MBBR-AAO vs. Bardenpho Retrofit: TN-Entfernungsleistung und Vergleich

MBBR-basiertes AAO vs. Bardenpho: Vergleich der Nachrüstleistung

 

DERÜbersicht

Da Regierungen weltweit ihre Wasserumweltpolitik kontinuierlich verbessern und die Bemühungen zur Schadstoffbekämpfung verstärken, werden auch die Abwassernormen angehoben. Um hohe Emissionsstandards zu erreichen, ist es entscheidend, die Zielwerte für Ammoniakstickstoff und Gesamtstickstoff (TN) zu erreichen. Dies erfordert entweder eine Kapazitätsreduzierung/-erweiterung oder die Verbesserung sekundärer biologischer Behandlungsanlagen vor Ort. Da die meisten Abwässer Kläranlagen Da Kläranlagen nur begrenzt Platz für Erweiterungen haben, sind In-situ-Verbesserungstechnologien für die biologische Behandlung zu einer der wirksamsten Lösungen geworden.

 

Derzeit nutzen die meisten Kläranlagen Belebtschlammverfahren, darunter AAO (Anaerobic-Anoxic-Oxic) und deren Varianten, Oxidationsgräben, SBR (Sequencing Batch Reactor) und deren Derivate. Diese Verfahren können jedoch hohe Emissionsstandards nur schwer dauerhaft und stabil erfüllen und müssen daher mit anderen Technologien kombiniert werden, um die immer strengeren Vorschriften einzuhalten. Die Bewegliches Bett Biofilmreaktor (MBBR)ist eine der geeignetsten Lösungen.

 

Der Kern der MBBR-Technologie besteht in der Zugabe von suspendierten Trägern zur biologischen Behandlungseinheit, auf denen sich ein anhaftender Biofilm bildet, der die Schadstoffentfernung verbessert. Dieser Nachrüstansatz folgt einer „eingebetteten“ Philosophie und bewahrt die ursprüngliche Prozesskonfiguration. Seit der erfolgreichen Umsetzung des ersten groß angelegten MBBR-Projekts in der Kläranlage Wuxi Lucun hat sich diese Technologie zu einer der gängigsten Lösungen für Anlagenmodernisierungen entwickelt.

 

Der Hauptvorteil von MBBR liegt in seiner Fähigkeit, nitrifizierende Bakterien effizient zu beherbergen. Dadurch ist es hochwirksam bei der Ammoniak-Stickstoffentfernung, unabhängig von der Klasse 1A oder sogar strengeren Standards. Zur Entfernung von Ammoniakstickstoff nutzt MBBR seine verbesserte Nitrifikationsfähigkeit, um das Volumen der aeroben Zone zu reduzieren, die anoxische Zone zu erweitern und die hydraulische Verweilzeit (HRT) in der anoxischen Zone zu verlängern, wodurch die Denitrifikation verbessert wird.

In konventionellen Verfahren wie AAODie TN-Entfernung beruht vollständig auf der Rückführung. Höhere Abwasserstandards erfordern höhere Entfernungsraten, was zu höheren Rückführungsraten und folglich einem höheren Energie- und Chemikalienverbrauch führt. Während AAO die Standards der Klasse 1A erfüllen kann, ist es für strengere TN-Grenzwerte unzureichend. Die BardenphoDer Bardenpho-Prozess, ein fünfstufiges System, überwindet die Rezirkulationsbeschränkung durch die Hinzufügung einer Nach-Denitrifikationszone nach dem AAO-Prozess, wodurch die Stickstoffentfernung deutlich verbessert wird. Angesichts der strengeren TN-Ableitungsstandards hat Bardenpho bemerkenswerte Vorteile gezeigt.

 

Traditionelles Bardenpho, das auf Belebtschlamm basiert, weist lange Prozessketten und einen großen Platzbedarf auf. Aufgrund weniger strenger Abwasseranforderungen war seine Anwendung in der Vergangenheit eingeschränkt. Die Einführung der MBBR-Technologie ermöglicht nun jedoch die In-situ-Implementierung von MBBR-basierten Bardenpho-Prozessen in biologischen Behandlungsanlagen.

 

Durch die Aufrüstung mit der MBBR-Technologie kann durch Hinzufügen einer präanoxischen Zone ein AAO-Prozess oder durch Einbeziehung einer postanoxischen Zone ein Bardenpho-Prozess geschaffen werden.

 

Diese Studie untersucht eine Kläranlage in Nordchina, wo sowohl MBBR-verstärkte AAO- als auch Bardenpho-Prozesse (MBBR-AAO bzw. MBBR-Bardenpho) für schrittweise Modernisierungen implementiert wurden. Eine vergleichende Analyse ihrer Betriebsleistung wird durchgeführt, um Erkenntnisse für zukünftige Anlagennachrüstungen zu gewinnen.

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Projekthintergrund

Die erste Phase dieser Kläranlage wurde 1997 mit einer Behandlungskapazität von 80.000 m³/Tag errichtet und in Betrieb genommen. Sie verwendete das VIP-Verfahren (Virginia Initiate Plant) und erfüllte die Sekundäreinleitungsstandards des „Integrated Wastewater Discharge Standard“ (GB 8978-1996). Während die tatsächliche Abwasserqualität mit Ausnahme von TN und TP im Allgemeinen den Standards der Klasse 1B von GB 18918-2002 entsprach, überschritt die NH₄⁺-N-Konzentration im Winterbetrieb (2-3 Monate), wenn die Zulauftemperatur unter 13 °C fiel, gelegentlich die Sekundärstandards von GB 8978-1996.

 

Im Jahr 2010 wurde die Anlage modernisiert, um die Anforderungen der Klasse 1A der GB 18918-2002 für Ammoniak, Stickstoff und organische Stoffe zu erfüllen. Eine konventionelle biologische Behandlung hätte eine Erweiterung der Tanks erfordert, doch rund um die Anlage war kein Land verfügbar, und der begrenzte Platz vor Ort reichte nicht für eine solche Erweiterung. Daher konzentrierte sich die Modernisierung auf die Verbesserung der Behandlungskapazität der vorhandenen biologischen Tanks. Nach Prüfung verschiedener Optionen entschied man sich schließlich für das MBBR-Verfahren. Die Nachrüstung umfasste:

 

• Erhöhung des Volumens der präanoxischen Zone
• Reduzierung des aeroben Zonenvolumens
• Hinzufügen von Schwebstoffträgern in teilweise aeroben Zonen, um MBBR-Zonen für eine verbesserte Schadstoffentfernung zu schaffen

 

Der konkrete Prozessablauf ist in Abbildung 1(a) und (b).

Im Jahr 2015 wurden weitere Upgrades implementiert, um:

 

1. Erreichen Sie umfassende Konformität mit den Standards der Klasse 1A und behalten Sie gleichzeitig das Potenzial, die Standards für Oberflächenwasser der Quasi-Klasse IV zu erfüllen.
2. Erhöhung der Behandlungskapazität um 19 % (von 80.000 auf 95.000 m³/d) aufgrund der schnellen regionalen Wirtschaftsentwicklung

 

Zu den wichtigsten Herausforderungen gehörten:

 

1. Strenge Abwasseranforderungen erfordern eine hervorragende Behandlungsleistung, insbesondere in biologischen Systemen
2. Kapazitätserweiterung ohne verfügbares Bauland
3. TN-Entfernung erfordert einen Wirkungsgrad von >82 % – herkömmliche Ansätze würden ein Rückführungsverhältnis von 500 % erfordern, was zu einem hohen Energieverbrauch und Kohlenstoffquellenabfällen in anoxischen Zonen aufgrund übermäßiger DO-Verschleppung führen würde

 

• Nach einer technischen Evaluierung wurde das MBBR-Bardenpho-Verfahren übernommen. Zu den Modifikationen gehörten:
• Umwandlung eines Teils der aeroben Zone in postanoxische und postaerobe Zonen, um die TN-Konformität sicherzustellen
• Weitere Reduzierung des aeroben Volumens bei gleichzeitiger Erweiterung der schwebenden Trägerzonen
• Hinzufügen von Trägern mit höherer effektiver spezifischer Oberfläche zur Verbesserung der Ammoniakentfernung

 

Das Nachrüstschema ist in dargestellt Abbildung 1(b) und (c).

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Leistungsanalyse

Die MBBR-optimierten AAO- und Bardenpho-Prozesse wurden in sequenziellen Upgrades in derselben Kläranlage implementiert, wobei für jeden Prozess einjährige Betriebsdaten analysiert wurden. Da die meisten konventionellen Schadstoffe (außer SS und TP) hauptsächlich in biologischen Tanks entfernt werden, konzentrierte sich diese Studie auf die Effizienz der CSB-, NH₄⁺-N- und TN-Entfernung.

 

① Leistung der CSB-Entfernung

Abbildung 2 zeigt die CSB-Entfernung in beiden Prozessen. Wichtige Beobachtungen:

 

• Einflussreicher COD:

MBBR-AAO: 821,1 ± 244,9 mg/l

MBBR-Bardenpho: 814,8 ± 414,4 mg/L

• CSB des Abwassers:

MBBR-AAO: 25,1 ± 6,1 mg/l

MBBR-Bardenpho: 21,1 ± 5,7 mg/l

 

Beide erfüllten durchgängig die Standards der Klasse 1A und erfüllten gelegentlich die Kriterien für Oberflächenwasser quasi der Klasse IV. Das MBBR-Bardenpho-Verfahren zeigte trotz größerer Zuflussschwankungen eine überlegene Stabilität und unterstrich damit seine Widerstandsfähigkeit gegenüber organischen Belastungsschocks.

 

Mechanismen:

• Die abwechselnd anoxischen/aeroben Zonen in MBBR-Bardenpho förderten den Co-Metabolismus und verbesserten den Abbau komplexer organischer Stoffe (z. B. polyzyklische Verbindungen, halogenierte Kohlenwasserstoffe).
• Eine verlängerte anoxische HRT verbesserte die Nutzung langsamer Kohlenstoffquellen.

② NH₄⁺-N-Entfernungsleistung

Wie in Abbildung 3 dargestellt:

 

• Abwasser NH₄⁺-N:

MBBR-AAO: 1,5 ± 0,5 mg/l

MBBR-Bardenpho: 1,1 ± 0,9 mg/L

Beide erfüllten die Anforderungen der Klasse 1A, obwohl MBBR-Bardenpho aufgrund des erhöhten Durchflusses und des reduzierten aeroben Volumens eine 1,3-mal höhere Stickstoffbelastung bewältigte.

 

Wichtige Vergleiche:

• Aerobe Hormonersatztherapie: In Bardenpho um 37 % reduziert (13,6 h → 8,6 h).
• Nitrifikationskapazität:

MBBR-AAO: 0,158 kg/(m³·d)

MBBR-Bardenpho: 0,208 kg/(m³ d) (+32 %)

 

MBBR-Vorteile:

 

• Biofilm auf Trägern hielt Nitrifikatoren mit einer SRT von >30 Tagen zurück, was eine hocheffiziente Anreicherung ermöglichte.
• Bei niedrigen Temperaturen/Stoßbelastungen dominierte die trägervermittelte Nitrifikation.
• Designflexibilität: Ammoniakentfernung im Verhältnis zur gesamten effektiven Oberfläche, erreicht durch:

(a) Höheres Trägerfüllverhältnis

(b) SPR-3-Träger (800 m²/m³ spezifische Oberfläche)

③ TN-Entfernungsleistung

Abbildung 4 veranschaulicht:

 

• Einfluss TN:

MBBR-AAO: 73,2 ± 22,0 mg/l

MBBR-Bardenpho: 65,9 ± 30,0 mg/L

 

• Abwasser TN:

MBBR-AAO: 20,9 ± 3,8 mg/l (71,4 % Entfernung)

MBBR-Bardenpho: 7,4 ± 2,3 mg/l (88,8 % Entfernung)

 

Prozessbeschränkungen:

• AAO: Auf Rückführung angewiesen (Verhältnis 350–400 %), maximale theoretische Entfernung: 80 %. Eine Entfernung von >85 % würde untragbare Energie-/Kohlenstoffkosten erfordern.
• Bardenpho: Die postanoxische Zone überschritt die Rezirkulationsgrenzen und steigerte die Entfernung um 17,4 %, ohne die Rezirkulation zu erhöhen.

 

Auswirkungen auf das Design:

• AAO (3-stufig): Begrenzt durch eine einzelne anoxische Zone.
• Bardenpho (5-stufig): Zusätzliche postanoxische Zone verlängerte die Denitrifikationszeit und die Kohlenstoffverwertung.

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Wirtschaftliche Analyse

Landnutzung

• Bardenpho-Prozess: 0,136 m²/(m³·d⁻¹), 16 % kompakterals AAO [0,162 m²/(m³·d⁻¹)].
• Hauptvorteil: MBBR-erweiterte Systeme erreichen Erweiterung der Tankkapazitätohne zusätzliches Land.
• Neue Anlagen: MBBR reduziert den Platzbedarf um 80–90 %im Vergleich zu herkömmlichem Belebtschlamm (CAS), insbesondere bei reinen MBBR-Designs (keine Nachklärbecken/Schlammrückführungssysteme).

 

Energieverbrauch

• AAO: 0,338 kWh/m³
• Bardenpho: 0,445 kWh/m³ (+0,107 kWh/m³)
  • Ursachen: Höhere Stickstoffbelastung + strengere Abwasserstandards.
  • Notiz: Beide Werte übersteigen typische Kläranlagen aufgrundhoher Zulauf-COD (950 mg/L) und TN (80 mg/L), wobei häufig die Konstruktionsgrenzen überschritten werden.

 

Chemische Verwendung

• Kohlenstoffquelle: 25%ige Natriumacetatlösung, durchschnittlich 15 Tonnen/Tag.
  • Dosierungsverhältnis (prä-/postanoxische Zonen): 1:2
  • Anpassungen: Präanoxische Dosierungspausen während organischer Schockbelastungen.

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Prozesseigenschaften und Anwendbarkeit

Nachfolgend wird eine vergleichende Analyse der MBBR-erweiterten AAO- und Bardenpho-Prozesse vorgestellt, die sich auf die wichtigsten Leistungs- und Betriebsaspekte konzentriert:

①Behandlungseffizienz

• Beide MBBR-AAOUnd MBBR-Bardenphoeine robuste Schadstoffentfernung nachweisen.
• TN-Entfernungsvorteil: MBBR-Bardenpho zeichnet sich durch hervorragende TN (oder niedriger), wodurch es für strenge Standards geeignet ist.

 

② Stellflächenanforderungen

• Kompaktes Design: Durch die Nutzung der verbesserten Nitrifikation von MBBR reduzieren beide Prozesse den Landverbrauch erheblich und ermöglichen Kapazitätserweiterung.
• Nachrüstkompatibilität: Bestehende Tanks können ohne bauliche Veränderungen nachgerüstet werden.

 

③ Betriebskontrolle

• MBBR-AAO:
  • TN-Entfernung beruht auf hohe Rezirkulationsraten, was zu steigenden Energiekosten führt.
  • Die Feinabstimmung für eine optimale TN-Entfernung ist eine Herausforderung.

 

• MBBR-Bardenpho:
  • Passt die interne Umwälzung an Zulauf-BSB, wodurch die Durchflussraten reduziert werden.
  • Postanoxische Zoneermöglicht eine präzise TN-Steuerung überKohlenstoffdosierung, wodurch die betriebliche Flexibilität erhöht wird.

Richtlinien zur Prozessauswahl
Kriterien	MBBR-AAO	MBBR-Bardenpho
Kriterien	MBBR-AAO	MBBR-Bardenpho
Konfiguration	3-stufig (kürzerer Prozess)	5-stufig (erweiterter Prozess)
Ammoniakentfernung	Exzellent	Exzellent
TN-Entfernung	Mäßig (erfordert hohe Umwälzung)	Überlegen (durch postanoxische Denitrifikation)
Energiebedarf	Höher (Umluftabhängig)	Niedriger (optimierte Umwälzung)
Am besten für	Klasse 1A-Standards	Klasse 1A oderstrenger(z. B. Quasi-Klasse IV)
	Mittelstarker Zulauf	Hoher TN-Entfernungsbedarf

Die wichtigsten Erkenntnisse:

• MBBR-AAO: Einfachere Bedienung, geeignet für konventionelle Konformität mit Klasse 1A.
• MBBR-Bardenpho: Bevorzugt für Ultra-Low-TN-Ziele, bietet dosierungskontrollierte Präzision.

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Schlussfolgerungen

1. MBBR-basierte Upgrades:

• Beide MBBR-AAOUnd MBBR-BardenphoProzesse erreichen stabile NH₄⁺-N- und CSB-Entfernung, treffen Klasse 1Aund sogar Quasi-Klasse IV-Oberflächenwasserstandards.
• Nitrifikationskapazität:
  • MBBR-AAO: 158 kg/(m³·d)
  • MBBR-Bardenpho: 208 kg/(m³·d) (32 % höher)
• MBBR-Bardenphodemonstriert überlegene AbwasserstabilitätUnd Stoßfestigkeit.

 

2. TN-Entfernungsüberlegenheit von MBBR-Bardenpho:

• Stellt sicher Abwasser TN über Verstärkung der postanoxischen Zone, erreichen 8 % TN-Entfernungim biologischen Stadium.

 

3. Einblicke in die mikrobielle Gemeinschaft:

• Biofilm auf Trägern: Reichert nitrifizierende Bakterien an (>10 % relative Häufigkeit) und sorgt so für eine stabile Nitrifikation.
• Belebtschlamm: Enthält eine höhere Denitrifikatorendichte und ermöglicht so eine effiziente TN-Entfernung.
• Synergie: Trägerstoffe und Schlamm sorgen gemeinsam NH₄⁺-N- und TN-Konformität.

 

4. Prozessanwendbarkeit:

• MBBR-AAO:
  • Kompakte Nachrüstungen, Aber TN-Entfernung begrenztdurch Rezirkulationsabhängigkeit.
  • Am besten geeignet fürKonformität mit Klasse 1Amit mittelstarker Zulauf.
• MBBR-Bardenpho:
  • Flächeneffizientmit unübertroffene TN-Entfernung.
  • Ideal für Quasi-Klasse IV/+-StandardsUnd stickstoffreicher Zulauf.