Projekt 12087/01

Entwicklung eines Verfahrens zur kontinuierlichen UV-Absorptionsmessung für die Überwachung und Regelung der belüfteten Phase in sogenannten SBR-Anlagen zur Abwasserbehandlung

Projektdurchführung

optek-Danulat GmbH
Emscherbruchallee 2
45356 Essen

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

In SBR-Anlagen (Sequencing-Batch-Reactor) zur biologischen Abwasserreinigung können CSB-verursachende Inhaltsstoffe weitgehend eliminiert werden. Der CSB (chemischer Sauerstoffbedarf) stellt einen Parameter dar, der nahezu alle im Wasser enthaltenen oxidierbaren Stoffe erfasst und vom Gesetzgeber für die Überwachung der organischen Verschmutzung von Abwasser festgelegt worden ist. Durch die Messung des Ersatzparameters SAK (Spektraler Absorptionskoeffizient) bei einer frei gewählten Wellenlänge sollte im Projekt ein Verfahren für die Überwachung der CSB-Reduzierung und die Regelung der belüfteten Phase von SBR-Anlagen in der kommunalen und industriellen Abwasserreinigung entwickelt werden.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenIn der ersten Phase wurden in SBR-Anlagen behandelte Abwässer aus verschiedenen Industriebranchen und aus einer kommunalen Kläranlage untersucht. Dadurch sollte festgestellt werden, ob bei schwankenden Konzentrationen und Zusammensetzungen der SAK mit dem DIN-CSB in den Abläufen von SBR-Anlagen korreliert. Um die optimale Wellenlänge mit dem höchsten Korrelationskoeffizienten zu bestimmen, wurden die Korrelationen bei verschiedenen Wellenlängen untersucht. In der zweiten Phase erfolgte ein kontinuierlicher Betrieb der SBR-Laborversuchsanlagen mit verschiedenen Abwässern. Die Regelung der belüfteten Phase des SBR-Zyklusses wurde durch ein Online-UV-Messgerät vorgenommen. Die Überwachung der Laboranlagen erfolgte durch ein Messwerterfassungsprogramm, bei welchem die Möglichkeit besteht, eine zustandsabhängige Regelung zu installieren. Somit war es möglich, unterhalb eines festgelegten SAK-Schwellenwertes bzw. bei stagnierender SAK-Abnahme die Sedimentationsphase automatisch einzuleiten. Es wurde weiterhin untersucht, bei welcher Referenzwellenlänge die Messung der Trübungskompensation erfolgen kann.
In der dritten Phase des Forschungsvorhabens wurde mit einer modifizierten SBR-Laboranlage die Möglichkeit der Steuerung der Beschickung und des Austauschverhältnisses mittels SAK-Messung im Anlagenzulauf untersucht.
Der Vergleich zwischen den Betriebskosten, dem Zeit- und dem Chemikalienaufwand an der SBR-Anlage vor und nach dem Einsatz der UV-Absorptionsmessung ermöglichte es in der vierten Projektphase eine vereinfachte Kosten- und Ökobilanz zu erstellen.


Ergebnisse und Diskussion

Im Rahmen der ersten Projektphase wurden Abwässer aus einer Brauerei, aus einem Fleischverarbeitenden Betrieb sowie von einem Sprudel- und Limonadenabfüller auf ihre Absorptionseigenschaften hin untersucht. Insbesondere wurden die Korrelation zwischen CSB und SAK sowie die Steigung der ermittelten Regressionsgeraden betrachtet. Bei den Abwässern aus der Brauerei und dem fleischverarbeitenden Betrieb ergab sich eine sehr gute Korrelation sowie eine zur sicheren Anlagensteuerung ausreichende Steigung der Regressionsgeraden. Das Abwasser des Getränkeabfüllbetriebes dagegen lieferte nur eine mäßige Korrelation sowie eine ungenügende Steigung. Dies wurde auf die Anwesenheit verschiedener Zucker-Verbindungen, welche sich durch UV-Absorptionsmessung nicht oder nur bedingt erfassen lassen, zurückgeführt. Das untersuchte kommunale Abwasser zeigte im Labor wie auch in der Online-Messung eine sehr gute Korrelation zwischen CSB und dem SAK. Auch der bei nicht aufbereiteten Proben ohne Trübungskompensation gemessene SSK (= Spektraler Schwächungskoeffizient) lieferte eine gute Korrelation (R = 0,94) zum CSB.
Die Untersuchungen zur Regelung der Belüftungsphase wurden mit Abwasser von der bereits bekannten Brauerei sowie mit Abwasser aus einer Imbiss-Restaurantkette durchgeführt. Das Brauereiabwasser zeigte bei einem trübungskompensierten SAK (SAK254 - SSK313) eine gute Korrelation und war somit zur Regelung der Belüftungsphase gut geeignet. Die Belüftungszeiten ließen sich mittels SAK-Regelung um rund 62 % reduzieren. Die Versuche mit dem Imbiss-Restaurant-Abwasser zeigten ebenfalls eine gute Korrelation zwischen CSB und SAK254. Allerdings ergab sich eine relativ geringe Steigung der Regressionsgeraden. Somit spiegelten sich Schwankungen im CSB kaum im SAK wieder. Weiterhin zeigten sich während dieser Versuchsphase technische Probleme an den Versuchsanlagen. Somit ist die ermittelte durchschnittliche Reduzierung der Belüftungsdauer von 53,6 % mit Vorsicht zu betrachten.
Die Regelung der Belüftungsphase sowie die Steuerung des Austauschverhältnisses durch Online-SAK-Messung wurde an kommunalem Abwasser sowie an Brauereiabwasser untersucht. Ziel dieser Versuche war es, durch die Online-Messung des SAK (membranfiltriert) im Zulauf des Reaktors die Beschickung der Anlage je nach CSB-Gehalt optimieren zu können und damit die Betriebssicherheit von SBR-Anlagen zu erhöhen. Bei den Versuchen mit kommunalem Abwasser und Brauereiabwasser ergaben beide eine gute Korrelation zwischen CSB und SAK254. Die Untersuchung des Brauereiabwassers zeigte, verglichen mit den vorhergehenden Versuchen, mit R = 0,88 eine deutlich bessere Korrelation. Dies konnte nur durch eine Veränderung der Abwasserzusammensetzung erklärt werden.
Die abschließende Kosten- und Ökobilanz zeigte einen Kostenvorteil bei der Verwendung eines UV-Absorptionsmessgerätes zur Regelung der Belüftungsphase ab einem Abwasseranfall von ca. 50 m³/d. Bei dem Ersatz des Parameters CSB durch Online-SAK-Messung konnten nur Kosteneinsparungen nachgewiesen werden, falls das entsprechende SAK-Messgerät bereits vorhanden ist. In diesem Fall war jedoch eine deutliche Kostenverringerung zu verzeichnen. Die Untersuchung der Umweltverträglich-keit konnte wegen Datenmangels nur in sehr begrenztem Rahmen durchgeführt werden und zeigte großes Umweltentlastungspotenzial durch Energieeinsparung bei der Belüftung der Reaktoren sowie durch den Wegfall der beim CSB notwendigen umweltschädlichen Reagenzien.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

Die Ergebnisse des Forschungsvorhabens wurden interessierten Fachleuten im Rahmen des International Symposium on Sequencing Batch Reactor Technologie Juli 2000 sowie während des 4. GVC-Kongress 1999, Verfahrenstechnik der Abwasser- und Schlammbehandlung - additive und prozessintegrierte Maßnahmen vorgestellt. Des weiteren erfolgte Oktober 1999 eine Veröffentlichung in der Fachzeitschrift Wasser und Abfall.


Fazit

Die im Rahmen dieses Projektes ermittelten Erkenntnisse zeigen, dass die Online-Messung des SAK zur Prozesssteuerung bei vielen Abwässern eine praxistaugliche Alternative zu der Bestimmung des CSB darstellt. Sowohl bei konventionellen biologischen Abwasserreinigungsanlagen und insbesondere bei SBR-Anlagen konnte bei verschiedenen Abwässern eine Regelung der Belüftungsphase sowie des Austauschverhältnisses mit Erfolg getestet werden. Durch die damit erreichte Optimierung des Betriebes von biologischen Abwasserbehandlungsanlagen lässt sich über Energieeinsparung bei der Belüftung und durch die Verminderung der bei der CSB-Analytik anfallenden umweltschädlichen Chemikalien eine deutliche Umweltentlastung realisieren.