Verfügbarkeit: Das SBR-Membranbelebungsverfahren

Das SBR-Membranbelebungsverfahren:

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Bibliographische Detailangaben
1. Verfasser:	Krampe, Jörg (VerfasserIn)
Format:	Abschlussarbeit Buch
Sprache:	German
Veröffentlicht:	München Oldenbourg-Industrieverl. 2001
Schriftenreihe:	Stuttgarter Berichte zur Siedlungswasserwirtschaft 163
Schlagworte:	SBR-Verfahren Membranverfahren Batchreaktor Belebtschlammverfahren Hochschulschrift
Online-Zugang:	Inhaltsverzeichnis
Beschreibung:	189 S. Ill., graph. Darst.
ISBN:	3486265245

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adam_text	Titel: Das SBR-Membranbelebungsverfahren Autor: Krampe, Jörg Jahr: 2001 Inhaltsverzeichnis Inhaltsverzeichnis Abbildungsverzeichnis 11 Tabellenverzeichnis 15 Symbolverzeichnis 17 1 Einleitung 20 2 Grundlagen des SBR-Membranbelebungsverfahrens 22 2.1 Das SBR-Verfahren 22 2.1.1 Beschreibung des Verfahrens 22 2.1.2 Geschichtliche Entwicklung und aktueller Stand 24 2.1.3 Reaktionskinetische Grundlagen 25 2.1.4 Verfahrens-und Betriebsweisen 30 2.1.5 Bemessung von SBR-Anlagen 30 2.1.5.1 Allgemeines 30 2.1.5.2 Bemessung nach ATV und Kayser 31 2.1.5.3 Bemessung nach Öles 33 2.1.5.4 Bemessung über die erforderlichen Reaktionszeiten 37 2.2 Das Membranbelebungsverfahren 44 2.2.1 Beschreibung des Verfahrens 44 2.2.2 Geschichtliche Entwicklung und aktueller Stand 45 2.2.3 Grundlagen der Membrantechnik 47 2.2.3.1 Allgemeines 47 2.2.3.2 Trenngrenzen und Triebkräfte 47 2.2.3.3 Betriebswesen der Membranfiltration 48 2.2.3.4 Begriffedefinitionen 49 2.2.3.5 Membran- und Modulkonstruktionen 52 2.2.4 Besonderheiten bei der Bemessung von Membranbelebungsanlagen 54 2.2.4.1 Neue Ansätze zur Bemessung des biologischen Reaktors 54 2.2.4.2 Problematik hoher Sauerstoffgehalte in Membranreaktoren im Hinblick auf die Denitrifikation 55 2.2.4.3 Problematik des Sauerstoffeintrags bei hohen Feststoffgehalten 56 2.2.4.4 Zusammenhang zwischen der Temperatur des belebten Schlammes und dem Membranfluss 60 2.2.4.5 Qualitätsanforderungen an Abwasser zur Wiederverwendung 63 Inhaltsverzeichnis 2.3 Betrieb einer Membranbelebungsanlage als Sequencing Baten Reaktor 65 2.3.1 Allgemeines 65 2.3.2 Effekte durch die Kombination der Verfahren 69 2.3.3 Bemessung von SBR-Membranbelebungsanlagen 70 3 Zielsetzung der Arbeit 74 4 Versuchsaufbau und Versuchsdurchführung 75 4.1 Versuche mit einer SBR-Membranbelebungsanlage 75 4.1.1 Die halbtechnische Versuchsanlage 75 4.1.1.1 Allgemeines 75 4.1.1.2 Kenndaten des verwendeten Membranmoduls 76 4.1.1.3 Umwälzung 77 4.1.2 Beschreibung der Analytik 77 4.1.2.1 Online-Analytik 77 4.1.2.2 Standardanalytik 78 4.1.2.3 Intensivmessphasen 80 4.1.3 Darstellung des Simulationsmodells 81 4.1.4 Beschreibung der Versuchsabschnitte und deren Zielsetzung °* 4.2 Sauerstoffzufuhrversuche °* 4.2.1 Voruntersuchungen 4.2.2 Der Versuchsreaktor M 4.2.2.1 Allgemeines ö4 4.2.2.2 Belüftungs- und Umwälzeinrichtungen m 4.2.3 Analytik 9° 4.2.4 Kennzahlen zur Beschreibung des Stoffübergangs 93 4.2.4.1 Ermittlung des Leistungsbedarfs der verwendeten Q, Aggregate 4.2.4.2 Ermittlung der Leistungsdichte im Reaktor ^ 4.2.4.3 Kennzahlen zur Beschreibung der grundlegenden _- Zusammenhänge des Sauerstofftransports w 4.2.5 Beschreibung der Versuchsabschnitte und deren ., Zielsetzung a 4.3 Versuche zum Temperatureinfluss auf den Membrarrfluss 4.3.1 Die Versuchsanlage * 4.3.2 Beschreibung der Versuche und deren Zielsetzung Inhaltsverzeichnis 5 Darstellung und Diskussion der Ergebnisse 100 5.1 Ergebnisse der SBR-Membranbelebungsanlage 100 5.1.1 Reinigungsleistung der Biologie 100 5.1.1.1 Allgemeines 100 5.1.1.2 Zulauf- und Betriebsparameter 100 5.1.1.3 Kohlenstoffelimination 104 5.1.1.4 Stickstoffelimination 105 5.1.2 Hydraulische Leistungsfähigkeit des Membranmoduls 110 5.1.3 Keimrückhalt 112 5.1.4 Dynamische Simulation der Versuchsanlage 116 5.1.4.1 Einfahren des Anlagenmodells 116 5.1.4.2 Standardparametersatz 117 5.1.4.3 Parametersatz von Öles 122 5.1.4.4 Vergleichende Betrachtung auf Basis statistischer Kennwerte 126 5.1.5 Umsatzgeschwindigkeiten und Reaktionszeiten 130 5.1.5.1 Allgemeines 130 5.1.5.2 Nitrifikation 130 5.1.5.3 Denitrifikation 132 5.1.6 Hinweise zum Betrieb von SBR-Membranbetebungs- anlagen 134 5.2 Ergebnisse der Sauerstoffzufuhrversuche 136 5.2.1 Allgemeines 136 5.2.2 Einfluss der Schlammeigenschaften auf den Stoffübergang 136 5.2.2.1 Vergleichende Betrachtung der Schlammanalytik 136 5.2.2.2 Gegenüberstellung der Ergebnisse der Schlammanalytik und der Sauerstofrzufuhrversucne 145 5.2.3 Einfluss des Belüftungssystems auf den Stoffübergang 150 5.2.3.1 Allgemeines 150 5.2.3.2 Einfluss auf den Grenzflächenfaktor (a-Wert) 151 5.2.3.3 Einfluss auf den Belüftungskoeffizienten (kia») 152 5.2.3.4 Einfluss auf die Sauerstoffzufuhr (OC) 157 5.2.3.5 Einfluss auf den Sauerstoffertrag (OP) 158 5.2.3.6 Hinweise zur Auswahl des Belüftungssystems 160 5.3 Ergebnisse zum Temperatureinfluss auf den Memoranftuss 161 10_______________________________________________ Inhaltsverzeichnis 6 Kriterien zum Einsatz des SBR-Membranbelebungs- verfahrens 163 6.1 Allgemeines 163 6.2 Betriebliche Auswahlkriterien 163 6.3 Wirtschaftliche Auswahlkriterien 165 7 Zusammenfassung 168 8 Literaturverzeichnis 172 Anhang 186 Verzeichnis der Schriftenreihe 190 Stuttgarter Berichte zur Siedlungswasserwirtschaft Abbildungsverzeichnis Abbildunqsverzeichnis Bild 1: Beispielhafter Zyklus des SBR-Verfahrens (nach ATV. 1997a) 23 Bild 2: Verlauf der Substratkonzentration im Reaktor über die Zykluszeit beim SBR-Verfahren (nach Nyhuis, 1996) 26 Bild 3: Unterschiedliche Wachstumsraten zweier Organismen in Abhängig- keit von der Substratkonzentration (nach Chudoba et al., 1973) 27 Bild 4: Einfluss der Füllstrategie auf den anfänglichen Konzentrations- anstieg im SBR (nach Wilderer und Morgenroth, 1997) 28 Bild 5: Gegenüberstellung des Verhältnisses Vd/Vbb nach ATV-DVWK- A 131 und Kayser hinsichtlich der DN-Kapazität für die aerobe Stabilisation bei 10 °C und vorgeschalteter Denitrifikation 33 Bild 6: Denitrifikationsgeschwindigkeit bezogen auf die Abnahme des NO3-N in Abhängigkeit von der Temperatur und der Kohlenstoffquelle (nach Henze und Bundgaard, 1982) 41 Bild 7: Leistungsumfang des Membranbelebungsverfahrens im Vergleich zu einer konventionellen Anlage (Günder, 1998) 45 Bild 8: Übersicht über die Trenngrenzen und Druckbereiche der verschiedenen Membranverfahren 48 Bild 9: Gegenüberstellung von Dead-end- und Crossflow- Filtration (Günder, 1999a) 49 Bild 10: Begriffsbestimmungen bei der Crossftow-Filtratjon 49 Bild 11: Prinzip der Deckschichtbildung bei einer Crossftow-Filtration mit konstantem Transmembrandruck (nach Ripperger und Altmann, 1997) 51 Bild 12: cc-Wert in Abhängigkeit vom Feststoffgehalt bei verschiedenen Materialien (nach Casey und Karmo, 1973) 58 Bild 13: Vergleich verschiedener Ansätze zur Temperatumorrnierung bei Membranprozessen 62 Bild 14: Modifizierter Zyklus beim SBR-Membranbelebungsverfahren 67 Bild 15: Qualitativer Zusammenhang zwischen Austauschverhältnis, t/fe und t\|dn 68 Bild 16: Schematische Darstellung der Versuchsanlage 75 Bild 17: Darstellung der verwendeten Hohlfasermembranen 76 Bild 18: Der SBR-Bkx* des Programms SIMBA 81 Bild 19: Graphische Darstellung der SBR-Anlage in SIMBA 82 Bild 20: Schematischer Aufbau des Versuchsreaktors 85 Bild 21: Schematische Darstellung des verwendeten Injektors (nach Körting, 2000) 88 Bild 22: Unmaßstäbliche Zeichnung des verwendeten Rührers der Firma Turbo Rührwerke (Turbo, 2000) 89 Bild 23: Messkopf des CST-Gerates (nach ATV, 1992) 91 Bild 24: Darstellung des Versuchsreaktors für die Versuche zum Temperatureinfluss 98 •J2_________________________________________________Abbitöungsverzetohnis Bild 25: Vergleich der gemessenen Überschussschlammproduktion mit verschiedenen Ansätzen zu deren Berechnung u* Bild 26: Einfluss der Regelung auf die Stickstoffelimination 106 Bild 27: Vergleich der Messwerte mit verschiedenen Ansätzen zur Ermittlung von Vd/Vbb aus der DN-Kapazität 1U Bild 28: Ncg-Konzentration im Ablauf der Versuchsanlage 107 Bild 29: Darstellung der maximalen NH4-N und NOvN-Konzentrationen für einen Zyklus im Versuchsabschnitt fA = 0,2 geregelt i ° Bild 30: Verlängerter Denitrifikationszyklus für die Sonderuntersuchung zur Hydrolyse 109 Bild 31: Darstellung der hydraulisch relevanten Parameter 111 Bild 32: Wechsel zwischen membran- und deckschichtkontrollierter Fittrafen während der Einfahrphase 1 Bild 33: Entwicklung des Keimgehalts einer Permeatprobe 116 Bild 34: Gemessene und simulierte NhVN-Konzentration im Reaktor für vier aufeinanderfolgende Zyklen Bild 35: Gemessene und simulierte NH4-N-Konzentration der ersten Zyklusprofilmessung 1/u Bild 36: Gemessene und simulierte NOx-N-Konzentration für vier aufeinanderfolgende Zyklen * Bild 37: Gemessene und simulierte NH4-N- und NOvN-Konzentration der ersten Zyklusprofilmessung 1Ä Bild 38: Gemessener und berechneter NKU-N-Konzentrationsverlauf ,. während der Intensivmessphase * Bild 39: Gemessener und berechneter NO,rN-Konzentrationsverlauf fi während der Intensivmessphase lm Bild 40: Regressionsanalyse und Standardabweichung der NOy-N- _7 Konzentration für die Simulation mit dem Standardparametersatz * Bild 41: Regressionsanalyse und Standardabweichung der NH.-N- .,„ Konzentration für die Simulation mit dem Standardparametersatz 1ZÖ Bild 42: Regressionsanalyse und Standardabweichung der NK.-N- Konzentration für die Simulation mit dem für SBR-Anlagen ermittelte Parametersatz 1ZB Bild 43: Regressionsanalyse und Standardabweichung der NO«-N- Konzentraöon für die Simulation mit dem für SBR-Anlagen ermittelte Parametersatz 129 Bild 44: Vergleich der gerechneten mit den gemessenen Nitrfflkationszeiten (aus Tagesmittelwerten) 1J Bild 45: Vergleich einzelner gemessener NMfikationszyWen mit den „ jeweiligen gerechneten Verläufen 13Z Bild 46: Vergleich 133 Verläufen (Xw nach HSG 89 und 93) ^g^r«sDerrttrlf die Vorgabe einer 2. Randbedingung (Oz,(t=i Bild 48: Schematiscne DarsteBur^ der Kon*iaöon mehrerer Setpiencfcig Batch Reaktoren mit einer Membraneinheit Abbildungsverzeichnis Bild 49: Fließkurve von Wasser (Messung mit konzentrischem Doppelspalt- zylinder) und Auftreten der Taylor-Wirbelströmung (nach Heritage, 1995) 137 Bild 50: Vergleich der nach der korrigierten Auswertung errechneten Schubspannungs- und Viskositätveriäufe mit den ursprünglich gemessenen Kurven 138 Bild 51: Zusammenhang zwischen den errechneten repräsentativen Viskositäten und dem Trockensubstanzgehalt sowie Vergleich mit den von Günder (1999b) ermittelten Werten 139 Bild 52: Lichtmikroskopische Bilder der Schlämme Darmstadt (links) und Eberbach (rechts) bei 100-facher Vergrößerung 140 Bild 53: Zusammenhang zwischen den gemessenen CST-Werten und dem Trockensubstanzgehalt 141 Bild 54: Zusammenhang zwischen der repräsentativen Viskosität und dem CST-Wert 142 Bild 55: Vergleich zwischen Polymergehalt und EPS-Summe 143 Bild 56: Der Zusammenhang zwischen spez. CST-Wert und Polymergehalt im Vergleich zu den Ergebnissen von Houghton et al. (2000) 144 Bild 57: Zusammenhang zwischen Polymergehalt und der repräsentativen Viskosität 145 Bild 58: Gegenüberstellung der ermittelten a-Werte für die Dom- und Injektor-Belüftung und der Trockensubstanzgehalte 146 Bild 59: Zusammenhang zwischen repräsentativer Viskosität bei einer Scherrate von 40 1/s und den ermittelten «-Werten 147 Bild 60: Zusammenhang zwischen repräsentativer Viskosität bei einer Scherrate von 80 1/s und den ermittelten a-Werten 148 Bild 61: Zusammenhang zwischen dem Polymergehalt und den ermittelten a-Werten 149 Bild 62: a-Werte für verschiedene Belüftungssysteme in Abhängigkeit vom Feststoffgehalt 151 Bild 63: kiaarWerte für verschiedene Belüftungssysteme in Abhängigkeit vom Feststoffgehalt 152 Bild 64: k\|.a2(rWerte verschiedener Belüftungssysteme für Reinwasser in Abhängigkeit von P/V und v 153 Bild 65: Sorptions-Charakteristiken für Reinwasser nach Henzler (1982) und Darstellung der eigenen Resultate. Für Literaturangaben im Bild siehe die Originalarbeit 154 Bild 66: Sorptions-Charakteristiken für nicht-Newtonsche Flüssigkeiten und Wasser nach Henzler (1982) und Darstellung der eigenen Resultate 155 Bild 67: Sorptions-Charakteristik der gesamten Versuchsergebnisse nach dem allgemeinen Potenzansatz und Resultate von Grohmann (1993) 156 Bild 68: Vergleich der eigenen Ergebnisse der Reinwasserversuche mit Dombelüfter und Rührwerk mit den Resultaten von Grohmann (1993) 157 Bild 69: Sauerstoffzufuhr der verschiedenen Belüftungssysteme in Abhängigkeit vom Feststoffgehalt 158 J4______________________________________________Abbildungsverzeichnis Bild 70: Ertrag der verschiedenen Belüftungssysteme in Abhängigkeit vom Feststoffgehart 159 Bild 71: Ergebnis des Temperaturversuchs bei einem Feststoffgehalt von 5 g/l 161 Bild 72: Ergebnis des Temperaturversuchs bei einem Feststoffgehalt von 24g/l 162 Tabellenverzeichnis Tabellenverzeichnis Tabelle 1: Vergleich zwischen erforderlichem Austauschverhältnis und erforderlichem Rückführverhältnis für verschieden maximale ON-Wirkungsgrade 29 Tabelle 2: Prozesskinetik und Stöchiometrie des ASM 1 36 Tabelle 3: Gegenüberstellung der relevanten Größen für das heterotrophe Wachstum nach HSG 89 und 93. 43 Tabelle 4: Zusammenstellung der spezifischen Membranfläche für verschiedene getauchte Systeme 53 Tabelle 5: Vergleich der Ansätze zur Temperatumormierung von Sourirajan (1970) und Huisman (1996) 62 Tabelle 6: Leit- und Grenzwerte der EG Badegewässerrichtlinie (76/160/EWG, Auszug) 63 Tabelle 7: Hygienisch-mikrobiologische Klassifizierung und Anwendung von Bewässerungswasser (DIN 19650,1999) 64 Tabelle 8: SBR-Membranbelebungsanlagen mit interner und externer Membrananordnung 66 Tabelle 9: Messgeräte und Messintervalle für die Online-Anatytk 78 Tabelle 10: Analysenplan für den gesamten Versuchszeitraum 79 Tabelle 11: Zusammenstellung der einzelnen Versuchsabschnitte 83 Tabelle 12: Dauer der einzelnen Versuchsabschnitte und Anzahl der Tage mit Regenwetter innerhalb der Abschnitte 100 Tabelle 13: Zusammenstellung der wesentlichen Zulaufgrößen 101 Tabelle 14: Zusammenstellung der wesentlichen Betriebsgrößen 101 Tabelle 15: Rechnerische Fraktionierung des belebten Schlammes nach HSG 89 103 Tabelle 16: Ergebnisse der Versuche zum Stabilisierungsgrad 104 Tabelle 17: Mittlere CSB Ablaufkonzentrationen sowie Eliminationsraten 104 Tabelle 18: Mittlere Ablaufkonzentrationen der Stickstoffparameter, ON- Kapazität sowie Eliminationsraten 105 Tabelle 19: Hydrolysegeschwindigkeitskonstanten bei 20 °C [g NH3-N/(g TKN h)] (nach Henze und MladenovsW (1991)) 109 Tabelle 20: Ergebnisse der Keimanalytik im Ablauf der SBR-Anlage 113 Tabelle 21: Zusammenstellung der Keimbelastung an verschiedenen Probenahmestelten 114 Tabelle 22: Zykluszeiten und Austauschverhältnisse bis zur Intensivmessphase 117 Tabelle 23: Für die Simulationsrechnung verwendete Parameter des Programms SIMBA 118 Tabelle 24: Zusammenstellung der von Öles (1991a) experimentell bestimmten Parameter und Standardparameter entsprechend ifak(1998) 123 16_________________________________________________Tabellenverzeichnis Tabelle 25: Nicht experimentell bestimmte Parameterwerte 124 Tabelle 26: Zusätzliche Parameter 125 Tabelle 27: Mittlere Standardabweichung für NCVN und NH4-N für die verschiedenen Parametersätze 1iS Tabelle 28: Zusammenstellung und Herkunftsbeschreibung der untersuchten belebten Schlämme ¦ Tabelle 29: Kriterienkatalog der betrieblichen Unterschiede 165 Tabelle 30: Einfluss der Mikrofiltration auf die Membranwechselkosten einer nachgeschalteten Nanoffflration (NF) lb
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