A1 Modulbeschreibungen Lamellenabscheider

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1 A1 Modulbeschreibungen Lamellenabscheider Martin Kaleß 1 Allgemeine Beschreibung des Verfahrens 1.1 Verfolgte Aufbereitungsziele Lamellenabscheider dienen zur Unterstützung der Phasentrennung (fest/flüssig) disperser Systeme. Insbesondere in Kanalnetzten mit Mischsystem finden Sie Einsatz zur Mischwasserbehandlung; der Einsatz auf kommunalen Kläranlagen ist in Deutschland hingegen selten. Lamellenabscheider werden im Rahmen des Forschungsprojekts E-Klär zur verbesserten Ausschleusung von Kohlenstoff in Vorklärbecken betrachtet. Lamellenabscheider werden in der kommunalen Abwasserbehandlung eingesetzt, um partikuläre Substanzen aus einem Wasser / Feststoffgemisch zurückzuhalten. Das Aufbereitungsziel ist ein möglichst feststofffreier Ablauf des geklärten Wassers. 1.2 Anwendung des Verfahrens im Bereich der kommunalen Abwasserbehandlung Da Lamellenabscheider in der kommunalen Abwasserbehandlung eingesetzt werden, um partikuläre Substanzen aus einem Wasser / Feststoffgemisch zurückzuhalten, ist deren Einsatzort in Vorklär- bzw. Nachklärbecken zu finden. 1.3 Verfahrensschema Bei einem Lamellenabscheider handelt es sich um eine Stapelung der Lamellenanzahl entsprechender Absetzbecken, welche mit geringer Wasserhöhe beaufschlagt sind und eine geneigte Sohle aufweisen. Absetzbecken mit integrierten Lamellenabscheidern benötigen einen geringeren Platzbedarf in Vergleich zu konventionellen Absetzbecken ohne Lamellenabscheider. In Abbildung 1 ist eine Prinzipskizze dargestellt. Q ein bezeichnet den Volumenstrom des eintretenden Feststoff / Wasser Gemisches, Q aus und Q Schlamm bezeichnen die austretenden feststoffabgereicherten bzw. -angereicherten Volumenströme. Der Winkel α beschreibt die Neigung einer Lamelle. Abbildung 1: Prinzipskizze eines Lamellenabscheiders mit ein- und austretenden Volumenströmen 303

2 1.4 Wichtige Einflussgrößen Die Wirksamkeit des Verfahrens hängt von folgenden Parametern ab: Lamellenneigung α, Feststofffracht, Partikelgrößenverteilung, Strömungsgeschwindigkeit (hydraulische Belastung), Geometrie der Lamellenpakete. Der Energiebedarf des Verfahrens ist abhängig von der Anwesenheit einer Belüftung. Sofern eine intermittierende Belüftung zur Reinigung der Lamellenpakete vorgesehen ist (Anwendungsfall Hauptkläranlage Luxemburg), so bedarf es Belüftungsenergie. Grundsätzlich finden die Belüftungsintervalle jedoch nach langen Pausen statt und gehen nicht grundsätzlich mit dem Einbau von Lamellenabscheidern einher, so dass der Energiebedarf vernachlässigt wird. Für die Jahreskosten ist Folgendes zu beachten: Mit der obigen Annahme entstehen keine Betriebskosten, die auf Energieverbrauch zurückzuführen sind, Es ist jedoch ein Wartungs- und Reinigungsaufwand durch das Personal zu berücksichtigen, der bei konventionellen Sedimentationsverfahren nicht anfällt. Präzise Literaturdaten sind hierfür nicht zu finden. Daher soll in der modelltechnischen Abbildung eine Eingabe durch den User ermöglicht werden, z.b. Arbeitsstunden/(m² Lamellenfläche und Jahr). 1.5 Kopplung des Verfahrens mit anderen Verfahren Für dieses Verfahren existiert eine Anforderung an die Vorbehandlung: Abscheidung grober Störstoffe durch Rechen Für dieses Verfahren existieren keine Anforderungen an die Nachbehandlung. 2 Informationen zum Lamellenabscheider im FuE-Vorhaben E-Klär 2.1 Theoretische Grundlagen Sedimentation ist die Abscheidung von Partikeln aus Suspensionen in Gravitationsfeldern. Dabei wirken neben der den Trennprozess auslösenden Gewichtskraft auch Auftriebs- und Reibungskräfte, die sich im stationären Bewegungszustand eines absinkenden Teilchens im Gleichgewicht befinden. Aus einer Kräftebilanz an einem kugelförmigen Partikel ergibt sich die Sinkgeschwindigkeit (v s ) in Wasser zu v s = 4 (ρ p ρ w ) 3 c w ρ w d p g [ m s ] mit ρ p als Dichte des Partikels, ρ w Dichte von Wasser, d p Partikeldurchmesser sowie g Gravitationsbeschleunigung. Nach Stokes ergibt sich unter Vernachlässigung der Trägheitskräfte durch Lösung der Navier- Stokes schen Bewegungsgleichung eine Sinkgeschwindigkeit für schleichende Strömungen zu Mit η als dynamische Viskosität. v s = g (ρ p ρ w ) d p 2 18 η [ m s ] 304

3 Anhang A1 Modulbeschreibungen Lamellenabscheider Die angegebenen Gleichungen beschreiben die Grundvorgänge bei optimaler Sedimentation kugelförmiger Partikel. Die Berechnung von Sedimentationsvorgängen von belebtem Schlamm erfordert aufgrund der Oberflächenbeschaffenheit von Belebtschlammflocken gegenüber glatter Kugeln und aufgrund des Schwarmverhaltens (Partikel sinken nicht einzeln sondern im Kollektiv ab) Korrekturen. (Buer, 2000) 2.2 Dimensionierung / Bemessungsansatz Für die Dimensionierung von Lamellenabscheidern in Vorklärbecken gibt es kein Regelwerk. Folgende Gleichungen sind maßgeblich aus Dohmann et al. (2003) entnommen. Abbildung 2: Weg eines Partikels durch eine Lamelle (Dohmann et al., 2003) Für die Absetzzeit t ergibt sich: t = H v sin v s [s] Für die Lamellenbeschickung muss nach Dohmann et al. (2003), der auf die Fa. Munters Euroform verweisen (Krauth und Bondareva, 2002), folgende Bedingung gelten: q p v s (1 + h l H ) [m s ] Die Berechnung der Oberflächenbelastung erfolgt nach: Q m : Zulauf A eff : effektive Absetzfläche q A = Q m A eff [ m h ] Die Berechnung der effektiven Absetzfläche A eff eines Lamellenpakets erfolgt nach: n n A eff = A i,proj = A i cos i=1 i=1 [m²] 305

4 Mit n als Anzahl der Lamellen, A i Abscheidefläche einer Lamelle sowie α Neigungswinkel der Lamellen, welcher in der Regel beträgt (Dohmann et al., 2003). Nach Schöder et al. (2001) wird mit einer Oberflächenbelastung von 1 m/h ein Rückhalt partikulärer Stoffe von 50 % sicher eingehalten. Die Untersuchungen bezogen sich jedoch auf Lamellenabscheider, welche in Nachklärbecken eingesetzt wurden. Freund et al. (2003) geben eine Oberflächenbeschickung zwischen 0,8 und 1,3 m/h an; Erfahrungen mit einer Oberflächenbeschickung größer als 1,6 m/h liegen nicht vor. Diese Erkenntnisse stammen aus dem Einsatzbereich von Lamellenabscheidern in Belebungsbecken. Der User soll die Oberflächenbeschickung im Bereich 0,8 bis 1,3 m/h vorgeben (default: 1,0 m/h), so dass sich bei bekanntem Q m die effektive Absetzfläche berechnen lässt, die Grundlage für die Kostenkalkulation ist. 2.3 Abbildung der Stoffströme Im Folgenden werden Ergebnisse aus Literaturrecherchen aufgeführt. McKean et al. (2010) untersuchten die Parameter BSB 5, suspendierte Stoffe, Gesamtstickstoff und Gesamtphosphor beim Einsatz von Lamellenabscheidern in Vorklärbecken (s. Tabelle 1). In Phase 1 wurden Abscheideleistungen bezüglich der genannten Parameter in konventionellen Vorklärbecken untersucht. Phase 2 zeichnete sich durch den Einsatz eines Lamellenabscheiders aus. In Phase 3 wurden zusätzlich Koagulenzien hinzu dosiert. Die Ergebnisse der drei Versuchsphasen zeigt Tabelle 1, wobei sich die angegebenen Prozentwerte aus dem Quotienten (Konzentration Zulauf- Konzentration Ablauf) dividiert durch die Zulaufkonzentration ergeben. Tabelle 1: Versuchsergebnisse zum Stoffrückhalt beim Einsatz von Lamellenabscheidern in Vorklärbecken aus McKean et al. (2010) Versuchsphase BSB 5 Rückhalt (%) Rückhalt suspendierter Stoffe (%) Rückhalt Gesamtstickstoff (%) Rückhalt Gesamtphosphor (%) 1: konventionelles Vorklärbecken 2: Verwendung eines Lamellenabscheiders 3: zusätzlich zu Phase 2 Verwendung von Koagulenzien (Polyaluminiumchlorohydrat (PAC 23), 30ppm) < Gaspari et al. (2009) veröffentlichten Ergebnisse (s. Abbildung 3), die die Abscheideleistung von Lamellenklärern unter Verwendung von Fäll- und Flockungsmitteln auf einer großtechnischen Kläranlage zeigen. 306

5 Anhang A1 Modulbeschreibungen Lamellenabscheider Abbildung 3: Eliminationsleistungen gängiger Abwasserparameter beim großtechnischen Einsatz von Lamellenabscheidern in der mechanischen Stufe unter Verwendung von Fäll- und Flockungsmitteln (RS: raw sewage (Rohabwasser), DE: decanted effluent (Ablauf Lammelenabscheider)) Für die modelltechnische Umsetzung des Moduls Lamellenabscheider in Vorklärbecken wird ohne den Einsatz von Fäll- und Flockungsmitteln grundsätzlich für gelöste Stoffe ein Wirkungsgrad von 0 (kein Rückhalt) angesetzt. Für partikuläre Stoffe wird eine durch den Anwender des Modells vorzugebende Schätzung des Rückhalts vorgenommen (default: 50 % Rückhalt partikulärer Stoffe) mit den entsprechenden Auswirkungen auf die Parameter CSB und P ges. Die zusätzliche Dosierung von Fäll- und Flockungsmitteln erhöht den Abscheidewirkungsgrad weiter. Auch dieser Wert sollte von den Nutzern des Modells variabel angegeben werden können. Eventuell können die Tabelle sowie die Grafik aus der Literatur dem User angezeigt werden, um als Anhalt zu dienen. 2.4 Abschätzung des Energiebedarfs Es sind keine Energiekosten zu kalkulieren, sofern der Energiebedarf für eine Belüftung der Lamellenpakete vernachlässigt wird (s.o.). 2.5 Abschätzung der Kosten Der Betrieb von Vorklärbecken mit Lamellenabscheider benötigt mehr Personaleinsatz als konventionelle Vorklärbecken, da Verstopfungen an den Lamellen nicht auszuschließen sind und diese manuell entfernt werden müssen. Betriebskosten entstehen beim Einsatz von Fäll- und Flockungsmitteln. Diese werden separat behandelt (Stichwort: CEPT: chemically enhanced primary treatment). 307

6 Zur Berechnung der Investitionskosten kann die Annahme aus dem Jahr 2003 mit 200 je m² Lamellenabscheiderfläche unter Berücksichtigung der Inflation angesetzt werden (Dohmann et al., 2003). 3 Literaturverzeichnis Buer, T. (2000): Entwicklung von Einlaufabscheidern für Nachklärbecken von Belebunganlagen; Dissertation an der RWTH Aachen, GWA Band 182 Dohmann, M.; Buer, T.; Stepkes, H.; Krisam, J.; Arndt, D.; Hördemann, K.W.; Pape, E.; Schledding, W. (2003): Einsatz von Lamellenabscheidern in Mischwasserbehandlungsanlagen, Schlussbericht, Zugriff am Freund, M.; Grünebaum, T.; Kolisch, G.; Koppetsch, J.; Plaß, R.; Wotrubez, H.; Schu, P. (2003): Einsatz von Lamellenabscheidern in Belebungsbecken, Korrespondenz Abwasser/Abfall 1/2003 Gaspari, J.; Rocher, V.; Gilbert, S.; Azimi, S.; Chebbo, G. (2009): Occurance and removal of priority pollutants by lamella clarification and biofiltration, Water Research, 44 (2010), McKean, T.; Bourke, B.; Mitchell, W.; Caplygin, L.; McKeown, R. (2010): Novel application of a lamella clarifier for improved primary treatment of domestic wastewater. 73rd Annual Water Industry Engineers and Operators Conference, Bendigo Exhibition Centre, , Zugriff am Schröder, R.; Augustinova, E.; Wotrubez, H. (2001): Einsatz von Lamellenabscheidern, Acta Montanistica Slovaca, Rocnik 6, 3, S , Zugriff am