Die P-Bilanz im kommunalen Abwasser Georg Schwimmbeck, Weilheim

aktuell : 150 l/ (E x d) 12 mg/l Stand: 2/2011 Nach der mechanischen Reinigung Der im Rechengut und im Schlamm der Vorklärung gebundene Phosphor entspricht einer Masse von rund 0,2 g/(E·d) bzw. einem Phosphorgehalt von 1,3 mg/l, der aus dem Abwasser entfernt wird. Bei einer optimalen mechanischen Reinigung (z.B. Siebrechen) kann auch deutlich mehr entfernt werden, wenn das Rechengut nicht in der Kläranlage gewaschen wird.

Nach der biologischen Reinigung (nur Kohlenstoff - Abbau) Bei der biologischen Reinigung im Belebungsbecken werden rund 0,4 g/(E·d) an Phosphor im Überschussschlamm gebunden. Auch bei Tropfkörpern oder Rotationstauchkörpern erfolgt dies in ähnlicher Größe. Damit werden bis zu 2,7 mg/l Pges durch die Stoffwechseltätigkeit der Bakterien aus dem Abwasser entfernt. Höhere Wirkungsgrade sind meist bereits auf eine erhöhte Bio-P-Entnahme zurückzuführen. Nach der biologischen Reinigung mit Denitrifikation und Bio-P Bei einer durch Wechsel von anaerob und aeroben Verhältnissen erreichbaren erhöhten biologischen Phosphor-Entnahme (Bio-P-Verfahren), die auch fast immer in aeroben Schlammstabilisierungsanlagen(mit Denitrifikation) zu beobachten ist, können zusätzlich bis zu 0,8 g/(E·d) an Phosphor mit dem Überschussschlamm entnommen werden. Auf diese Weise senkt sich die Pges-Konzentration um weitere 5,3 mg/l. Bei optimalen Betriebsverhältnissen sind noch größere Verminderungen erreichbar.

Nach der chemischen Fällung Für die chemische Fällung bleibt bei gut funktionierender Bio-P-Elimination nur noch ein geringer Rest an Phosphor übrig. Bei richtiger Anwendung der verschiedenen verfahrenstechnischen Möglichkeiten der Phosphatfällung sind Ablaufkonzentrationen für Pges unter 1,0 mg/l möglich. Es muss allerdings mit einer Zunahme der Schlammenge zwischen 20 und 30 % gerechnet werden. Mit einer Flockungsfiltration sowie Membrananlagen können Ablaufwerte unter 0,3 mg/l erreicht werden. Gesamtphosphor im Ablauf Nach den Anforderungswerten der Abwasserverordnung (AbwV) müssen Kläranlagen über 10.000 EW Ausbaugröße eine Ablaufkonzentration für Pges von 2 mg/l einhalten. Für Anlagen mit einer Ausbaugröße über 100.000 EW liegt dieser Wert bei 1 mg/l. Im Einzelfall können auf Grund der örtlichen Gegebenheiten auch strengere Überwachungswerte behördlich festgesetzt werden.

12 mg/l ?

Grundlagen der biologischen P-Elimination Phosphat ist ein essentieller Nährstoff für Bakterien Nährstoffverhältnis BSB5 : N : P = 100 : 5 : 1 Phosphat kann auch vermehrt durch bestimmte Bakterien- arten als Polyphosphat aufgenommen werden (Bio-P) statt 1 - 2 % P/ g TS 2,5 – 3,5 % P/ g TS in techn. KA Durch entspr. Betriebsführung (lfd. Wechsel von aeroben und anaeroben Phasen) kann eine Anreicherung der polyphosphatspeichernden Bakterien erzielt werden !

Voraussetzungen für die Bio-P-Elimination ausreichend lange Aufenthaltszeit im Anaerobteil optimale Zeit liegt bei 1 – 1,5 Stunden für Qt,max + RLS genügend leicht abbaubares Substrat im Zulauf der AN-Zone ideal sind organische Säuren in einer Größenordnung von 50-100 mg/l möglichst wenig Nitrat (= Sauerstoffträger) im Zulauf und RLS Konzentration sollte ca. 5 (max. 10) mg/l nicht überschreiten ausreichende ÜSS-Produktion zur Entfernung des gespeich. P Verhältnis zwischen Phosphor zum BSB5 im Zulauf zur Biologie sollte kleiner als 0,03 betragen

Einflußfaktoren für die Bio-P-Elimination Gehalt an leicht abbaubaren Kohlenstoffverbindungen: - pro 100 mg/l organischer Säuren rd. 3-4 mg/l P-Bindung Temperatur - bei Erhöhung von 10° auf 20°C rd. 30%iger Wirkungsanstieg Nitrateinträge in die anaerobe Zone - pro 1 mg NO3-N/l Eintrag Verminderung um rd. 0,1 mg P/l Kontaktzeit in der anaeroben Zone > 0,5 bis 2 Stunden Fremdwasser- und Mischwasserzuflüsse bewirken Minderung

Berechnung der einzelnen Anteile der P-Elimination CP,Z = XP,VK + X P,BM + X P,Bio-P + XP,Fäll + XP,nV + CP,A mit: CP,Z [g/m³] Konzentration von Pges im Zulauf XP,VK [g/m³] durch Vorklärung eliminierter Phosphor XP,BM [g/m³] Phosphor zum Zellaufbau der heterotrophen Biomasse XP,Bio-P [g/m³] durch erhöhte biologische P-Elimination entfernter Phosphor XP,Fäll [g/m³] durch chemische Fällung eliminierter Phosphor XP,nV [g/m³] durch nachfolgende Verfahren eliminierter Phosphor CP,A [g/m³] Konzentration von Pges im Ablauf der Kläranlage

Die Phosphorbilanz in der kommunalen Abwasserreinigung Zulauf Ablauf VK Ablauf NK/Zulauf Filter Gewässer CP,AN CP,A XP,nV rd . 1,0 mg/l rd. 0,5 mg/l ggf. CP,Z = Elimination über Filterrückspülung 1,8 g P/Exd ca. 12 mg/l X P,Bio-P + XP,Fäll - 1 g/d = 6,5 mg/l rd. 55 % - 0,4 g/d = 2,7 mg/l rd. 20 – 25 % X P,BM Elimination über Überschußschlamm aus der Bio-P und Fällungsschlamm - 0,2 g/d = 1,3 mg/l rd. 10 % XP,VK ggf. Elimination über Primärschlamm Elimination über Überschuß-schlamm aus der Assimilation

Berechnung der einzelnen Anteile der P-Elimination CP,Z = XP,VK + X P,BM + X P,Bio-P + XP,Fäll + XP,nV + CP,A Die Aufteilung des der biologischen Stufe zugeführten Phosphors CP,ZB auf die zuvor beschriebenen Anteile und die Einbeziehung der P-Konzentration im Ablauf CP,A lässt sich wie folgt darstellen: CP,Z - XP,VK = CP,ZB = X P,BM + X P,Bio-P + XP,Fäll + XP,nV + CP,A Meßwert Meßwert Meßwert Meßwert

Berechnung der einzelnen Anteile der P-Elimination Bei der Entfernung von Phosphor auf biologischem Weg ist zu unterscheiden zwischen: dem Einbau des Phosphors in die Mikroorganismen, entsprechend dem Phosphorbedarf für den Zellaufbau Eine Abschätzung dieses Anteils XP,BM kann unter Bezugnahme auf die BSB5- oder CSB-Konzentration im Zulauf zur Belebung erfolgen: XP,BM = 0,01 · CBSB,ZB = 0,005 · CCSB,ZB [g/m³] sowie der Speicherung von Phosphor in den Mikroorganismen als Polyphosphat (vermehrte biologische P-Elimination, auch als Bio-P bezeichnet) Eine Abschätzung des XP,Bio-P - Anteils ist wegen der vielen Einflußfaktoren nur mit einem für die Praxis ungeeignetem Berechnungsmodell möglich!

Berechnung der einzelnen Anteile der P-Elimination Hinsichtlich des Beitrags der chemischen P-Elimination ist zu berücksichtigen, daß das Fällmittel bei der Simultanfällung für die Zeit eines Schlammalters in der Belebungsstufe verbleibt. Dadurch ist eine weitestgehende Ausnutzung des Fällmittels gewährleistet. Somit kann angenommen werden, dass dieses in erster Näherung zu 100 % zur Phosphatfällung beiträgt; insbesondere wenn die als Nebenreaktionen stattfindende Metallhydroxidfällung und damit die Mitfällung und Adsorption von partikulärem Phosphor als in positivem Sinne auftretende Effekte ebenfalls in Ansatz gebracht werden. Nach dieser Festlegung wird bei der Dosierung von einem Mol Me (Fe/Al) ein Mol P gebunden, d. h. das molare Verhältnis ßFäll beträgt 1. Es ergibt sich der (maximal) durch Fällung eliminierbare Phosphoranteil XP,Fäll zu: [mol/mol] [g/m³]

Berechnung der einzelnen Anteile der P-Elimination CP,ZB = X P,BM + X P,Bio-P + XP,Fäll + XP,nV + CP,A Meßwert Rechen-wert aus BSB5/CSB ? Rechen-wert aus FM-Zugabe Meßwert Meßwert Auf Basis der gemessenen Zu- und Ablaufwerte und bei Festlegung ßFäll = 1 kann aus der Bilanzierung der P-Anteile der Anteil der vermehrten biologischen P-Elimination XP,Bio-P abgeschätzt werden: X P,Bio-P = CP,ZB - X P,BM - XP,Fäll - XP,nV - CP,A Diese Bilanzierungsanteile lassen sich in Form von Säulendiagrammen sehr anschaulich darstellen !

Beispiel für eine Kläranlage mit Bio-P-Elimination und Flockungsfiltration

Berechnung der einzelnen Anteile der P-Elimination Bei der Ermittlung nach der angegebenen Gleichung kann der Fall eintreten, dass sich für XP,Bio-P negative Werte errechnen. Das bedeutet, dass entsprechend der Fällmittelzugabe kein Anteil für die vermehrte biologische P-Elimination übrig bleibt und mit einem ß-Verhältnis ≥ 1 dosiert wurde. In diesen Fällen ist für XP,Bio-P = 0 anzusetzen. Damit ergibt sich: CP,ZB = X P,BM - 0 - XP,Fäll - CP,AN XP,Fäll = CP,ZB - X P,BM - CP,AN Für die Zeiträume, in denen XP,BioP = 0 ist, lässt sich demnach ein ßFäll ≥ 1 berechnen und

Beispiel für eine Kläranlage mit Denitrifikation ohne Bio-P-Verfahren

Beispiel für eine Kläranlage mit Denitrifikation ohne Bio-P-Verfahren ≥

Berechnungsansatz der Bio-P-Elimination nach A 131 Das Ausmaß der vermehrten biologischen P-Elimination ist neben der Abwassertemperatur vor allem von der Konzentration leicht abbaubarer organischer Kohlenstoffverbindungen im Abwasser abhängig. Die vermehrte biologische P-Elimination XP,Bio-P kann demzufolge in Abhängigkeit von der BSB5-Konzentration im Zulauf zur Belebung abgeschätzt werden: XP,Bio-P = fP,Bio-P · CBSB,ZB [g/m³] Der Faktor fP,Bio-P wird von den verfahrenstechnischen Rahmenbedingungen beeinflusst. Bei üblicher Zusammensetzung von kommunalem Abwasser können nach dem Arbeitsblatt ATV-DVWK-A 131 (Mai 2000) folgende Werte angenommen werden: bei vorgeschaltetem Anaerobbecken: fP,Bio-P = 1,0 bis 1,5 % bei Denitrifikation: fP,Bio-P ≤ 0,5 % Mit dem für eine Kläranlage berechneten Faktor fP,Bio-P kann die Leistungsfähigkeit der vermehrten Bio-P- Elimination bewertet und mit den Ansätzen im A 131 verglichen werden

Beispiel für eine Kläranlage mit Denitrifikation ohne Bio-P-Verfahren

Excel-Arbeitshilfe zur Berechnung der P-Anteile und wichtiger Kennzahlen im Zusammenhang mit der Phosphorelimination Form der Dateneingabetabelle für die Frachten

Beispiel für einen Teil der Berechnungstabelle

Aus DWA-Leistungsvergleich kommunaler Kläranlagen 2009 „Phosphor im Mittelpunkt“