Phosphatelimination mit dem C-N-P-Verfahren

Phosphatelimination

als positiver Nebeneffekt des C-N-P – Verfahrens

Lagertanks für ENTEC® Produkte

Sie möchten Ihre „Fällmittel“- Kosten bei der Phosphatelimination reduzieren ?

Gerne: mit dem C-N-P Verfahren !

Durch eine Zusammenarbeit mit PRO-ENTEC bzw. HeiENTEC oder PRO-ENTECeast können Sie eine leistungsstärkere Biocoenose erreichen, somit die Phosphatelimination zu einem Großteil biologisch abdecken.

Kläranlagen konnten, nach optimaler Umstellung Ihrer Belebung durch das C-N-P-Verfahren, ß-Werte von <0,5 erreichen und dadurch, bezogen auf PO4-P, an Produkt sparen.

Da der Einsatz des Verfahrens in erster Linie darauf abzielt die Leistung der Belebung zu steigern, sprechen wir gerne davon, dass die Senkung des Phosphat-Wertes ein positiver Nebeneffekt dabei ist.

Profitieren auch Sie ! Folgende Kläranlage hat es getan:

Job-Report

Absenkung der Phosphor-Ablaufwerte auf der Kläranlage Dorlar

•  Der Europäischen Wasserrahmenrichtlinie folgend, werden für Kläranlagen zukünftig wesentlich geringere Ablaufwerte für Phosphor gefordert. In Hessen sind dies, je nach Anlage bis zu 0,5 mg/l für P_ges und 0,2 mg/l für PO₄-P (jeweils als Betriebsmittelwerte). KARL II verschärft diese Anforderung. 
•  Die Kläranlage Dorlar arbeitet bereits seit vielen Jahren mit dem C-N-P – Verfahren, und erreicht hierbei die geforderten Phosphor Grenzwerte bei geringerem Metalleinsatz, stark vermindertem Sauerstoffbedarf, sowie erheblich reduziertem Schlammanfall.
•  Um die erforderliche Phosphatelimination auch unter ungünstigen Bedingungen (z.B. Fracht- oder Hydraulikstößen) sicherzustellen, entwickelte die Firma PRO-ENTEC das Produkt ENTEC Zadial, das zusammen mit einer intelligent gesteuerten 2-Punkt Dosierung, dazu führt, dass clevere Kläranlagen die niedrigen Ablaufwerte dauerhaft einhalten.

1.           Ausgangssituation vor weitergehender Phosphatelimination

 Die Kläranlage Dorlar setzt seit ihrem Umbau im Jahr 2005 das C-N-P – Verfahren zur biologischen Optimierung ein. Das C-N-P – Verfahren ist ein ganzheitliches Verfahren, das zu erheblicher Erhöhung der Prozessstabilität und der Reinigungsleistung führt, wobei durch die Beeinflussung der Atmungsaktivität der Bakterien der Sauerstoffbedarf des biologischen Systems vermindert wird, so dass neben der hier diskutierten Senkung der Phosphor-Ablaufwerte insbesondere auch die Kohlenstoff- und Stickstoffeliminierung effektiver wird. Die Verfahrensumstellung und Beeinflussung der Atmungsaktivität erfordert die gezielte Zugabe eines Hilfsmittels der ENTEC-118-Serie, welches neben anderen Wirksubstanzen Aluminium in Form von Großmolekülen enthält. Damit werden bisherige Fällmittel substituiert, und ein Großteil der P- Fracht bei geringerem Metalleinsatz, d.h. geringerem ß-Faktor, eliminiert.

Wegen der vorhergesehenen Erniedrigung der zulässigen Phosphor-Ablaufwerte ergriff die Anlagenleitung bereits im Jahr 2010 Maßnahmen, um den Phosphor-Ablaufwert niedriger zu deklarieren, und zwar zunächst von 2 mg/l auf 1,6 mg/l mit der Option auf weitere Absenkungen.

Während das Perzentil 90 bereits im Jahr 2009 bei 1,5 mg/l lag, führten Spitzen in der Zulauffracht bzw. -Konzentration zu höheren Werten. Die Methode der Wahl war daher eine 2-Punkt-Dosierung, wobei die Haupteliminierung als „Nebeneffekt“ des C-N-P – Verfahrens eintrat (Dosierung im Verteilerbauwerk zu den Belebungsbecken), während die Spitzen durch eine zweite Dosierung in den Zulauf zum Nachklärbecken zu eliminieren waren. Diese war durch eine Online-PO₄-P-Messung im Ablauf Belebungsbecken zu aktivieren und zu steuern. Bei Überschreiten eines definierten PO₄-P-Wertes greift die Nachfällung, die Regelung funktioniert proportional. Da die für den 2. Dosierpunkt einzusetzende Menge relativ gering war, verwendeten wir, zur Vereinfachung der Logistik, das ENTEC-Hilfsmittel hier gleichzeitig auch als „Fällmittel“. Die geforderte Reduzierung des Ablaufwertes konnte mit diesen Maßnahmen sichergestellt werden.

Abb.1 zweiter Dosierpunkt im Zulauf zum Nachklärbecken dahinter Ablauf Belebungsbecken mit Online-PO4-P-Analysator

2.           Aktuelle Anforderungen für die Phosphatelimination

 Um die Eutrophierung der Gewässer zu verringern, schreibt der Gesetzgeber – der EWRRL folgend – nun nochmals erheblich geringere Ablaufwerte für P_ges und PO₄-P vor, die je nach Bundesland und Anlagengröße auf bis zu 0,5 mg/l für P_ges und 0,2 mg/l für PO₄-P (als Betriebsmittelwerte) festgesetzt werden.

KARL, verabschiedet November 2024:

Die künftigen Grenzwerte für Phosphor betragen 0,5 mg/l für große und 0,7 mg/l für kleinere Anlagen. Die Umsetzung erfolgt stufenweise mit den ersten Anlagen bis Ende 2033. Bis zum 31.12.2039 müssen alle Kläranlagen ab 150.000 EW die Tertiärstufe umgesetzt haben, bis zum 31.12.2045 dann auch die Anlagen ab 10.000 EW in den empfindlichen Gebieten.

Eine naheliegende Problemlösung scheint hierbei eine simple Erhöhung des Fällmittel Einsatzes zu sein. Dies ist jedoch nicht nur teuer, sondern hat auch oft begrenzte Erfolgsaussichten, da der Ablauf von Kläranlagen neben dem fällbaren Ortho-Phosphat häufig noch Anteile an nicht fällbaren Phosphonaten, sowie partikulären Phosphor in Form von Feinflocken enthält. In der Folge müsste das fällbare Ortho- Phosphat dann mit sehr hohem Fällmittel Einsatz auf extrem niedrige Werte gebracht werden, um den Anteil der anderen phosphorhaltigen Verbindungen zu kompensieren.

Abb. 2: Fraktionierung des Gesamt-P-Gehalts im Ablauf (Böhler und Siegrist)1

¹ Marc Böhler und Hansruedi Siegrist: „Möglichkeiten zur Optimierung der chemischen Phosphorfällung an hessischen Kläranlagen“ Gut- achten EAWAG, CH-8600 Dübendorf, S.66 (2008)

3.           Maßnahmen auf der Kläranlage Dorlar zur weitergehenden Phosphatelimination

3.1            Partikulärer Phosphor und Orthophosphat

 Da im Nachklärbecken und Ablauf insbesondere bei hoher Hydraulik ein signifikanter Anteil von Feinflocken zu beobachten war, sollte zunächst dieses Problem gelöst werden. Die abtreibende Biomasse enthält ca. 3 % Phosphor. Bei einem Suspensaanteil von 10 mg/l liegen somit ca. 0,3 mg (P) / l vor, die allein durch den Flockenabtrieb entstehen.

• Einsatz von ENTEC Zadial

Es sollte daher das, für derartige Anwendungsfälle (weitergehende Phosphatelimination) entwickelte, ENTEC ZADIAL Produkt zum Einsatz kommen. Dieses kombiniert die Grundsubstanz der ENTEC 118-Serie mit einem hocheffektiven biologisch abbau- baren Polymer, und stellt damit beide benötigte Funktionen bereit:

• Die Fällfunktion

Die Grundsubstanz besteht wie bei ENTEC- 118… aus aluminiumhaltigen Großmolekülen, die die Konzentration von gelöstem Orthophosphat am zweiten Dosierpunkt weiter reduzieren.

• Die Adsorptions- und Flockungsfunktion

Durch die große hydrophobe Oberfläche der Großmoleküle findet Adsorption und Bindung an die Flocke statt. Ein eingearbeitetes Polymer verstärkt die  Wirkung und erzeugt kompaktere Flocken.  Diese inkorporieren auftretende Feinflocken in den Schlamm. Sie gelangen nun mit dem Schlammabzug aus dem System und verursachen der Kläranlage weniger Probleme. Dies nicht nur im Bezug auf Phosphatelimination. Das Polymer ist auf Stärkebasis produziert, somit komplett biologisch abbaubar und ohne Einschränkung in die Landwirtschaft einzubringen. Durch den geringeren Metalleinsatz, die vermehrte Adsorption sowie die Bindung im biologischen System ist dieser Phosphor besser bioverfügbar, und damit in der Landwirtschaft effektiv nutzbar als reine Metallphosphate.

Dabei sollte die bisher eingesetzte Zweipunktdosierung beibehalten, aber in geeigneter Weise modifiziert (Abb. 3) werden.

Phosphoreliminierung mit C-N-P Verfahren

Um systematisch die geeigneten Modifikationen vornehmen zu können, stellten wir, in Zusammenarbeit mit dem Betreiber, zunächst die Nachfällung (Zu- lauf Nachklärbecken) von ENTEC 118/A auf ENTEC Zadial um. Die Steuerung ließen wir dabei unverändert. Es war eine Verminderung der PO₄-P und P_ges-Ablaufwerte von vorher ca. 0,6 – 0,9 mg/l auf ca. 0,4 – 0,6 mg/l zu beobachten (Abb. 4 – hellgelbe Linie Dez. 2016).

Bei hoher hydraulischer Belastung beobachteten wir jedoch, dass der P_ges Ablaufwert in dieser Konfiguration zeitweilig anstieg (August 2017).

Erklärung wie folgt:

Die Nachfällung wird bei Überschreiten eines voreingestellten Konzentrations-Schwellwerts von PO₄-P aktiviert, und dann proportional zur Konzentration dieses Parameters gesteuert. Bei hoher hydraulischer Belastung wird aber die PO₄-P-Konzentration durch Verdünnung vermindert, so dass in vielen Fällen nur geringe Mengen in die Nachfällung dosiert werden, die zum Koagulieren der Feinflocken nicht ausreichen. Die Feinflocken sind jedoch für den partikulären Phosphor verantwortlich, der den P_ges Wert dann erhöht.

Ablaufkonzentration und Durchfluss 1.08.2016 bis 01.01.2024

Es wurde daher eine Modifikation der Dosierungssteuerung der Nachfällung vorgenommen, die sowohl die PO₄-P-Konzentration im Ablauf Belebungsbecken, als auch die hydraulische Belastung berücksichtigt.

Hierbei sind zwei Betriebszustände zu berücksichtigen:

• Niedrige Hydraulik: In diesem Zustand treten wenig Feinflocken auf, der P_ges-Ablaufwert wird im Wesentlichen durch Orthophosphat bestimmt. Hauptaufgabe der Nachfällung ist die Eliminierung von Phosphat-Spitzen, die durch Frachtstöße hervorgerufen werden. Eine Steuerung nach Online-PO₄-P- Messung ist sinnvoll.
• Hohe Hydraulik: In der Anfangsphase treten viele Feinflocken auf, der P_ges-Ablaufwert wird stark durch partikulären Phosphor bestimmt. Eine Steuerung nach Zuflussmenge ist sinnvoll. Nach einiger Zeit nimmt die Feinflockenmenge wieder ab, auch bei fortbestehendem hohem Zufluss. Es ist jetzt sinnvoll, nach einer empirisch ermittelten Zeitspanne die Dosierung nach Zuflussmenge abzuschalten.

Lösung  mit folgender Steuerung:

• Grunddosierung: Einstellbare Grunddosierung
• Dosierung nach PO₄-P

Bei Überschreiten eines einstellbaren PO₄-P-Wertes aktiviert sich die Zusatzdosierung aktiviert. Sie erfolgt proportional zum PO₄-P-Messwert (Steigung einstellbar) und wird auf die Grunddosierung addiert.

• Dosierung nach Hydraulik

Bei Überschreiten eines einstellbaren Zuflusswertes (vom MID Zufluss) aktiviert sich die Zusatzdosierung nach Hydraulik. Sie erfolgt proportional zum Zuflussmengen-Messwert (Steigung einstellbar) und wird auf die Grunddosierung addiert, sofern der Dosierwert höher ist als der Wert nach PO₄-P. In diesem Fall deaktiviert sich die Dosierung nach PO₄-P-Konzentration. Nach einstellbarer Maximalzeit deaktiviert sich die Dosierung nach Hydraulik und fällt zurück auf die Dosierung nach PO₄-P- Konzentration.

3.2  Nicht fällbarer, gelöster Anteil (Phosphonate)

 Der Anteil nicht fällbarer Phosphonate wird in den meisten Fällen durch Reinigungsmittel (z.B. für Geschirrspülmaschinen) ins Abwasser eingetragen (s. auch Abb.2 – nach Böhler und Siegrist). Auf der Kläranlage Dor- lar besteht aber insoweit ein Sonderfall, als dass Phosphonate zur Fe-Bindung ins Trinkwasser gegeben wer- den müssen, da der im Gemeindegebiet liegende Brunnen Atzbach eisenhaltiges Wasser liefert.

Um den Einfluss der Phosphonat-Zugabe abschätzen zu können, wurde auf der Trinkwasserseite eine semi- quantitative Messreihe von April bis November 2017 durchgeführt, die zeigte, dass die Phosphonatbelastung des Kläranlagenablaufs bei ca. 0,1 – 0,2 mg/l liegt.

4. Ergebnisse, insbesondere Einfluss auf den P_ges-Ablaufwert

 Nach Einführung der Nachfällung und Einsatz von ENTEC Zadial stellt sich die Fraktionierung des Gesamt-P- Gehalts für die Kläranlage Dorlar (in Anlehnung an Abb. 2) jetzt wie folgt dar (Abb. 5) Es haben sich sowohl die Konzentration des gelösten Orthophosphat, als auch des partikulären Phosphors signifikant vermindert.

Nach Durchführung der beschriebenen Maßnahmen wurde beobachtet dass die PO₄-P und P_ges-Ablaufwerte signifikant niedriger lagen. Dies wird auch am Wirkungsgrad der Eliminierung deutlich, der sich von vorher 80 – 90 % auf jetzt 90 – 95 % erhöht hat (Abb. 6). Dabei zeigt sich insbesondere die Wirksamkeit der Regelung nach PO₄-P und Durchfluss bei hoher hydraulischer Belastung. Während früher bei hoher hydraulischer Belastung (dargestellt als geringe Verweilzeit) der Wirkungsgrad auf bis zu 75 % abfiel, ist nach Einführung der entsprechenden Regelung (Dezember 2017) nur ein geringer Abfall zu beobachten.

Phosphateliminierung Wirkungsgrad 01.01.2012 bis 01.01.2024

Abb. 6: Wirkungsgrad der Eliminierung

5. Zusammenfassung und Ausblick

 Durch Zusammenspiel des C-N-P – Verfahrens mit seiner effektiven Phosphateliminierung mit einem intelligent gesteuerten zweiten Dosierpunkt für das Spezialprodukts ENTEC Zadial gelingt die Reduzierung der PO₄-P- und der P_ges-Konzentrationen im Ablauf auf die geforderten Werte. Dies gilt insbesondere auch unter schwierigen Bedingungen wie Phosphonatdosierung im Trinkwasser, Fracht- und Hydraulikstöße.

Durch die Charakteristik des C-N-P –Verfahrens, mit erheblich geringerem Sauerstoffverbrauch und geringe- rer Schlammproduktion, tritt gleichzeitig noch eine Kosteneinsparung ein.

Nach einer längeren Beobachtungsphase wurde dann auf der Kläranlage Dorlar ein zusätzlicher Lagertank für ENTEC Zadial installiert. Dieser und die gesamte Maßnahme wurde über rückerstattete Abwasserabgabe bezahlt.

Trotz dem Erreichen der Ziele werden die Regelparameter auch weiterhin feinjustiert, um potenziell neue Erkenntnisse zu nutzen, und die Ablaufwerte nach Möglichkeit noch weiter zu verbessern.