Wie das Endergebnis mit der Abwasserbehandlung zusammenhängt

Die von CDM Smith entworfene und gebaute Prozesswasseraufbereitungs- und Rückführungsanlage von JR Simplot in Caldwell, ID, behandelt durchschnittlich 2,3 Millionen Gallonen hochkonzentriertes Kartoffelverarbeitungsabwasser pro Tag. Quelle: CDM Smith.

Das gesamte Anlagenlayout im Casa Grande-System von Frito-Lay umfasst Schritte von der Feinsiebung und Primärklärung bis zur MBR, gefolgt von Kohlenstofffiltration, UV-Sterilisation, Umkehrosmose sowie Stabilisierung und Chlorierung. Quelle: GE Water.

Die Casa Grande MBR-Wasserrückgewinnungs- und Wiederverwendungsanlage von Frito-Lay verarbeitet bis zu 645.000 Gallonen pro Tag aus dem Kartoffelchip-Herstellungsprozess. Quelle: GE Water.

Die Probst Group arbeitete mit Excel Engineering und CDM Smith zusammen, um Baker Cheese eine Abwasseraufbereitungsanlage zur Verfügung zu stellen, die Phosphorkonzentrationen von weniger als 0,4 mg/l erreichen konnte. Quelle: The Probst Group.

Anstelle eines Neubaus erweiterten die Spezialisten von DAS EE die Abwasseraufbereitungsanlage von Friweika durch den Einbau von vier TFRs (Rieselströmungsreaktoren) mit Abmessungen von 3 m Durchmesser. und 8 m hoch. Quelle: DAS.

Das Abwassersystem von Stonyfield ist darauf ausgelegt, ausgeglichenes Rohprozessabwasser mit CSB-, TSS- und FOG-Werten von bis zu 5.000 mg/l, 550 mg/l bzw. 500 mg/l vorzubehandeln. Außerdem entsteht Biogas, das zurückgewonnen und zur Beheizung des Anaerobreaktors verwendet wird. Quelle: ADI Systems.

Es gibt mehrere Gründe, Ihr Abwasser aufzubereiten, aber wenn Sie innehalten und darüber nachdenken, zählt nur eines – das Endergebnis. Natürlich möchten Sie in den Augen Ihrer Gemeinde und Ihrer Kunden „grün“ sein, aber denken Sie auch an die wirtschaftlichen Vorteile der Abwasseraufbereitung.

Grundsätzlich gibt es von der POTW (öffentliche Aufbereitungsanlage) Zuschläge für zu hohe BSB-Werte (biologischer Sauerstoffbedarf) und CSB-Werte (chemischer Sauerstoffbedarf), die gesenkt werden können. Wenn Sie Abwasser außerhalb des Standorts transportieren, kann dies zusätzliche Kosten verursachen. Auch wenn die Energiekosten Ihrer Anlage hoch sind, können Sie möglicherweise von der Energie in Ihrem Abwasser profitieren. Oder wenn Sie sich in einem geografischen Gebiet befinden, in dem Wasser knapp ist, könnten strenge Vorschriften für die Verbrauchsmengen gelten.

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Apropos Vorschriften: Vielleicht sagt die EPA, dass Sie viel zu viele Nährstoffe wie Stickstoff und Kalium in die örtlichen Grundwasserleiter freisetzen, und Sie könnten mit einer Geldstrafe belegt werden. Dies trägt auch nicht zum Image Ihrer Community bei und Sie möchten möglicherweise, dass Ihre Kunden erkennen, dass Sie tatsächlich umweltfreundlich sind.

Der Rest dieses Artikels befasst sich mit einigen realen Win-Win-Situationen bei der Abwasserbehandlung, bei denen mindestens einer oder mehrere der oben genannten Gründe für Lebensmittel- und Getränkeverarbeiter zwingende Gründe waren, einige Änderungen in der Art und Weise vorzunehmen, wie sie mit ihrem Abwasser umgehen. (Für einen detaillierten Einblick in Abwassertechnologien besuchen Sie FE, September 2015.)

Die Verfügbarkeit von Süßwasser ist begrenzt und es wird immer schwieriger, geeignete Quellen zu finden, um den künftigen Bedarf zu decken.

„Es wird prognostiziert, dass die weltweite Nachfrage bis zum Jahr 2025 das Angebot an Süßwasser um 38 Prozent übersteigen wird, und in Regionen ohne anhaltende Dürreperioden ist die Situation sogar noch schlimmer“, sagt Brian Arntsen, Global Domain Leader, UF/MBR, GE Water & Process Technologies . „Die Wiederverwendung von Abwasser gibt es in vielen Formen, und die Gründe für die Wiederverwendung hängen mit der Existenz lokaler Bedingungen zusammen, wie etwa der Zugänglichkeit von Süßwasser in der Umwelt, der Bevölkerung, dem Klima sowie den Bedürfnissen von Industrie und Landwirtschaft.“

Die Membranbioreaktor-Technologie (MBR) kombiniert biologische, sekundäre und tertiäre Abwasserbehandlung in einem Schritt und wird seit über 25 Jahren nicht nur zur Abwasseraufbereitung mit hohen Abwasserqualitätsstandards eingesetzt, sondern ist auch ein bewährtes Mittel zur Wiederverwendung von Abwasser , sagt Arntsen. Das MBR-Verfahren kann ein feststofffreies Abwasser mit extrem niedrigem BSB (weniger als 3 mg/l) und Nährstoffentfernung (N und P) erzeugen und so eine Permeatwasserqualität erzeugen, die sich gut für die Freizeitnutzung eignet. Für Wiederverwendungs-Fließschemata, die Umkehrosmose (RO) zum Erreichen strengerer Grenzwerte beinhalten, stellt MBR Speise- oder Produktwasser bereit, da es konstant SDI-Werte (Schluffdichteindex) von weniger als drei erreicht. Die Literatur zeigt eine logarithmische Reduzierung einheimischer Viren/Coliphagen im Bereich von 2,6 bis 3,2, und es wird erwartet, dass MBR größere Mengen entfernen wird, sagt Arntsen.

– Brian Arntsen

Frito-Lay verfügt über eine Fläche von 160.000 Quadratfuß. Anlage in Casa Grande, AZ, die 1984 gebaut wurde. Da in dieser Gegend jetzt Wasserknappheit herrscht, hat das Unternehmen erhebliche Investitionen und Technologie-Upgrades getätigt, mit dem Ziel, die Anlage „nahezu Netto-Null“ zu machen und hauptsächlich mit erneuerbaren Energiequellen und recycelten Quellen zu arbeiten Wasser, während nahezu kein Müll auf der Deponie entsteht, berichtet Arntsen.

Die Anlage recycelt bis zu 75 Prozent des Produktionswassers zurück in die Anlage, verfügt über ein 36 Hektar großes Solarfeld, das 10 Millionen kWh Strom erzeugt, und hat ihren Erdgasverbrauch mit Biomassekesseln (die Altholz und landwirtschaftliche Produkte nutzen) um 80 Prozent reduziert Abfall zur Verbrennung) und landet weniger als 1 Prozent auf der Mülldeponie durch Recycling und alternative Verwendungszwecke, beispielsweise als Viehfutter. Dieses ehrgeizige Projekt zur ökologischen Nachhaltigkeit wurde mit der LEED-Goldzertifizierung ausgezeichnet.

Die Wasserrückgewinnungs- und Wiederverwendungsanlage ist für die Aufbereitung und Wiederverwertung von bis zu 645.000 Gallonen Verarbeitungswasser pro Tag aus dem Herstellungsprozess von Kartoffelchips und Snacks für Spül- und Waschwasser für die Landschaftsbewässerung ausgelegt. Mithilfe eines Prozesses, der Klärung, MBR, Aktivkohle, Desinfektion und Umkehrosmose umfasst, erfüllt oder übertrifft das Endproduktwasser die EPA-Standards für primäres und sekundäres Trinkwasser. Die Ergebnisse finden Sie in der Tabelle.

Die Frito-Lay Casa Grande-Anlage ist ein hervorragendes Beispiel dafür, wie eine Lebensmittelfabrik in der Wüste durch die Aufbereitung und Wiederverwertung ihres Prozesswassers die Nachhaltigkeit fördert.

Baker Cheese produziert seit 1916 Käse in St. Cloud, Wisconsin. In den 1950er Jahren wurde die Entscheidung getroffen, nur noch Mozzarella-Käse zu produzieren, und aufgrund der Kundennachfrage wurde der Original Baker String Cheese entwickelt. Heute verwendet der Käsehersteller etwa 2 Millionen Pfund Milch pro Tag, um Streichkäse herzustellen. Baker brauchte eine Änderung im Umgang mit seinem Abwasser.

In der Vergangenheit wurde das gesamte Prozessabwasser außerhalb des Standorts zu den örtlichen Kommunen transportiert, was zu hohen und steigenden Entsorgungskosten führte. Im Durchschnitt wurden jeden Tag mindestens 10 LKWs zur Abwasserentsorgung eingesetzt. Zusätzlich zu den hohen Kosten schränkte der Abtransport des Abwassers die Fähigkeit der Anlage, die Produktion zu steigern und die Transportkosten für Molke zu senken, erheblich ein. Das Problem bei der Molkeverarbeitung besteht darin, dass bei der Molkeverarbeitung dreimal mehr Abwasser entsteht als bei der derzeitigen Käseverarbeitung. Der Bau einer eigenen Abwasseraufbereitungsanlage (WWTP) schien die einzig praktikable Lösung zu sein, brachte jedoch auch andere Herausforderungen mit sich, etwa die Einhaltung sehr strenger Phosphorgrenzwerte und ästhetische Bedenken.

Um den aktuellen und zukünftigen Anforderungen der Anlage gerecht zu werden, arbeitete die Probst Group mit Excel Engineering und CDM Smith zusammen, um eine Kläranlage bereitzustellen, mit der Phosphor-Abwasserkonzentrationen von weniger als 0,4 mg/l erreicht werden können. Die Kläranlage umfasst erweiterbare Ultrafiltrationsmembranen (UF) und einen anoxischen Selektionstank, der zur Nährstoffkontrolle (verstärkte biologische Phosphorentfernung) dient. Die externen UF-Membranen bilden eine physikalische Barriere, die im Vergleich zu herkömmlichen Feststoff-Flüssigkeits-Trenntechnologien wie Klärung oder Flotation mit gelöster Luft (DAF) einen zuverlässigen Abfluss mit niedrigem Feststoffgehalt für die Gesamtmenge suspendierter Feststoffe (TSS) gewährleistet.

Für extrem niedrige Phosphorgrenzwerte ist eine zuverlässige Feststoffentfernung unerlässlich, da biologische Feststoffe 3–7 Prozent Phosphor enthalten. Außerdem wurde ein Schlammfauler installiert, der die typische Schlammausbeute um 30–50 Prozent reduzierte. Um den Phosphorgehalt weiter zu reduzieren und die Compliance-Anforderungen zu erfüllen, nutzte Baker ein Wasserqualitätsgewerbe (WQT), das erste, das im Bundesstaat Wisconsin zugelassen wurde. Um den ästhetischen Bedenken von Baker gerecht zu werden, wurde ein quadratischer Betonschlammtank entworfen, der ein rundes Betonbelüftungsbecken blockiert, und ein Silo wurde als Selektionstank verwendet, sodass die Kläranlage als Teil der Käserei erscheinen konnte.

Dank der neuen Kläranlage und WQT konnte das Werk in St. Cloud sein eigenes Abwasser entsorgen und eine Produktionserweiterung planen. Die Betriebskosten sind deutlich niedriger als die Transportkosten. Für die örtliche Gemeinde bedeuten diese Veränderungen 90 Prozent weniger LKW-Verkehr auf den örtlichen Straßen und höhere Beschäftigungsmöglichkeiten sowie eine höhere lokale Milchnachfrage bei steigender Produktion.

Die WQT bietet in Verbindung mit der neuen Kläranlage zahlreiche Vorteile. Derzeit werden in der Anlage Phosphorgehalte von weniger als 0,3 mg/l erreicht. Und die 20 Hektar Präriegras und einheimischen Blumen, die im Rahmen des WQT gepflanzt wurden, tragen dazu bei, das örtliche Wassereinzugsgebiet zu schützen und ein dauerhaftes Naturschutzgebiet zu schaffen, das Wildtiere anlockt.

CDM Smith gab bekannt, dass die Prozesswasseraufbereitungs- und Rückführungsanlage (PWTRP) der JR Simplot Company in Caldwell, ID (die CDM Smith entworfen und gebaut hat) von der WateReuse Association als ihr Industrieprojekt des Jahres 2016 ausgezeichnet wurde.

Simplot, ein Hersteller von Kartoffelprodukten, hat sich für das PWTRP ein ehrgeiziges Ziel gesetzt, das Teil einer großen Erweiterung war, um die Pommes-Frites-Produktion des Unternehmens für Großkunden in einer einzigen Anlage zu konsolidieren: eine Anlage ohne Flüssigkeitsableitung zu schaffen und Abwasser zu produzieren, das für ... geeignet ist Wiederverwendung in der Produktion. Das PWTRP erreichte die anspruchsvollen Ziele von Simplot durch ein innovatives Behandlungssystem, das Primärklärung, anaerobe Fermentation, verbesserte biologische Nährstoffentfernung für Stickstoff und Phosphor sowie Belebtschlamm mit Membranbioreaktoren, gefolgt von Umkehrosmose- und Chlordesinfektion, umfasste. Die gesamte RO-Sole wird vor Ort in einem innovativen, verbesserten Verdampfungssystem verdampft.

Das hochmoderne PWTRP wurde im Januar 2014 fertiggestellt und behandelt durchschnittlich 2,3 Millionen Gallonen/Tag (mgd) hochkonzentriertes Kartoffelverarbeitungsabwasser mit einer maximalen Kapazität von 3,2 mgd. Ungefähr 1,7 mg Wasser pro Tag, was Trinkwasserstandards entspricht, werden aufbereitet und zur sicheren Wiederverwendung im Produktionsprozess zurückgeführt. Eine innovative Sprühverdampfungstechnologie entsorgt bis zu 320.000 Gallonen Salzlake pro Tag aus dem RO-System. Das restliche Abwasser wird zur Bewässerung der Futterpflanzen verwendet. Die Konstruktion mit gemeinsamen Wänden minimierte die Kapitalkosten und den Bedarf an konsolidierten Rohrleitungen, wodurch der Arbeitsaufwand minimiert und die Gesamtfläche der Anlage verringert wurde.

„Durch die Zusammenarbeit während des gesamten Design-Build-Prozesses konnten wir das Projekt im Rahmen des Budgets und innerhalb eines engen Zeitplans umsetzen, da das PWTRP betriebsbereit sein musste, bevor die neue Produktionsanlage in Betrieb ging“, sagt Al Goodman, Kundendienstleiter bei CDM Smith für Simplot. „Mehrere Behandlungsinnovationen helfen Simplot dabei, sein Wassermanagement zu optimieren, Recyclingwasserqualitätsziele zu erreichen, die denen von Trinkwasser entsprechen, und die Nachhaltigkeitsmission von Simplot voranzutreiben. Dadurch entsteht für Simplot eine wirklich flüssigkeitsfreie Anlage und ein Vorzeigeprojekt, das die Messlatte für die Wasserwiederverwendung höher legt.“ in der Lebensmittelindustrie.“

Bei Friweika eG, einem Kartoffelverarbeitungsbetrieb in Weidensdorg (Deutschland), boomte das Geschäft, was zu einem ernsthaften Problem für die Kläranlage führte. Die Kläranlage musste erweitert werden, es gab jedoch nur sehr wenig Platz für die Installation weiterer Geräte. Die Anlage erfüllt nicht nur die Abwasserspezifikationen, sondern nutzt die Kläranlage auch zur Produktion von Biogas, was zu einer erheblichen Senkung der Energiekosten der Anlage führt.

Seit der Inbetriebnahme vor neun Jahren wurde die aerobe biologische Stufe der Abwasserreinigung aufgrund kontinuierlicher Produktionssteigerungen und einer damit verbundenen stark gestiegenen Belastung der Abwässer mehrfach erweitert. Doch nach der Erhöhung der Belüftung, der Erweiterung der hydraulischen Kapazität und der Erhöhung des Gesamtautomatisierungsgrades erreichte das ursprüngliche vierstufige Kombi-Kompaktsystem, bei dem jede Stufe aus einem Schlammtank mit getauchtem Füllbett und integriertem Nachklärbecken bestand, seine Kapazität.

Angesichts der Produktionserweiterung und der erwarteten Zunahme der organischen Belastung auch im Abwasser musste Friweika die aerobe Behandlung durch den Einbau eines neuen Systems erweitern. Die alte Anlage war für CSB-Belastungen von 560 kg/Tag ausgelegt und war weit über ihre Kapazität hinaus gefüllt, so dass zeitweise Belastungen von 1.260 kg/Tag erreicht wurden. Doch wohin mit dem Zusatzsystem? Für eine neue Anlage wäre ein zweiter „kompakter“ Rundbehälter mit Abmessungen von 22 m Durchmesser und 6 m Höhe erforderlich gewesen – für den kein Platz vorhanden war.

Spezialisten der DAS Environmental Expert GmbH (Dresden) wurden hinzugezogen und erarbeiteten eine innovative und effektive Lösung. Anstatt ein weiteres „kompaktes“ System hinzuzufügen, integrierte DAS EE einen TFR (Trickle Flow Reactor) in das Anlagendesign und erreichte eine Reduzierung der Sonderanforderungen um fast 50 Prozent im Vergleich zu einem klassischen Kompaktsystem. Anstelle eines neuen Gebäudes erweiterte DAS die alte Anlage um vier TFRs mit jeweils drei Metern Durchmesser und acht Metern Höhe. In jedem Reaktor rieselt das Abwasser als Flüssigkeitsfilm herab, Ventilatoren drücken Luft in die entgegengesetzte Richtung und sorgen so für die kontinuierliche Sauerstoffversorgung, die die Mikroorganismen im Biofilm für den aeroben Abbau benötigen.

Der Abwasserstrom wird in zwei Teile getrennt, wobei einer im alten System und der andere in den TFRs behandelt wird. Zusammen verfügen beide Anlagen über eine Aufbereitungsleistung, die auch bei Produktionserweiterungen noch nicht ihre Kapazität erreicht. Das Abwasser mit Zufluss-CSB-Frachten von etwa 3.500 mg/l (85. Perzentil) wurde auf Indirekteinleiterqualität mit TFR-Abläufen gereinigt, die weniger als 1.000 mg/l CSB enthielten.

Stonyfield engagiert sich seit jeher für einen „gesunden Planeten“ und klärt seine Verbraucher und Produzenten über den Wert des Umweltschutzes auf. Daher ist es nicht verwunderlich, dass die Ingenieure des Werks in Londonderry, NH, hart daran arbeiten, den Wasser- und Energieverbrauch für die Herstellung von Joghurt zu reduzieren und Abfälle so weit wie möglich zu reduzieren und zu recyceln. Vor diesem Hintergrund prüften Ingenieure eine Reihe unterschiedlicher Abwasserbehandlungstechnologien, Anbieter und umfassende Behandlungsoptionen. Stonyfield beauftragte ADI Systems mit der Planung und dem Bau eines Abwasseraufbereitungssystems, um die neu vorgeschriebenen lokalen Grenzwerte für die Abwassereinleitung einzuhalten.

Das System ist für die Vorbehandlung von ausgeglichenem Rohprozessabwasser mit CSB-, TSS- und Fett-Öl-Fett-Gehalten (FOG) von bis zu 5.000 mg/l, 550 mg/l bzw. 500 mg/l ausgelegt. Es besteht aus zwei Stufen: einem proprietären anaeroben ADI-BVF-Reaktor vom Typ S mit niedriger Rate, gefolgt von einem aeroben ADI-SBR-Poliersystem. ADI Systems installierte außerdem ein einfaches, natürliches und robustes Geruchskontrollsystem, um das Abgas aus den Ausgleichstanks zu reinigen.

Diese Kombination von Prozesseinheiten behandelt problemlos das hochkonzentrierte Abwasser mit hohem Feststoffgehalt und hohem FOG-Gehalt. Die Aufbereitungsanlage produziert nur minimalen Abfallschlamm zur Entsorgung sowie eine beträchtliche Menge Biogas, das zurückgewonnen und zum Heizen des anaeroben Reaktors verwendet wird, wodurch die Leistung verbessert und der Gesamtbedarf an elektrischer Energie für die Abfallbehandlung minimiert wird.

Das Abwasseraufbereitungssystem und das Waste-to-Energy-System ermöglichen es Stonyfield, die vorgeschriebenen Abwassergrenzwerte einzuhalten oder zu übertreffen, sodass Joghurtprodukte ohne behördliche Strafen hergestellt werden können. Es zeigt auch Stonyfields Engagement für nachhaltige landwirtschaftliche Praktiken.

Könnten schwimmende Feuchtgebiete in Gebieten in den USA funktionieren, in denen der Nährstoffgehalt zu hoch ist? Quelle: Fonterra/Living Water.

Die schwimmenden Feuchtgebiete wurden von der neuseeländischen Massey University entwickelt und vom Milchproduzenten Fonterra und der Partnerschaft des New Zealand Department of Conservation (DOC) Living Water übernommen. Sie bestehen aus einheimischen neuseeländischen Feuchtgebietspflanzen, die an schwimmenden Matten oder „Flößen“ befestigt sind, auf denen sie sitzen der Wasseroberfläche. Die Flöße sind in der Lage, große Mengen an Nährstoffen zu entfernen und filtern das Wasser in Abflüssen und Abflüssen, bevor es in die Wasserstraßen gelangt.

„Die schwimmenden Behandlungsfeuchtgebiete sind erst seit relativ kurzer Zeit installiert, aber erste Tests und das schnelle Pflanzenwachstum zeigen, dass sie gute Arbeit leisten, Nährstoffe aus dem Wasser zu entfernen“, sagt Michael Paviour, DOC-Gemeinderanger. „Die schwimmenden Feuchtgebiete sind keineswegs ein Allheilmittel zur Lösung von Wasserqualitätsproblemen, aber wenn sie zusammen mit anderen Aktivitäten wie Schlammfängern und Uferbepflanzung eingesetzt werden, erweisen sie sich als praktische und wirksame Methode zur Verbesserung der Wasserqualität.“

GE Water: www.gewater.comThe Probst Group: www.probstgroup.comCDM Smith: www.cdmsmith.comDAS Environmental Expert: www.das-ee.com; (USA): www.das-usa.comADI Systems: www.adisystemsinc.com