Das SBR-Membranbelebungsverfahren:
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| Format: | Thesis Book |
| Language: | German |
| Published: |
München
Oldenbourg-Industrieverl.
2001
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| Series: | Stuttgarter Berichte zur Siedlungswasserwirtschaft
163 |
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| Online Access: | Inhaltsverzeichnis |
| Physical Description: | 189 S. Ill., graph. Darst. |
| ISBN: | 3486265245 |
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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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| discipline | Allgemeines Umwelt |
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