Das volle Potenzial von SBRs

Ein Sequencing Batch Reactor (SBR) ist ein Füll- und Abzugsverfahren innerhalb der konventionellen Belebtschlammbehandlung. Dieses Verfahren wurde vor über einem Jahrhundert entwickelt und hat sich als zuverlässige Methode zur Behandlung von kommunalem und industriellem Abwasser bewährt. Neuere Entwicklungen in der Abwasserbehandlungstechnologie haben den SBR noch vorteilhafter gemacht. Da eine Vielzahl von Technologien zur Verfügung steht, ist es wichtig, sowohl die Eigenschaften als auch die Herausforderungen des SBR zu verstehen, um das bestmögliche Ergebnis für ein Projekt zu gewährleisten

Füll- und Abzugs-Batch-Prozesse werden seit den frühen 1900er-Jahren in der Abwasserbehandlung angewendet, als Ardern, Lockett und Fowler das Belebtschlammverfahren (ASP) in ihren Laboren in Manchester, UK, entwickelten (Ardern und Lockett 1914, Ardern und Lockett 2015). Seit der Entwicklung des ASP¹ dominierten kontinuierlich betriebene Belebtschlamm-Anlagen gegenüber den Füll- und Abzugs-Batch-Prozessen, da es an moderner Automatisierung fehlte. In der Vergangenheit machte das manuelle Einstellen von Ventilen, das Ein- und Ausschalten von Pumpen sowie das Fehlen von Füllstandskontrollen den Prozess aufwendig.

Die Entwicklung von Steuerungssystemen und mechanischen Geräten in den 1960er, 1970er und 1980er Jahren (Pasveer 1958, Irvine 1971, Wilderer und Schroeder 1986) legte den Grundstein für die Wiederbelebung des SBR-Prozesses als Lösung für die Behandlung von kommunalem und industriellem Abwasser. Während der SBR-Prozess zunehmend in kleinen und mittelgroßen Anlagen an Popularität gewann, wurde eine weitere Variante des SBR entwickelt: das zyklische Belebtschlammverfahren (Goronszy 1979, 1985, Demoulin und Goronszy 1997, Demoulin et al. 1999). Dieses Verfahren wurde in größeren Kläranlagen unter den Prozessbezeichnungen CASS² und ICEAS³ entwickelt und angewendet. Ähnlich dazu integrieren neuere Verfahren zyklische Belebtschlammreaktoren, die kontinuierlich mit Frischabwasser gespeist werden, während das behandelte Wasser intermittierend aus dem Reaktor abgezogen wird.

In den letzten Jahren wurde ein neues SBR-Verfahren, die Aerobic Granular Sludge (AGS)-Prozesstechnologie (Granulärschlamm Prozesstechnologie), entwickelt (de Bruin et. al 2004, Prout et. al 2015, Prout et. al 2017), welches viel Aufmerksamkeit erhalten hat. Ein Vorteil dieses Verfahrens ist die Produktion größerer Schlammflocken im Vergleich zu den konventionellen Belebtschlammflocken.  Größere Flocken bedeuten eine schnellere Absetzung des Schlamms. Eine größere Flockengröße ermöglicht auch einen anaeroben Kern, eine anoxische Mittelschicht und eine aerobe Außenschicht in einem einzigen Schlammkorn, das anaerobe, anoxische und aerobe Prozessschritte (z. B. P-Entfernung, Denitrifikation und Nitrifikation) vereint.

Abbildung 1: Schematische Darstellung einer aeroben Granulärschlammflocke

Wenn sie richtig konzipiert sind, bieten AGS-Anwendungen das Potenzial, Folgendes zu erreichen:

• Höhere MLSS ohne den Einsatz von Kunststoffträgern
• Bessere Absetzbarkeit
• Reduzierte Reaktorvolumina
• Kleinerer ´footprint´
• Kürzere Zykluszeiten
• Geringere Kapitalinvestitionen
• Höhere Prozesssicherheit
• Keine internen Umwälzpumpen erforderlich
• Weniger Schlammproduktion
• Geringerer Energieverbrauch
• Geringere Betriebskosten

Aus diesem Grund haben, außer dem niederländischen Pionier Royal Haskoning DMV, nicht wenige kommerzielle Anbieter von Abwasserreinigungssystemen versucht, ihre eigenen Adaptionen des AGS zu entwickeln, zu etablieren und zu vermarkten. Alle derzeitigen Weiterentwicklungen des AGS basieren auf dem SBR-Prinzip, bei dem ein oder mehrere vollständig durchmischte Reaktoren verwendet werden, in denen sich der AGS entwickeln soll. Um die potenziellen Vorteile des AGS-Verfahrens auszuschöpfen, müssen also die Herausforderungen gemeistert werden, die mit dem SBR-Konzept einhergehen.

1. Eine präzise hydraulische und lastseitige Ausgleichung der Strömung ist erforderlich und führt in der Regel zu großen vorgelagerten Misch- und Ausgleichsbecken.
2. Die mechanische Ausrüstung muss wegen der begrenzten Laufzeit pro Prozesszyklus und Tag überdimensioniert werden.
3. Die genaue Hochskalierung von Labor- und/oder Pilotmaßstab auf vollmaßstäbliche und großtechnische Anlagen ist herausfordernd und erfordert ein tiefgehendes Verständnis der Strömungsmechanik, um eine bessere Reproduzierbarkeit zu ermöglichen.
4. Die Voraussetzung, vollständig durchmischte Reaktoren zu erhalten, kann das Design des Reaktors, des Prozesses und der Ausrüstung erheblich einschränken.

Die kontrollierte anaerobe Einspeisung des Rohabwassers in die Absetzschlammdecke ist für den Beginn der Granulärschlammbildung entscheidend. Um dies zu erreichen, wird der Reaktor in der Regel über ein Bottom-Feeder-System beschickt, wodurch der gesamte Reaktor von unten durchströmt wird. Zudem wird ein statischer Dekanter an der Wasseroberfläche installiert. Dieser Ansatz funktioniert am besten in kleineren runden oder rechteckigen Becken mit Rohrleitungen, die eine gleichmäßige Verteilung des Rohabwassers über den gesamten Boden des Reaktors gewährleisten, wobei oben ein statischer Dekanter eingesetzt wird. Voraussetzung hierfür ist, dass die erforderlichen Rohrleitungen nicht zu komplex und teuer werden und keine zu großen hydraulischen Verluste verursachen. Diese Methode begrenzt das Volumen pro Reaktormodul auf kleinere Volumina und ist der Grund dafür, dass derartige Anlagen große Ausgleichsbecken vor den biologischen Reaktoren benötigen, da eine gleichmäßige Strömungsverteilung am Boden nur für den einen exakten hydraulischen Durchfluss zum Reaktor erreicht werden kann, für den das Zuführsystem ausgelegt wurde. Geringste Abweichungen vom ausgelegten Zulaufstrom führen zu einer ungleichmäßigen Beschickung und Verteilung des Rohabwassers im Schlammteppich, einer fehlerhaften Funktion des statischen Dekanters und des Betriebs der gesamten Anlage. Ein weiterer Nachteil des Bottom-Feeder-Systems ist der hohe hydraulische Verlust, der erforderlich ist, um eine gleichmäßige Strömungsverteilung am Boden des Reaktors zu erreichen. Die Abhängigkeit der Behandlung von einer präzisen Durchflussströmung macht die Klärleistung empfindlich gegenüber geringfügigen Strömungsschwankungen, die durch etwas so Einfaches wie das Verstopfen der Zuführleitungen durch Schlamm verursacht werden können.

Abbildung 2: Typisch AGS-Reaktorkonfiguration mit Bottom-Feeder-System und statischem Oberflächendekanter

Eine Überdimensionierung kann bei verschiedenen Arten von Ausrüstung erforderlich sein. Ein Beispiel dafür ist die Herausforderung bei der Planung von Belüftungssystemen für die Abwasserbehandlung bei kontinuierlichen Durchflussverfahren. In diesem Szenario wird das Belüftungssystem auf der Grundlage des täglichen Sauerstoffbedarfs ausgelegt, wobei die stündliche Kapazität durch Teilung des Tageswertes durch 24 berechnet wird. In Systemen mit zyklischen Prozessen, wie z. B. einem typischen SBR-Zyklus von 3 oder 6 Stunden, wird die Belüftungszeit pro Tag jedoch auf 16 Stunden oder weniger reduziert. Dies erfordert eine 1,5-mal höhere Kapazität des Belüftungssystems im Vergleich zu einem Reaktor mit kontinuierlichem Durchfluss. Folglich werden mehr Belüftungselemente, Gebläse und installierte Leistung benötigt. Außerdem überschneiden sich bei einigen SBR-Verfahren die Belüftungsphasen mit den Befüllungsphasen, was zu einer geringeren Tiefe des zu belüftenden Wassers im Reaktor führt und die Gesamtbelüftungseffizienz weiter verringert. Dies muss durch eine adäquate Auslegung des Belüftungssystems kompensiert werden. Ähnliche Effekte können auch für andere Ausrüstungen wie Pumpen und Rohrleitungen gelten.  Dieses Beispiel verdeutlicht das Potenzial für erhebliche Verbesserungen der Prozesseffizienz und die Bedeutung eines ganzheitlichen Ansatzes für die Prozess-, Reaktor- und Ausrüstungsplanung.

Bei Experimenten im Labormaßstab werden die Grundprinzipien häufig in kleinen runden Gefäßen mit einer Größe von 100 oder 200 mm mit Volumen, die in Litern gemessen werden, getestet. Die Ausrüstung zum Rühren, Belüften und Pumpen wird aus Labors oder örtlichen Aquariengeschäften bezogen. Der Übergang vom Labormaßstab zum Pilotmaßstab ist die erste Herausforderung, da größere Geräte im Pilotstadium nicht ohne weiteres verfügbar sind. Folglich werden in Pilotanlagen oft Großgeräte verwendet, was zu Unterschieden zwischen Labor- und Pilotmaßstab führt. Der Übergang vom Pilotmaßstab zum Großmaßstab, z. B. von 20 m³ auf 1.500 m³, bringt zusätzliche Herausforderungen mit sich. Die geometrische Ähnlichkeit im Großmaßstab wird durch die begrenzte Verfügbarkeit von großen Versuchsbecken beeinträchtigt, und Faktoren wie Belegungsgrad und Verrohrung müssen den realen Gegebenheiten angepasst werden. Auch die Auslegung des Belüftungssystems ist eine Herausforderung, da der Durchmesser der Luftblasen trotz der Veränderungen im Maßstab konstant bleibt, was bei größeren Becken zu unerwarteten Einschränkungen bei der Durchmischung führt. Dies führt häufig zu einer suboptimalen Prozessleistung und unterstreicht, wie wichtig es ist, Durchmischungsprobleme bei großtechnischen Anwendungen zu berücksichtigen. Dies ist in der Regel der Moment, in dem ein richtiges Scale-up nicht weiterverfolgt wird, weil der Schritt von einem großen zu einem noch größeren Maßstab nur durch eine Änderung der Reaktorgrundfläche erfolgen kann, da sonst die Wassertiefe unrealistisch hoch wird.

Das SBR-Verfahren basiert auf einem vollständigen Mischreaktorverhalten. Um diese Grundvoraussetzung  zu erfüllen, wird die Beschickung und Dekantierung mit dem Scale-up auf größere Reaktoren immer komplexer. Manchmal werden diese Anforderungen vernachlässigt und die Prozessleistung leidet zum Beispiel darunter. Aus diesem Grund stehen einige Verfahren, die in kleineren Maßstäben erfolgreich funktionieren, bei der Hochskalierung von groß auf noch größer manchmal vor großen Herausforderungen. Um diese zu meistern, sollte ein AGS-Verfahren und ein Reaktordesign die folgenden vier Aspekte berücksichtigen.

1. Der kontinuierliche Durchfluss mit intermittierend dekantierten Reaktoren hat Vorteile, da sie weniger Wasserstandsschwankungen zwischen niedrigem (Ende der Dekantierphase) und normalem Betriebsniveau aufweisen. Eine stabilere Wassertiefe trägt dazu bei, die hydraulischen Verluste zu minimieren, den Energiebedarf für das Pumpen zu senken und die Effizienz des Belüftungssystems zu optimieren.
2. Gestufte Reaktordesigns sind vorteilhaft, weil sie größere Reaktorvolumina ermöglichen, ohne die üblichen Fehler während der Up-Scaling-Phase zu machen. Gleichzeitig bieten sie eine neue, besondere Dimension des Prozessdesigns, insbesondere wenn sie mit einem kontinuierlichen Durchflusskonzept kombiniert werden.
3. Das Gesamtdesign und der Betrieb sollten die Möglichkeit der gemeinsamen Nutzung mechanischer Ausrüstung zwischen den einzelnen Reaktoren vorsehen, um zusätzliche Ausrüstung wie z. B. Belüfter, Gebläse, Pumpen usw. zu reduzieren und so eine Überdimensionierung zu vermeiden und die Gesamtinvestitionskosten zu senken. Ein Beispiel hierfür ist der Einsatz von Gebläsestationen, die zwischen den Reaktormodulen umgeschaltet werden können.
4. Das gesamte System, einschließlich der wichtigsten Geräte, sollte flexibel sein und auf unterschiedliche Durchfluss- und Lastszenarien reagieren können, um vorgelagerte Misch- und Ausgleichsbecken zu vermeiden.

Diese Überlegungen stellen eine komprimierte Zusammenfassung der am Lehrstuhl für Strömungsmechanik der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (Bischof et. al. 1991, Hoefken et. al. 1994, Manzolli 1994, Bischof et. al. 1995, Waechter et. al. 1996,) und bei der INVENT Umwelt- und Verfahrenstechnik AG (Hoefken 1995, Hoefken et. al. 1996, Hoefken et. al. 2003, Hoefken et. al. 2004) seit den 1990er Jahren gesammelten Erfahrungen dar. Die praktische Umsetzung war ein langer Prozess mit schrittweisen Verbesserungen von Projekt zu Projekt. Das Ergebnis ist der INVENT iC³-Prozess, der für Folgendes steht:

1. Cascaded reactor design (Kaskadierte Reaktorkonstruktion)
2. Continuous operation (Kontinuierlicher Betrieb)
3. Cyclic process (Zyklischer Prozess)

Dieses Verfahren nutzt die einzigartigen Eigenschaften des HYPERCLASSIC^®– Rühr- und Begasungssystems (Hoefken et. al. 1991, Hoefken et. al. 1993, Hoefken 1994, Hoefken et. al. 2001, Hoefken et. al. 2004), das ideal für intermittierende Prozesse geeignet ist.  Charakteristisch für den INVENT SBR ist das iC³-Reaktormodul, ein langgestrecktes, rechteckiges Becken mit mehreren HYPERCLASSIC^®-Rühr- und Begasungssystemen, die in Reihe geschaltet sind, um einzelne komplette Mischzonen zu bilden (kaskadiert). Das Abwasser fließt kontinuierlich durch einen speziell konstruierten Einlaufverteiler an einem Ende des Beckens ein und klares, gereinigtes Wasser verlässt den Reaktor intermittierend durch  Dekantiersysteme am gegenüberliegenden Ende des Beckens. Diese Konstruktion ermöglicht es, eine optimierte SBR-Zyklusstrategie zu entwickeln und zu betreiben, die von Zone zu Zone variieren kann.

INVENT unterscheidet fünf verschiedene Prozessphasen, die zu unterschiedlichen Zeiten und in vier oder mehr verschiedenen räumlichen Zonen ablaufen. Diese Zonen werden durch die vier verschiedenen räumlichen Zonen gleicher Größe definiert, in die wir jedes SBR-Becken unterteilen können. In Abbildung 3 sind die fünf grundlegenden Zyklusphasen des INVENT–SBR-Verfahrens schematisch dargestellt.

1. Befüllen/Rühren (FM): Anfangsphase mit langsamerer Durchmischung und ohne Belüftung, wodurch anaerobe Bedingungen in den Zonen 1 und 2 und anoxische Bedingungen in den Zonen 3 und 4 entstehen.
2. Befüllen/Rühren/Belüften (FMA): Hochgeschwindigkeits-Rühr– und Belüftungszyklus, der Sauerstoff für die Entfernung von BSB und CSB, die Nitrifikation und die Aufrechterhaltung aerober Bedingungen liefert.
3. Befüllen/Entgasen (FDg): Kurzzeitige starke Durchmischung zur effektiven Entgasung von Schlammflocken, Verbesserung der Absetzbarkeit und Verhinderung von Schaumbildung.
4. Befüllen/Absetzen/Langsames Rührern 1 (FSPh1): Langsame Durchmischung während der Absetzphase, Förderung der Denitrifikation und anaerobe Bedingungen für die Bio-P-Freisetzung und die rbCOD-Umwandlung.
5. Befüllen/Dekantieren/Langsames Rühren2 (FDPh2): Fortgesetztes Mischen bei niedriger Geschwindigkeit, um anaerobe Bedingungen für Bio-P zu schaffen, Dekantieren des behandelten Abwassers und Entfernen von überschüssigem Schlamm, um die Effizienz des Prozesses zu erhalten.

Nach Phase 5 wiederholt sich der Zyklus und springt zurück zu Phase 1.

Abbildung 3: iC³ – Reaktormodul mit den 5typischen Zyklusphasen

Ein Beispiel für eine erfolgreiche Umsetzung des iC³-Verfahrens ist eine kommunale/industrielle Kläranlage, die zwischen den Jahren 2015 und 2019 in zwei Schritten im Nahen Osten geplant und gebaut wurde. Im ersten Schritt wurden zwei iC³-Reaktormodule mit einer Kapazität von 4.000 m³/d zur Kohlenstoffentfernung, Nitrifikation und Denitrifikation gebaut. Jedes iC³-Reaktormodul hat ein Volumen von 3.000 m³ und war 55 m lang. Im zweiten Schritt wurden drei iC³-Reaktormodule mit einem Volumen von je 20.000 m³ und einer Länge von 72 m gebaut.   Alle iC³-Reaktormodule erreichen seit der Inbetriebnahme hervorragende Ablaufwerte mit BSB deutlich unter 3 mg/l, CSB unter 20 mg/l, TSS unter 5 mg/l, Gesamtstickstoff unter 10 mg/l und Phosphor unter 1 mg/l.

Das typische INVENT iSBR^®-Paket umfasst die Basis- und Detailplanung, das  HYPERCLASSIC^®– Rühr- und Begasungssystem, das iDEC^® SBR-Dekantiersystem, die iTURBO^® -Gebläse, das Steuerungssystem und, falls erforderlich, die iFILT^®-Nachfiltration. Die Bauarbeiten und die Lieferung von Standardausrüstungen, Rohrleitungen, Stahlkonstruktionen usw. werden in der Regel vom Kunden und/oder lokalen Partnern durchgeführt.

Zusammenfassung

Dieser Artikel fasst die Geschichte der SBRs und die Entwicklung des INVENT iSBR^®/iGSR^® Verfahrens zusammen. Im Laufe von 30 Jahren wurden verschiedene Herausforderungen im Zusammenhang mit dem Gesamtdesign und der Vergrößerung der Prozesse gemeistert, um mit modernen SBR-Systemen bahnbrechende Ergebnisse zu erzielen.  Zu diesen Merkmalen gehören:

1. Kontinuierlicher Zulauf mit intermittierendem Dekantieren
2. Mehrere kaskadierte Vollmischreaktoren pro SBR-Modul, und Ganzheitliche Prozess-, Reaktor- und Anlagenplanung.

Autoren: Dr.-Ing. Marcus Hoefken, Megan House, Dr. rer. nat. Peter Huber, und Dipl.-Ing. Walter Steidl