlagen . Diese Systeme benötigen in der Regel aufgrund der im Allgemeinen schlechten Absetzeigenschaften des Schlamms große Oberflächen für Behandlungs- und Biomassetrenneinheiten . Aerobe Granulate sind eine Art Schlamm, der Flocken und Mikroorganismen in kugelförmige und starke kompakte Strukturen selbst immobilisieren kann. Die Vorteile von aeroben Granulatschlamm sind ausgezeichnete Absetzbarkeit, hohe Biomasserückhaltung, gleichzeitige Nährstoffentfernung und Toxizitätstoleranz. Jüngste Studien zeigen, dass die aerobe körnige Schlammbehandlung eine potenziell gute Methode sein könnte, um hochkonzentrierte Abwässer mit Nährstoffen und giftigen Substanzen zu behandeln.

Der aerobe Granulatschlamm wird in der Regel in SBR ( Sequencing Batch Reactor ) kultiviert und erfolgreich als Abwasserbehandlung für hochbelastete Abwässer, giftige Abwässer und häusliche Abwässer eingesetzt. Im Vergleich zu herkömmlichen aeroben granularen Verfahren zur CSB-Entfernung konzentriert sich die aktuelle Forschung mehr auf die gleichzeitige Entfernung von Nährstoffen, insbesondere von CSB, Phosphor und Stickstoff , unter Druckbedingungen, wie beispielsweise hoher Salinität oder thermophiler Bedingung.

In den letzten Jahren wurden neue Technologien entwickelt, um die Setzbarkeit zu verbessern. Der Einsatz der aeroben Granulatschlammtechnologie ist einer davon.

Aerobe Granulate aus kommunalem Abwasser AGS-Anwendung
Aerobes Granulat

Kontext

Befürworter der aeroben Granulatschlammtechnologie behaupten, dass sie "in naher Zukunft als innovative Technologiealternative zum heutigen Belebtschlammverfahren in der industriellen und kommunalen Abwasserbehandlung eine wichtige Rolle spielen wird" und dass sie "in Belebtschlamm leicht etabliert und gewinnbringend eingesetzt werden kann". Pflanzen". Im Jahr 2011 wurde es jedoch als "noch nicht als großtechnische Anwendung etabliert ... mit begrenzten und unveröffentlichten Anwendungen in großem Maßstab für die kommunale Abwasserbehandlung" charakterisiert.

Aerobe körnige Biomasse

Die folgende Definition unterscheidet ein aerobes Granulat von einer einfachen Flocke mit relativ guten Absetzeigenschaften und geht aus Diskussionen hervor, die auf dem 1. IWA-Workshop Aerober Granulatschlamm in München (2004) stattfanden:

Unter Granulaten, aus denen aeroben körnigen Belebtschlamm besteht, sind Aggregate mikrobiellen Ursprungs zu verstehen, die unter verminderter hydrodynamischer Scherung nicht koagulieren und sich deutlich schneller absetzen als Belebtschlammflocken

—  de Kreuk et al. 2005

Bildung von aeroben Granulaten

SBR-Reaktor, mit aeroben Granulaten

Granulare Schlammbiomasse wird in Sequencing-Batch-Reaktoren (SBR) und ohne Trägermaterialien entwickelt. Diese Systeme erfüllen die meisten Voraussetzungen für ihre Bildung als:

Fest – Hungersnot: Es müssen kurze Fütterungszeiten gewählt werden, um Fest- und Hungerzeiten zu erzeugen (Beun et al. 1999), die durch das Vorhandensein bzw. Fehlen von organischem Material in den flüssigen Medien gekennzeichnet sind. Mit dieser Fütterungsstrategie wird die Auswahl der geeigneten Mikroorganismen zur Granulatbildung erreicht. Wenn die Substratkonzentration in der Hauptflüssigkeit hoch ist, können die granulatbildenden Organismen das organische Material in Form von Poly- β- hydroxybutyrat speichern, das in der Hungerperiode verbraucht wird, was einen Vorteil gegenüber filamentösen Organismen ergibt. Wenn eine anaerobe Fütterung angewendet wird, wird dieser Faktor verstärkt, wodurch die Bedeutung einer kurzen Setzzeit und höherer hydrodynamischer Kräfte minimiert wird.
Kurze Absetzzeit: Dieser hydraulische Selektionsdruck auf die mikrobielle Gemeinschaft ermöglicht das Zurückhalten der körnigen Biomasse im Reaktor, während die flockige Biomasse ausgewaschen wird. (Qin et al. 2004)
Hydrodynamische Scherkraft : Beweise zeigen, dass die Anwendung hoher Scherkräfte die Bildung von aeroben Körnchen und die physikalische Körnchenintegrität begünstigt. Es wurde festgestellt, dass aerobe Granulate nur oberhalb eines Schwellenwerts der Scherkraft in Bezug auf eine oberflächliche Aufwärtsströmungsgeschwindigkeit von über 1,2 cm/s in einem Säulen-SBR gebildet werden konnten, und bei hoher hydrodynamischer Scherung wurden regelmäßigere, rundere und kompaktere aerobe Granulate entwickelt Kräfte (Tay et al., 2001).

Granularer Belebtschlamm wird auch in Durchflussreaktoren nach dem Hybrid Activated Sludge (HYBACS)-Verfahren entwickelt, bestehend aus einem aufgesetzten Wachstumsreaktor mit kurzer Verweilzeit vor einem suspendierten Wachstumsreaktor. Die angelagerten Bakterien im ersten Reaktor, bekannt als SMART-Einheit, werden einem konstant hohen CSB ausgesetzt, was die Expression hoher Konzentrationen von hydrolytischen Enzymen in der EPS-Schicht um die Bakterien herum auslöst (Zitat erforderlich). Durch die beschleunigte Hydrolyse wird löslicher, leicht abbaubarer CSB freigesetzt, der die Bildung von körnigem Belebtschlamm fördert.

Vorteile

Die Entwicklung von Biomasse in Form von aeroben Granulaten wird auf ihre Anwendung bei der Entfernung von organischer Substanz , Stickstoff- und Phosphorverbindungen aus Abwasser untersucht. Aerobe Granulate in einem aeroben SBR bieten gegenüber herkömmlichen Belebtschlammverfahren mehrere Vorteile wie:

Stabilität und Flexibilität: Das SBR-System kann an schwankende Bedingungen angepasst werden und hält Stößen und toxischen Belastungen stand
Geringer Energiebedarf: Das aerobe Granulatschlammverfahren hat eine höhere Belüftungseffizienz durch den Betrieb in erhöhter Höhe, während weder Rücklaufschlamm- oder Nitratrückführungsströme noch Misch- und Antriebsanforderungen erforderlich sind
Reduzierter Fußabdruck: Die durch die hohe Absetzgeschwindigkeit des aeroben Schlammgranulats mögliche Erhöhung der Biomassekonzentration und das Fehlen eines Endabscheiders führen zu einer deutlichen Reduzierung des erforderlichen Fußabdrucks.
Gute Biomasserückhaltung: Es können höhere Biomassekonzentrationen im Reaktor erreicht und höhere Substratbelastungen behandelt werden.
Vorhandensein von aeroben und anoxischen Zonen innerhalb des Granulats: um gleichzeitig verschiedene biologische Prozesse im selben System durchzuführen (Beun et al. 1999 )
Reduzierte Investitions- und Betriebskosten: Die Betriebskosten einer Kläranlage, die mit aeroben körnigen Schlämmen arbeitet, können um mindestens 20 % und der Platzbedarf um bis zu 75 % gesenkt werden (de Kreuk et al., 2004).

Der HYBACS-Prozess hat den zusätzlichen Vorteil, dass er ein Durchflussprozess ist, wodurch die Komplexität von SBR-Systemen vermieden wird. Es lässt sich auch problemlos bei der Aufrüstung bestehender Durchlauf-Belebtschlammverfahren anwenden, indem die angebauten Wachstumsreaktoren vor dem Belebungsbecken installiert werden. Durch die Umrüstung auf körniges Belebtschlammverfahren kann die Kapazität einer bestehenden Kläranlage verdoppelt werden.

Behandlung von Industrieabwässern

Bei den meisten Arbeiten, die mit aeroben Granulaten durchgeführt wurden, wurde synthetisches Abwasser verwendet. Diese Arbeiten konzentrierten sich hauptsächlich auf die Untersuchung der Granulatbildung, der Stabilität und der Nährstoffentfernungseffizienz unter verschiedenen Betriebsbedingungen und ihrer möglichen Verwendung zur Entfernung toxischer Verbindungen. Das Potenzial dieser Technologie zur Behandlung von Industrieabwasser wird derzeit untersucht, einige der Ergebnisse:

  • Arrojoet al. (2004) betrieben zwei Reaktoren, die mit industriellem Abwasser aus einem Labor zur Analyse von Milchprodukten gespeist wurden (Gesamt- CSB  : 1500–3000 mg/L; löslicher CSB: 300–1500 mg/L; Gesamtstickstoff: 50–200 mg/L). L). Diese Autoren wandten organische und Stickstoff-Beladungsraten von bis zu 7 g CSB/(L·d) und 0,7 g N/(L·d) an, wodurch eine Entfernungseffizienz von 80 % erreicht wurde.
  • Schwarzenbecket al. (2004) behandelte Mälzereiabwässer mit einem hohen Gehalt an partikulärer organischer Substanz (0,9 g TSS/L). Sie fanden heraus, dass Partikel mit einem durchschnittlichen Durchmesser von weniger als 25–50 µm mit 80 % Effizienz entfernt wurden, während Partikel größer als 50 µm nur mit 40 % Effizienz entfernt wurden. Diese Autoren beobachteten, dass die Fähigkeit von aeroben granularen Schlämmen, organische Partikel aus den Abwässern zu entfernen, sowohl auf den Einbau in die Biofilmmatrix als auch auf die metabolische Aktivität der Protozoenpopulation zurückzuführen ist, die die Oberfläche der Granulate bedeckt.
  • Cassidy und Belia (2005) erzielten Entfernungseffizienzen für CSB und P von 98% und für N und VSS über 97%, die einen Granulatreaktor betrieben mit Schlachthofabwasser (Gesamt-CSB: 7685 mg/L; löslicher CSB: 5163 mg/L; TKN : 1057 mg/l und VSS: 1520 mg/l). Um diese hohen Entfernungsprozentsätze zu erhalten, betrieben sie den Reaktor bei einem DO- Sättigungsgrad von 40%, was der optimale Wert ist, der von Beun et al. vorhergesagt wurde. (2001) zur N-Entfernung und mit einer anaeroben Fütterungsperiode, die dazu beitrug, die Stabilität des Granulats zu erhalten, wenn die DO-Konzentration begrenzt war.
  • Inizan et al. (2005) behandelten Industrieabwässer aus der pharmazeutischen Industrie und beobachteten, dass die Schwebstoffe im Zulaufabwasser im Reaktor nicht entfernt wurden.
  • Tsunedaet al. (2006), wenn Abwasser aus Metall-Raffinerieverfahren Behandlung (1,0-1,5 g NH 4 + -N / l und bis zu 22 g / l Natriumsulfat), ein Stickstoffbeladungsrate von 1,0 kg-N / m entfernt 3 · d mit einer Effizienz von 95 % in einem System mit autotrophem Granulat.
  • Usmaniet al. (2008) hohe Oberflächenluftgeschwindigkeit, eine relativ kurze Absetzzeit von 5–30 min, ein hohes Verhältnis von Höhe zu Durchmesser (H/D=20) des Reaktors und optimale organische Belastung ermöglichen die Kultivierung von regelmäßigem kompaktem und kreisförmigem Granulat.
  • Figueroa et al. (2008) behandeltes Abwasser aus einer Fischkonservenindustrie. Angewandte OLR betrugen bis zu 1,72 kg CSB/(m 3 ·d) bei vollständiger Abreicherung organischer Substanz. Ammoniakstickstoff wurde durch Nitrifikation-Denitrifikation bis zu 40% entfernt, wenn Stickstoffbeladungsraten von 0,18 kg N/(m 3 ·d) betrugen . Die Bildung von reifen aeroben Granulaten erfolgte nach 75 Tagen Betrieb mit 3,4 mm Durchmesser, SVI von 30 mL/g VSS und Dichte um 60 g VSS/L-Granula
  • Farooqi et al. (2008) sind Abwässer aus der Raffination fossiler Brennstoffe, Pharmazeutika und Pestizide die Hauptquellen für phenolische Verbindungen. Solche mit komplexeren Strukturen sind oft giftiger als das einfache Phenol . Ziel dieser Studie war es, die Wirksamkeit von Granulatschlamm in UASB und SBR für die Behandlung von Mischungen von Phenolverbindungen zu bewerten. Die Ergebnisse zeigen, dass die anaerobe Behandlung mit UASB und die aerobe Behandlung mit SBR erfolgreich für Phenol/Kresol-Gemische verwendet werden können, die für die wichtigsten Substrate in chemischen und petrochemischen Abwässern repräsentativ sind, und die Ergebnisse zeigen, dass eine angemessene Akklimatisierungszeit für den Abbau von m – Kresol und Phenol unerlässlich ist . Darüber hinaus wurde SBR als bessere Alternative zum UASB-Reaktor gefunden, da es effizienter ist und höhere Konzentrationen von m-Kresolen erfolgreich abgebaut werden können.
  • López-Palau et al. (2009) behandeltes Abwasser aus einer Weinkellerei. Die Granulatbildung erfolgte mit einem synthetischen Substrat und nach 120 Betriebstagen wurden synthetische Medien durch echtes Kellereiabwasser mit einer CSB-Belastung von 6 kg CSB/(m 3 ·d) ersetzt.
  • Dobbeleers "et al." (2017), gereinigtes Abwasser aus der Kartoffelindustrie. Die Granulierung wurde erfolgreich erreicht und eine gleichzeitige Nitrifikation/Denitrifikation war durch kurzes Unterbrechen des Stickstoffkreislaufs möglich.
  • Caluwe "et al." (2017), Verglichen mit einer aeroben Festmahl-/Hungersnot-Strategie und einer anaeroben Festmahl-, aeroben Hungersnot-Strategie zur Bildung von aeroben körnigen Schlämmen bei der Behandlung von industriellem petrochemischem Abwasser. Beide Strategien waren erfolgreich.

Pilotforschung in aeroben Granulatschlamm

Die aerobe Granulationstechnologie für die Anwendung in der Abwasserbehandlung ist im Labormaßstab weit verbreitet. Die Erfahrung im großen Maßstab wächst schnell und mehrere Institutionen bemühen sich, diese Technologie zu verbessern:

  • Seit 1999 arbeiten Royal HaskoningDHV (ehemals DHV Water), Delft University of Technology (TUD), STW (Niederländische Stiftung für Angewandte Technologie) und STOWA (Niederländische Stiftung für Angewandte Wasserforschung) eng bei der Entwicklung der aeroben Granulatschlammtechnologie ( Nereda ). Im September 2003 wurde bei STP Ede, Niederlande, eine erste umfangreiche Pilotanlagenforschung durchgeführt, die sich auf eine stabile Granulation und biologische Nährstoffentfernung konzentrierte. Nach dem positiven Ergebnis beschlossen die Parteien zusammen mit sechs niederländischen Wasserbehörden, eine öffentlich-private Partnerschaft (PPP) – das Nationale Nereda Research Program (NNOP) – zu gründen , um mehrere Einheiten in großem Maßstab auszureifen , weiter zu vergrößern und zu implementieren. Im Rahmen dieser PPP wurden zwischen 2003 und 2010 umfangreiche Pilotversuche an mehreren Kläranlagen durchgeführt. Derzeit sind mehr als 20 Anlagen auf 3 Kontinenten in Betrieb oder im Bau.
  • Ausgehend von dem aeroben Granulatschlamm, jedoch unter Verwendung eines Konkurrenzsystems für das Granulat, wurde von IRSA (Istituto di Ricerca Sulle Acque, Italien) ein Sequencing-Batch-Biofilter-Granulatreaktor (SBBGR) mit einem Volumen von 3,1 m 3 entwickelt. In dieser Anlage zur Abwasserbehandlung einer italienischen Kläranlage wurden verschiedene Studien durchgeführt.
  • Die Verwendung von im Labor hergestellten aeroben Granulaten als Starterkultur vor der Zugabe in das Hauptsystem ist die Grundlage der von EcoEngineering Ltd. entwickelten Technologie ARGUS ( Aerobic granules upgrade system ). Die Granulate werden vor Ort in kleinen Bioreaktoren namens . kultiviert Propagatoren und füllen nur 2 bis 3% der Hauptkapazität des Bioreaktors oder Fermenters (Fermentors). Dieses System wird in einer Pilotanlage mit einem Volumen von 2,7 m 3 in einer ungarischen Pharmaindustrie eingesetzt.
  • Die Gruppe für Umwelttechnik und Bioprozesse der Universität Santiago de Compostela betreibt derzeit einen 100-Liter-Pilotanlagenreaktor.

Die Machbarkeitsstudie hat gezeigt, dass die aerobe Granulatschlammtechnologie sehr vielversprechend erscheint (de Bruin et al., 2004. Basierend auf den jährlichen Gesamtkosten erweist sich ein GSBR ( Granular Slam Sequencing Batch Reactors ) mit Vorbehandlung und ein GSBR mit Nachbehandlung als attraktiver als die Referenz-Belebtschlammalternativen (6–16%). Eine Sensitivitätsanalyse zeigt, dass die GSBR-Technologie weniger empfindlich gegenüber Bodenpreisen und empfindlicher gegenüber Regenwasserfluss ist. Aufgrund der hohen zulässigen Volumenbelastung ist der Footprint der GSBR-Varianten beträgt nur 25 % im Vergleich zu den Referenzen, jedoch kann die GSBR mit ausschließlicher Vorbehandlung die aktuellen Abwasserstandards für kommunales Abwasser nicht erfüllen, hauptsächlich wegen der Überschreitung des Abwasserstandards für Schwebstoffe, die durch Auswaschen von schwer absetzbarer Biomasse verursacht wird.

Volle Anwendung

Die aerobe Granulationstechnologie wird bereits erfolgreich zur Abwasserbehandlung eingesetzt.

  • Seit 2005 hat RoyalHaskoningDHV mehr als 20 aerobe granulare Schlammtechnologiesysteme (Nereda) in vollem Umfang zur Behandlung von industriellem und kommunalem Abwasser auf 3 Kontinenten implementiert. Ein Beispiel ist STP Epe, Niederlande, mit einer Kapazität von 59.000 EW und 1.500 m3.h-1, das erste vollwertige kommunale Nereda in den Niederlanden. Beispiele für die neuesten Kläranlagen von Nereda (2012–2013) sind Wemmershoek – Südafrika, Dinxperlo, Vroomshoop, Garmerwolde – Niederlande.
Vollflächige kommunale Abwasseranwendung Nereda (4000 m3.d-1) in der Kläranlage Gansbaai in Südafrika
Kommunales Abwasser in vollem Umfang Nereda-Anwendung Epe Niederlande
Industrielles Abwasser im großen Maßstab Nereda-Anwendung Vika Niederlande
  • EcoEngineering hat das aerobe Granulationsverfahren in drei pharmazeutischen Industrien angewendet, Krka dd Novo mesto Slowenien, Lek dd Lendava, Slowenien und Gedeon Richter Rt. Dorog, Ungarn. Kläranlagen laufen bereits seit mehr als fünf Jahren.

Siehe auch

Verweise

Externe Links