Vor-Ort-Vergleich von technischen und naturnahen Kleinkläranlagen. bei gleichen Untersuchungsbedingungen

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1 i UNIVERSITÄT ROSTOCK Agrar- und Umweltwissenschaftliche Fakultät Institut für Umweltingenieurwesen Vor-Ort-Vergleich von technischen und naturnahen Kleinkläranlagen bei gleichen Untersuchungsbedingungen DISSERTATION Zur Erlangung des akademischen Grades Doktor der Ingenieurwissenschaften (Dr.-Ing.) an der Agrar- und Umweltwissenschaftlichen Fakultät der Universität Rostock Vorgelegt von Dipl.-Ing. Dania Al Jiroudi aus Rostock Am GUTACHTER Erstgutachter: Prof. Dr.-Ing. habil. Hartmut Eckstädt Zweitgutachter: Prof. Dr.-Ing. Jörg Londong Drittgutachter: Dr.-Ing. Reinhard BOLLER Das wissenschaftliche Verteidigung fand am statt

2 Lebenslauf ii LEBENSLAUF PERSÖNLICHE ANGABEN Name: Dania Al Jiroudi Staatsangehörigkeit: Syrisch Geburtsdatum: Geburtsort: Damaskus SCHULBILDUNG Schule in Bagdad Gymnasium in Damaskus Abschluss: Abitur UNIVERSITÄRE AUSBILDUNG Universität Damaskus Studium: Bauingenieurwesen Fachrichtung: Umwelttechnik Abschlussarbeit: Abwasserentsorgungskonzept der Gemeinde Mazlum Hochschule Nordostniedersachsen (FH) Studium: Bauingenieurwesen Fachrichtung: Water Resources Management in Tropical and Subtropical Regions Masterarbeit: Die Abwasserbehandlung im ländlichen Raum in Deutschland und die Übertragbarkeit naturnaher Methoden auf semiaride Gebiete am Beispiel Syrien Universität Rostock Studium: Agrar- und Umweltwissenschaft Fachrichtung: Landeskultur und Umweltschutz Diplomarbeit: Einsatz naturnaher Kleinkläranlagen unter ariden Bedingungen Seit 2002 Universität Rostock Studium: Agrar- und Umweltwissenschaft Fachrichtung: Umweltingenieurwesen Doktorarbeit: Überprüfung von Kleinkläranlagen als zukunftsfähiges Element der Abwasserbehandlung hinsichtlich der Bewirtschaftung der Ressourcen im ländlichen Raum

3 Lebenslauf iii WEITERBILDUNG 1999 (1 Woche) FH Oldenburg Photogrammetrik und Luftbildauswertung 6/ /2000 Internationale Frauenuniversität, Hannover Sommerkurs "Water Quality and Wastewater Treatment Seit 2003 Forschungsverbund Mecklenburg-Vorpommern e.v. Berufsbegleitende Qualifizierung Training für Akademiker in Führungspositionen BERUFLICHE TÄTIGKEIT Stadtverwaltung Damaskus, Technische Abteilung Bauüberwachung von Schulgebäuden 2002 Universität Rostock, Institut: Kulturtechnik und Umweltschutz Wissenschaftliche Hilfskraft in verschiedenen Projekten Seit 2003 Universität Rostock, Institut: Umweltingenieurwesen Wissenschaftliche Mitarbeiterin Prüfung von Kleinkläranlagen, Erstellung von Abwasserentsorgungskonzepten, Studentenbetreuung, Seminare PRAKTIKA 6/ /1993 Ingenieurbüro Al Zain, Damaskus Bereich: Planen von Wasserkraftanlagen 8/ /1999 AQUA Plan GmbH, Gießen Bereich: Planen und Überwachung von dezentralen Kläranlagen 7/ /2002 Eurawasser Nord GmbH, Rostock Bereich: Abwasserlaboranalysen SPRACHKENNTNISSE Arabisch Deutsch Englisch Muttersprache Verhandlungssicher Fließend in Wort und Schrift EHRENAMTLICHE TÄTIGKEITEN Seit 1994 Mitglied des Ingenieurverbandes in Syrien Seit 2000 Aktives Mitglied einer internationalen NRO zum Thema Nachhaltigkeit Seit 2001 Mitglied des DWA e.v. in Deutschland Rostock,

4 iv VERÖFFENTLICHUNGEN UND FACHVORTRÄGE 1. Kleinkläranlagen im Vergleich, ATV-DVWK-Nord-Ost KKA-Fachkundekurs Dorf Mecklenburg, Erste Ergebnisse des Kleinkläranlagendemonstrationsfeldes "Dorf Mecklenburg" und empfohlene Einsatzbereiche verschiedener Anlagentypen, Abwassertagung, Schwerin, Januar Direkter Vergleich von Kleinkläranlagensystemen, 16. Norddeutsche Fachtagung für Abwasserwirtschaft und Gewässer, Heft 45, Lübeck, Feb Erfahrungen beim Betrieb des Kleinkläranlagen-Demonstrationsfeldes "Dorf Mecklenburg, Überregionaler 7. Fachkongress KAWAB 04, Neubrandenburg, April On-site comparison among small wastewater treatment systems, IWA- Conference Marocco, September Operational experience results of wetlands in comparison with small technical plants, Wetlands- Conference, Avignon, 26. September - 1st October, Kleinkläranlagen im Vergleich, 5. Rostocker Abwassertagung "Dezentrale Abwasserentsorgung", Oktober, Kleinkläranlagen im ländlichen Raum, Fachtagung Neubrandenburg, Oktober Erfahrungen aus dem Vergleich von Kleinkläranlagen auf dem Demonstrationsfeld in Dorf Mecklenburg, GWA 5- Wasser/Abwasser, ISSN , Mai Vergleich von Kleinkläranlagensystemen, Die Deutsche Vereinigung für Wasserwirtschaft DWA im September 2005

5 v VORWORT Im Rahmen dieser Arbeit wird zum ersten Mal ein direkter Vergleich von Kleinkläranlagen vorgestellt, welche unter den gleichen Randbedingungen parallel betrieben wurden. Die vorliegende Dissertation entstand während meiner Tätigkeit als wissenschaftliche Mitarbeiterin am Institut für Umweltingenieurwesen an der Universität Rostock und wurde von der Landesgraduiertenförderung M.- V. gefördert. Das von Prof. W. PFEIFFER entwickelte Konzept des Demonstrations- und Versuchsfeldes war die Basis für diese Dissertation. An erster Stelle möchte ich mich herzlich bei meinem Doktorvater Prof. H. Eckstädt für die Betreuung dieser Dissertation und die hilfreichen Anregungen zur Vorversion der Arbeit bedanken. Besonders hervorzuheben ist seine konstante Bereitschaft, ein offenes Ohr für meine Probleme zu haben und Hinweise zu geben. Ihm verdanke ihm eine schöne Zeit in Deutschland. Dem Projektleiter Dr. M. Barjenbruch verdanke ich die fachliche Anregungen, zahlreiche Diskussionen und berechtigte Kritiken, die größten Einfluss auf die Planung und die Durchführung der Versuche sowie die Erstellung dieser Arbeit hatten. Herrn Prof. J. Londong bin ich für die Übernahme des zweiten Gutachtens dankbar. Herr Dr. R. BOLLER danke ich für die kritische Durchsicht der Arbeit sowie die fachlichen und persönlichen Ratschläge zu vielen Teilen meiner Dissertation. Weiterhin bedanke ich mich bei der Landesgraduiertenförderung. Mit ihrer finanziellen Unterstützung konnte ich meine Zeit vollständig der Forschung widmen. Ich bedanke mich auch bei allen Kollegen, die zum Gelingen meiner Arbeit beigetragen haben: Prof. W. PFEIFFER; H. Brauer; U. Meinert; S. Lenz; S. Lorenz; Dr. Th. Salzmann; B. Ballschmiter; U. Strobach; Ch. Odya; den Mitarbeiter des Zweckverbandes Wismar sowie den Mitarbeitern der Hersteller- und Wartungsfirmen von den Kleinkläranlagen. Frau Dr. Ch. Stapel hat besonderen Anteil an der sprachlichen Abrundung meiner Arbeit. Für das Lesen und die Korrektur des Manuskriptes möchte ich mich bei ihr bedanken. Für die kritische Durchsicht der Arbeit in ihrer Freizeit bin ich Frau Dr. S. Odya dankbar. Ihre pfiffigen Empfehlungen und humorvollen Kommentare haben mir vor allem in der letzten Phase der Erstellung der Dissertation geholfen. Den Rückhalt, den mir meine Schwester N. Al Jiroudi und Frau Dr. R. Siegmund mit ihren Ermutigungen gaben, möchte ich besonders hervorzuheben. Diese Arbeit ist der Wissenschaft und dem Forschungsgeist gewidmet. Rostock, den Dania Al Jiroudi

6 vi SELBSTÄNDIGKEITSERKLÄRUNG Ich erkläre, dass ich die hier vorgelegte Arbeit selbständig und ohne fremde Hilfe verfasst, keine anderen als die von mir angegebenen Quellen und Hilfsmittel benutzt und die den verwendeten Werken wörtlich oder inhaltlich entnommenen Stellen als solche kenntlich gemacht habe. Rostock, den Dania Al Jiroudi

7 vii INHALTSVERZEICHNIS 1 PROBLEMSTELLUNG UND ZIELSETZUNG THEORETISCHE GRUNDLAGEN EINSATZ VON KLEINKLÄRANLAGEN RECHTLICHE GRUNDLAGEN Abwasserbeseitigungspflicht Rechtliche Anforderungen an Kleinkläranlagen Abwasserverordnung für Kleinkläranlagen Technisches Regelwerk für Kleinkläranlagen Betrieb und Wartung Schlammabfuhr Behördliche Überwachung VERFAHREN DER ABWASSERBEHANDLUNG IN KLEINKLÄRANLAGEN Einführung Leistungsfähigkeit unterschiedlicher Kleinkläranlagentypen Zusammenstellung von Einschränkungsfaktoren für einen aussagekräftigen Vergleich KONZEPT UND METHODIK AUFSTELLUNG EINES EINFLUSSFAKTORENKATALOGES FÜR EINEN REPRÄSENTATIVEN VERGLEICH ABWASSERRELEVANTE PARAMETER PROBENNAHMEN UND PARAMETERERMITTLUNG BESCHREIBUNG DES VERSUCHSFELDES Standort Versuchsfeldaufbau und Auswahl der Kleinkläranlagen Beschickungskonzept PROGRAMM UND DURCHFÜHRUNG ARBEITSPROGRAMM STARTPHASE Ausgangssituation Erste Untersuchungen des Zulaufes Konstruktive Änderung NACHBERECHNUNG DER BEMESSUNG DER AUSGEWÄHLTEN KLEINKLÄRANLAGEN Belüftetes Festbett SBR-Anlage Tropfkörperanlage Rotationstauchkörper Vertikal durchströmte Pflanzenkläranlage ZUSAMMENFASSUNG DER NACHBEMESSUNG... 65

8 Inhaltsverzeichnis viii 5 PRÜFUNG DER KLEINKLÄRANLAGEN IN ANLEHNUNG AN DIE EUROPÄISCHEN NORMEN ABWEICHUNG VON DEN NORMEN ERGEBNISSE UND AUSWERTUNG Zulaufzusammensetzung Reinigungsleistung in spezifischen Lastsituationen Reduktion von organischen Stoffen Reduktion von Nährstoffen Reduktion von partikulären Stoffen Reinigungsstabilität Energieverbrauch Wartung, Betrieb und Betriebsprobleme Belüftetes Festbett SBR-Anlage Tropfkörper Rotationstauchkörper Vertikal durchströmte Pflanzenkläranlage Horizontal durchströmte Pflanzenkläranlage ZUSAMMENFASSUNG PRÜFUNG DER KLEINKLÄRANLAGEN NACH DER DIN STAND DER DIN NORMUNG ABWEICHUNG UNTERSUCHUNGSERGEBNISSE DISKUSSION Reinigungsleistung N-Entnahme Betrieb und Wartung Energieverbrauch Konstruktion Badewannenstoß ZUSAMMENFASSUNG VERGLEICH DER KEIMREDUZIERUNG IN KLEINKLÄRANLAGEN UND DER WIEDERVERWENDUNGSFÄHIGKEIT DES ABWASSERS HINTERGRÜNDE UND ZIELSETZUNG ANFORDERUNG STAND DES WISSENS ARBEITSPLAN PARAMETER, METHODIK UND DURCHFÜHRUNG

9 Inhaltsverzeichnis ix 7.6 ERGEBNISSE DER HYGIENEPARAMETER Zulauf Abläufe Reduktion von Keimen Saisonale Differenzierung Abwasserwiedernutzung ZUSAMMENFASSUNG AUSWERTUNG VON BETRIEBSDATEN VERSCHIEDENER WARTUNGSFIRMEN BETRIEBSDATENERFASSUNG ERGEBNISSE UND AUSWERTUNG DER BETRIEBSDATEN Reinigungsleistung CSB-Ablaufwerte BSB 5 -Ablaufwerte ph-werte Sauerstoffgehalt Betriebsprobleme Betriebskosten Wartungskosten Schlammentsorgungskosten Energiekosten Instandhaltungskosten Betriebshandhabung ZUSAMMENFASSUNG ZUSAMMENFASSUNG LITERATUR

10 x ABBILDUNGSVERZEICHNIS ABBILDUNG 1: ANSCHLUSS DER BEVÖLKERUNG AN DIE ÖFFENTLICHE KANALISATION IN OST- UND WESTDEUTSCHLAND [STATISTISCHES BUNDESAMT, 2003, GEÄNDERT]... 4 ABBILDUNG 2: ENTWICKLUNG DES ANSCHLUSSGRADES IN DEUTSCHLAND [STATISTISCHES BUNDESAMT 2003]... 4 ABBILDUNG 3: ENTSCHEIDUNGSKRITERIEN FÜR ODER GEGEN EINE DEZENTRALE LÖSUNG [FRANZ ET AL. 2005]... 7 ABBILDUNG 4: ÜBERBLICK ÜBER VERSCHIEDENE VERFAHRENSVARIANTEN DER BIOLOGISCHEN ABWASSERREINIGUNG [NACH SCHÜRMANN 2003, GEÄNDERT] ABBILDUNG 5: VARIATIONSBREITE DER MITTLEREN CSB- ABLAUFKONZENTRATION ANHAND VON LITERATURANGABEN [NACH FLASCHE 2002] ABBILDUNG 6: VERGLEICH DER VARIATIONSBREITE DER MITTLEREN CSB-ABLAUFWERTE VERSCHIEDENER KLEINKLÄRANLAGENVERFAHREN ANHAND VON VERSCHIEDENEN ERHEBUNGEN ABBILDUNG 7: FLIEßSCHEMA DES DEMONSTRATIONSFELDES FÜR KLEINKLÄRANLAGEN IN DORF MECKLENBURG ABBILDUNG 8: VERGLEICH DES ABSETZVERLAUFES VON ROHABWASSER IM FREIGEFÄLLE UND IM VERSUCHSFELD DES GEPUMPTEN ABWASSERS ABBILDUNG 9: GEMESSENE TAGESGANGLINIEN DES ZULAUFES AN EINEM WERKTAG UND EINEM WOCHENENDE ABBILDUNG 10: AUFBAU DER KOMPAKTEN BELÜFTETEN FESTBETTANLAGE FÜR 4 EW ABBILDUNG 11: AUFBAU SBR-ANLAGE [LENZ 2004T] ABBILDUNG 12: AUFBAU DES TROPFKÖRPERS [LENZ, 2004] ABBILDUNG 13: AUFBAU DER SCHEIBENTAUCHKÖRPERANLAGE [LENZ 2004] ABBILDUNG 14: AUFBAUSKIZZE DES VERTIKAL DURCHSTRÖMTEN BODENFILTERS ABBILDUNG 15: AUFBAUSKIZZE DES HORIZONTAL DURCHSTRÖMTEN PFLANZENBETTES ABBILDUNG 16: CSB-UNTERSCHREITUNGSHÄUFIGKEIT DER UNTERSUCHTEN KKA ABBILDUNG 17: NH 4 -N-UNTERSCHREITUNGSHÄUFIGKEIT DER UNTERSUCHTEN KLEINKLÄRANLAGEN ABBILDUNG 18: ENERGIEBEDARF DER KKA AUF DEM VF IN DORF MECKLENBURG IM VERGLEICH ZU ANDEREN ERHEBUNGEN ABBILDUNG 19: ENERGIEKOSTEN DER KKA ABBILDUNG 20: VERGLEICH DER REINIGUNGSLEISTUNGEN MITTELS CSB-ABLAUFWERTE DER KKA WÄHREND UND NACH DER LAST-PRÜFUNG ABBILDUNG 21: VERGLEICH DER REINIGUNGSLEISTUNGEN MITTELS BSB 5 ABLAUFWERTE DER KKA WÄHREND UND NACH DER LAST-PRÜFUNG ABBILDUNG 22: VERGLEICH DER NITRIFIKATION DER KKA WÄHREND UND NACH DER PRÜFUNG ABBILDUNG 23: VERGLEICH DES N-ABBAUS DER KKA WÄHREND UND NACH DER PRÜFUNG ABBILDUNG 24: VERGLEICH DES ENERGIEVERBRAUCHES DER KKA AUF DEM VF IN DORF MECKLENBURG ZWISCHEN PRÜFJAHR UND DEM DARAUF FOLGENDEN JAHR... 99

11 Abbildungsverzeichnis xi ABBILDUNG 25: VERGLEICH DER ABLAUFWERTE WÄHREND DES BADEWANNENSTOßES BEI DEN FESTBETT-, TROPFKÖRPER- UND TAUCHKÖRPERANLAGEN ABBILDUNG 26: REDUZIERUNG VON FÄKALCOLIFORMEN-BAKTERIEN IN VERSCHIEDENEN STUFEN DER ABWASSERREINIGUNG [NACH DICHTL 2002] ABBILDUNG 27: DIE MITTLERE KEIMABBAULEISTUNG DER KKA IM VERGLEICH ABBILDUNG 28: VERGLEICH DES SAISONALEN ABBAUS DER KBE IN 20 C IN DEN VERSCHIEDENEN KLEINKLÄRANLAGEN ABBILDUNG 29: VERGLEICH DES SAISONALEN ABBAUS DER KBE 36 C IN DEN VERSCHIEDENEN KLEINKLÄRANLAGEN ABBILDUNG 30: VERGLEICH DES SAISONALEN ABBAUS DER GESAMTCOLIFORM-BAKTERIEN IN DEN VERSCHIEDENEN KLEINKLÄRANLAGEN ABBILDUNG 31: VERGLEICH DES SAISONALEN ABBAUS DER FÄKALCOLIFORM-BAKTERIEN IN DEN VERSCHIEDENEN KLEINKLÄRANLAGEN ABBILDUNG 32: VERGLEICH DER KEIMABLAUFWERTE DER KBE BEI 20 C IN DEN VERSCHIEDENEN KLEINKLÄRANLAGEN ABBILDUNG 33: VERGLEICH DER KEIMABLAUFWERTE DER KBE BEI 36 C IN DEN VERSCHIEDENEN KLEINKLÄRANLAGEN ABBILDUNG 34: VERGLEICH DER KEIMABLAUFWERTE VON GESAMTCOLIFORMEN-BAKTERIEN IN DEN VERSCHIEDENEN KLEINKLÄRANLAGEN ABBILDUNG 35: VERGLEICH DER KEIMABLAUFWERTE VON FÄKALCOLIFORMEN-BAKTERIEN IN DEN VERSCHIEDENEN KLEINKLÄRANLAGEN ABBILDUNG 36: VERGLEICH DER SAISONALEN ABLAUFWERTE DER KBE BEI 20 C IN DEN VERSCHIEDENEN KLEINKLÄRANLAGEN ABBILDUNG 37: VERGLEICH DER SAISONALEN ABLAUFWERTE DER KBE BEI 36 C IN DEN VERSCHIEDENEN KLEINKLÄRANLAGEN ABBILDUNG 38: VERGLEICH DER SAISONALEN ABLAUFWERTE DER GESAMTCOLIFORMEN-BAKTERIEN IN DEN VERSCHIEDENEN KLEINKLÄRANLAGEN ABBILDUNG 39: VERGLEICH DER SAISONALEN ABLAUFWERTE DER FÄKALCOLIFORMEN-BAKTERIEN IN DEN VERSCHIEDENEN KLEINKLÄRANLAGEN ABBILDUNG 40: ÜBERSCHREITUNGS- BZW. UNTERSCHREITUNGSRATE DES CSB-ABLAUFGRENZWERTES VON DEN 740 SYSTEMÜBERGREIFEND UNTERSUCHTEN ANLAGEN MIT ANALYSEN ABBILDUNG 41: VERGLEICH DER CSB-ABLAUFWERTE BEI TROPFKÖRPERANLAGEN VERSCHIEDENER WARTUNGSFIRMEN ABBILDUNG 42: VERGLEICH DER CSB-ABLAUFWERTE BEI SBR-ANLAGEN VERSCHIEDENER WARTUNGSFIRMEN ABBILDUNG 43: ÜBERSCHREITUNGS- BZW. UNTERSCHREITUNGSRATE DES BSB 5 -ABLAUFGRENZWERTES VON DEN 541 UNTERSUCHTEN KLEINKLÄRANLAGEN IN SYSTEMÜBERGREIFENDER ZUSAMMENSTELLUNG ABBILDUNG 44: VERGLEICH DER BSB 5 -ABLAUFWERTE BEI TROPFKÖRPERANLAGEN VERSCHIEDENER WARTUNGSFIRMEN

12 Abbildungsverzeichnis xii ABBILDUNG 45: VERGLEICH DER BSB 5 -ABLAUFWERTE BEI SBR-ANLAGEN VERSCHIEDENER WARTUNGSFIRMEN ABBILDUNG 46: VERFAHRENSÜBERGREIFENDE VERTEILUNG DER HÄUFIGSTEN BETRIEBSPROBLEME NACH STÖRUNGSGRUND VON 199 ANLAGEN ABBILDUNG 47: VERTEILUNG DER 199 ANLAGEN DER WARTUNGSFIRMA ABBILDUNG 48: JÄHRLICHE BETRIEBSKOSTEN BEI KLEINKLÄRANLAGEN [GEÄNDERT NACH BOLLER 2005,A] ABBILDUNG 49: ENERGIEKOSTEN EINER 4 E-ANLAGE IN ABHÄNGIGKEIT VON DEN REINIGUNGSVERFAHREN (STAND 2005)

13 xiii TABELLENVERZEICHNIS TAB. 1: ANSCHLUSS DER BEVÖLKERUNG AN ÖFFENTLICHE KANALISATION [STATISTISCHES BUNDESAMT 2003]... 3 TAB. 2: ZU BEACHTENDE KOSTEN BEI SEMI-/DEZENTRALER LÖSUNG [FRANZ ET AL. 2005]... 8 TAB. 3: EMPFEHLUNG ZUR PARAMETERVARIATION [ FRANZ ET AL. 2005]... 9 TAB. 4: ZUSAMMENFASSUNG DER UMSETZUNG VON EU-RICHTLINIE BIS ZUM ERRICHTEN EINER KLEINKLÄRANLAGE TAB. 5: BAUPHASEN EINER KLEINKLÄRANLAGE UND DEREN ZUSTÄNDIGKEIT [UAN 2004, GEÄNDERT] TAB. 6: ANFORDERUNGEN AN DIE EINLEITUNG VON ABWASSER AUS KLEINKLÄRANLAGEN [ABWV 2002].. 15 TAB.: 7: TECHNISCHE ANFORDERUNGEN AN KLEINKLÄRANLAGEN TAB. 8: ZUSTÄNDIGKEIT FÜR BETRIEB UND WARTUNG VON KLEINKLÄRANLAGEN [UAN 2004] TAB. 9: MAXIMAL ZULÄSSIGES SCHLAMM-WASSER-VERHÄLTNIS [NEEMANN 2002] TAB. 10: MITTEL-, MEDIAN UND 60 %- PERZENTILWERTE DER CSB-, BSB 5 - UND NH 4 -N-ABLAUFWERTE IN ABHÄNGIGKEIT DER VERFAHREN (NACH FLASCHE 2002) TAB. 11: MITTELWERTE UND 85 %-WERTE DER UNTERSCHREITUNGSHÄUFIGKEIT AUS DER BAUAUFSICHTLICHEN ZULASSUNG GEPRÜFTER KLEINKLÄRANLAGENVERFAHREN [NACH BARJENBRUCH & AL JIROUDI 2003] TAB. 12: MITTELWERTE DES CSB- UND BSB 5 -WERTES, ERMITTELT AUS ÜBERWACHUNGSDATEN IN ABHÄNGIGKEIT VOM ANLAGENTYP (ZUSAMMENGEFASST AUS [FLASCHE 2002 ; HOHEISEL 2000]) TAB. 13: ANLAGENBEZOGENE REINIGUNGSERGEBNISSE DER UNTERSUCHTEN ANLAGEN VON [MÜLLER 1991] TAB. 14: ABLAUFWERTE DER ANLAGEN UNTER EINHALTUNG DER NOTWENDIGEN BETRIEBSBEDINGUNGEN VON TAB. 15: KKA VERTEILUNG DER ERFASSTEN ANLAGEN IN DEN UNTERSUCHTEN ZWECKVERBÄNDEN [ENGLERT & KAUB 2004] TAB. 16: ANZAHL DER UNTERSUCHTEN ANLAGEN IN DEN LITERATURANGABEN [ENGLERT& KRAUB 2004] 30 TAB. 17: VERGLEICH DER CSB-GRENZWERTÜBERSCHREITUNG IN [%] VERSCHIEDENER TECHNISCHER KKA MIT TAB. 18 EINSCHRÄNKUNGSFAKTOREN FÜR EINEN AUSSAGEKRÄFTIGEN VERGLEICH VON KKA TAB. 19: ABWASSER- UND SCHLAMMRELEVANTE PARAMETER, ANALYSE, INSTRUMENTE UND TRANSPORT 40 TAB. 20: KOMPETENZ UND PARTNER DES VERSUCHSFELDES IN DORF MECKLENBURG TAB. 21: KOMPAKTE DARSTELLUNG DER AUF DEM VERSUCHSFELD BEFINDLICHEN KLEINKLÄRANLAGEN TAB. 22: ARBEITSPROGRAMM TAB. 23: ABWASSERSTRÖME IM ZWECKVERBAND WISMAR * TAB. 24: ZUSAMMENSETZUNG DES ROHABWASSERS IM ZULAUF DER Z KA (JAHR 2003 UND 2004) TAB. 25: VERGLEICHE DER KONZENTRATIONEN IM ROHABWASSER TAB. 26: VERMINDERUNG DER SCHMUTZFRACHT DES ZULAUFES INS VERSUCHSFELD... 46

14 Tabellenverzeichnis xiv TAB. 27: BESCHICKUNGSMENGEN DER EINZELNEN ANLAGEN TAB. 28: BESCHICKUNGSMENGEN DER EINZELNEN ANLAGEN TAB. 29: VERGLEICH DER ABWASSERTECHNISCHEN BERECHNUNG ZUR ZULASSUNG UND ZUM IST-ZUSTAND DES BELÜFTETEN FESTBETTES [LENZ 2004, GEÄNDERT] TAB. 30: VERGLEICH DER ABWASSERTECHNISCHEN BERECHNUNG ZUR ZULASSUNG UND IST-ZUSTAND DER SBR- ANLAGE [LENZ 2004, GEÄNDERT] TAB. 31: VERGLEICH DER ABWASSERTECHNISCHEN BERECHNUNG ZUR ZULASSUNG UND DES IST-ZUSTANDES DES TROPFKÖRPERS [LENZ 2004, GEÄNDERT] TAB. 32: VERGLEICH DER ABWASSERTECHNISCHEN BERECHNUNG ZUR ZULASSUNG UND DES IST-ZUSTANDES DES SCHEIBENTAUCHKÖRPERS [LENZ 2004, GEÄNDERT] TAB. 33: TECHNISCHE DATEN DER VERTIKAL DURCHSTRÖMTEN PFLANZENKLÄRANLAGE TAB. 34: TECHNISCHE DATEN DER HORIZONTAL DURCHSTRÖMTEN PFLANZENKLÄRANLAGE TAB. 35: ZEITPLAN FÜR DIE KLEINKLÄRANLAGEN-PRÜFUNG NACH [PREN ] TAB. 36: UNTERSUCHUNGSPROGAMM DES VERSUCHSFELDES DORF MECKLENBURG TAB. 37: MITTLERE ZULAUFKONZENTRATIONEN IN ABHÄNGIGKEIT DER UNTERSUCHUNGSPHASE TAB. 38: VERGLEICH DER CSB-ABLAUFWERTE (MITTELWERT IN MG/L) UND DER ABBAULEISTUNGEN (MITTELWERT IN %) DER UNTERSUCHTEN KKA IN ABHÄNGIGKEIT VON DEN VERSCHIEDENEN MESSPHASEN TAB. 39: VERGLEICH DER BSB 5 -ABLAUFWERTE (MITTELWERT IN MG/L) UND DER ABBAULEISTUNGEN TAB. 40: VERGLEICH DER NH 4 -N-ABLAUFWERTE (MITTELWERT IN MG/L) UND DER ABBAULEISTUNGEN (MITTELWERT %) OHNE DIE BETRACHTUNG DES ORGANISCHEN STICKSTOFFS IN ABHÄNGIGKEIT VON VERSCHIEDENEN MESSPHASEN TAB. 41: VERGLEICH DER STICKSTOFFABLAUFWERTE (MITTLERE NH 4 -N-ZULAUFKONZENTRATION 67 MG/L) 74 TAB. 42: VERGLEICH DER P GES. -ABLAUFWERTE (MITTELWERT IN MG/L) UND DER ABBAULEISTUNGEN (MITTELWERT IN %) DER UNTERSUCHTEN KKA IN ABHÄNGIGKEIT VON VERSCHIEDENEN LASTPHASEN.. 77 TAB. 43: ERGEBNISSE DES AFS ABLAUFES TAB. 44: ZULÄSSIGE BELASTUNGEN BEI KLEINKLÄRANLAGEN TAB. 45: ABMINDERUNGSFAKTOREN DES BSB 5 UND CSB ZUR FRACHTBEMESSUNG TAB. 46: VERGLEICH DER ABBAULEISTUNGEN [%] DER KLEINKLÄRANLAGEN AUF DEM VERSUCHSFELD IN ABHÄNGIGKEIT VON VERSCHIEDENEN TEMPERATURBEREICHEN TAB. 47: DIE ABHÄNGIGKEIT DER ABBAULEISTUNG DER KLEINKLÄRANLAGEN VON TEMPERATUR UND BELASTUNG TAB. 48: VERGLEICH DES ENERGIEVERBRAUCHS DER KKA IN DORF MECKLENBURG TAB. 49: BERECHNETE ZULAUFFRACHTEN ZUR BESTIMMUNG DER KOLMATIONSANFÄLLIGKEIT TAB. 50: PROGRAMM DER BEPROBUNG IN DER DIN 4261 TEIL TAB. 51: UNTERSUCHUNGSERGEBNISSE DES ZWEITEN PRÜFUNGSJAHRES TAB. 52: VERGLEICH DER STICKSTOFFABLAUFWERTE OHNE DIE BETRACHTUNG DES ORGANISCHEN STICKSTOFFES (MITTLERE NH 4 -N-ZULAUFKONZENTRATION 72 MG/L) TAB. 53: AUSFÜHRUNG DER ENERGIEARTEN FÜR DIE VERSCHIEDENEN ANLAGEN TAB. 54: MIKROBIOLOGISCHE ANFORDERUNGEN IM WASSERBEREICH [HAGENDORF ET AL. 2004]

15 Tabellenverzeichnis xv TAB. 55: VERGLEICH DER TECHNIK DER ABWASSERDESINFEKTION [BAYRISCHES BUNDESAMT 2003] TAB. 56: DIE ENTKEIMUNGSMÖGLICHKEIT IN DEUTSCHLAND UND DEREN LEISTUNGEN IM WASSERBEREICH TAB. 57: UNTERSUCHUNGSPARAMETER SOWIE VERWENDETE ANALYTIKMETHODEN UND NÄHRMEDIEN DES TESTES TAB. 58: ZULAUFKONZENTRATION DER KOLONIEBILDENDEN EINHEITEN SOWIE GESAMMT- UND FÄKALBAKTERIEN TAB. 59: DIE MITTLEREN KEIMKONZENTRATIONEN IN [/100ML] DER ABLÄUFE DER UNTERSUCHTEN KLEINKLÄRANLAGEN IM VERGLEICH TAB. 60 ABBAULEISTUNG DER PATHOGENEN KEIME IN DEN UNTERSUCHTEN KLEINKLÄRANLAGEN TAB. 61: ERGEBNISSE DER TRÜBUNG IN DEN UNTERSUCHTEN KLEINKLÄRANLAGEN TAB. 62: ANZAHL UND VERFAHREN BETRACHTETER ANLAGEN VERSCHIEDENER FIRMEN TAB. 63: ANZAHL BETRACHTETER ANLAGEN UND CSB-ANALYSEN VERSCHIEDENER FIRMEN TAB. 64: VERGLEICH DER CSB-ABLAUFWERTE MIT DEM CSB-GRENZWERT TAB. 65: ANZAHL BETRACHTETER ANLAGEN UND BSB 5 -ANALYSEN VERSCHIEDENER FIRMEN TAB. 66: VERGLEICH DER CSB-ABLAUFWERTE MIT DEM BSB 5 -GRENZWERT TAB. 67: VERGLEICH DER MITTELWERTE DES SAUERSTOFFGEHALTES, SYSTEMÜBERGREIFEND TAB. 68: VERGLEICH DER O 2 -GEHALT-MITTELWERTE BEI DEN KLEINKLÄRANLAGEN TAB. 69: WARTUNGSKOSTEN DER UNTERSUCHTEN FIRMEN TAB. 70: GEBÜHRENBEISPIELE FÜR FÄKALSCHLAMM AUS KKA IN DER BUNDESREPUBLIK (STAND 2005) TAB. 71: ÜBERSICHT ÜBER ENERGIEKOSTEN IN ABHÄNGIGKEIT VON AUSBAUGRÖßE UND VERFAHREN TAB. 72: MITTLERE JAHRESINSTANDHALTUNGSKOSTEN VON FIRMA F [GEÄNDERT BOLLER 2005A]

16 ABBKÜRZUNGSVERZEICHNIS Euro Ø Durchschnitt Ө Temperaturkoeffizient η [%] Wirkungsgrad Paragraf 2KG Zweikammergrube 3KG Dreikammergrube A Arbeitsblatt A E [m²/e] spezifische Oberfläche a Jahr a.a.r.d.t allgemein anerkannte Regeln der Technik Abs. Absatz AbwAG Abwasserabgabengesetz AbwAG M-V Abwasserabgabengesetz des Landes Mecklenburg-Vorpommern AbwV Anforderung der Abwasserverordnung AFS [mg/l] abfiltrierbare Stoffe ATV Abwassertechnische Vereinigung AS [ml/l] absetzbare Stoffe AW Abwasser BG Badegewässer B R [g/(m³ d] BSB 5 -Raumbelastung bfb Belufteter Festbett BSB n [mg/l] Biochemischer Sauerstoffbedarf nach n Tagen BW Brauchwasser C [mg/l] Kohlenstoff CO 2 [mg/l] Kohlendioxid CSB [mg/l] chemischer Sauerstoffbedarf CSB fil [mg/l] chemischer Sauerstoffbedarf der membranfiltrierten Proben d Tag DB R,N(T) DIBt DIN DIN EN DM DN DWA EPA EU E [kgnh 4 N/m³ d] Nitrifikationsleistung in Abhängigkeit der Temperatur Deutsches Institut für Bautechnik Deutsches Institut für Normung Europäische Norm Dorf Mecklenburg Nenndurchmesser Deutsche Vereinigung für Wasserwirtschaft Abwasser & Abfall e.v. Environmental Protection Agency Europäische Union Einwohner

17 Abkürzungsverzeichnis xvii EW Einwohnerwert EWG Einwohnergleichwert EPS extrazelluläre polymere Substanzen et al. und andere F (x) [m²] Bewuchsfläche FA Filteranlage Fa. Firma FB Tauchkörperanlage mit ständig getauchtem Festbett GK Größenklasse GOK Geländeoberkante GW Grenzwert h Stunde h. bzw. horz. horizontal durchstömt HRO Hansestadt Rostock l Liter i. a. Im Allgemeinen IEUT Institut für Energie-und Umwelttechnik, Rostock IDM Induktiver Durchflussmesser IfSG Infektionsschutzgesetz KA Kläranlage KBE [n/100ml] koloniebildende Einheiten K KA Kombinationsanlage k f [m/s] Durchlässigkeitswert KG Kanalgrundleitung KKA-VwV Kleinkläranlagen- Verwaltungsvorschrift K 2 Cr 2 O 7 [mg/l] Kaliumdichromat l Liter LAWA Länderarbeitsgemeinschaft Wasser LW Leitwert LWG Landeswassergesetz LWaG M-V Landeswassergesetz Mecklenburg-Vorpommern MA Membrananlage MKG Mehrkammergrube MP Mischprobe ml Mililiter MPN [n] More-probable-number-Methode M-V Mecklenburg-Vorpommern MW Mittelwert n [-] Zahl N [mg/l] Stickstoff N anorg. [mg/l] anorganischer oder mineralisch gebundener Stickstoff

18 Abkürzungsverzeichnis xviii N org. [mg/l] organischer Stickstoff NO 2 -N [mg/l] Nitrit-Stickstoff NH 4 -N [mg/l] Ammonium-Stickstoff NK Nachklärung NRW Nordrhein-Westfalen O 2 [mg/l] Sauerstoffgehalt FA Filteranlage P [mg/l] Phosphor P ges [mg/l] Gesamtphosphorgehalt ph der negative dekadische Logarithmus der Wasserstoffionenkonzentration (pondus Hydrogenii) PKA Pflanzenkläranlage qmp qualifizierte Mischprobe R Referenz RTK Rotationstauchkörper S Sommerperiode SP Stichprobe SB Schwebbett SBR Sequencing batch reactor SPS speicherprogrammierbare Steuerung STK Scheibentauchkörpe T [ C] Temperatur TK Tropfkörperanlage Tr. [NTU] Trübung TS [mg/l] Trockensubstanz TU Technische Universität TW Trinkwasser UIW Institut für Umweltingenieurwesen VF Versuchsfeld v. bzw. vert. PKA Vertikal durchströmte Pflanzenkläranlage VK Vorklärung VT Lehrstuhl für Verfahrenstechnik/ Biotechnologie Universität Rostock W Winterperiode WasBauPVO Wasserbau Bauproduktverordnung WHG Wasserhaushaltsgesetz WRRL Wasserrahmenrichtlinie Z KA Zentrale Kläranlage ZV Zweckverband

19 THESEN 1. Bisherige Vergleiche von Kleinkläranlagen lieferten nur eingeschränkte Aussagen aufgrund von unterschiedlichen Randbedingungen. Um zu allgemeinen Aussagen zu kommen, sind Langzeit-Vor- Ort-Untersuchungen an verschiedenen Kleinkläranlagensystemen unter gleichen Randbedingungen notwendig. In der vorliegenden Promotionsarbeit wurde ein direkter Vergleich von sechs in Deutschland üblichen Kleinkläranlagensystemen vorgenommen. Die Kleinkläranlagen wurden in parallelem Betrieb und mit dem gleichen Rohabwasser sowie unter gleichen Randbedingungen untersucht. Auf dem Demonstrations- und Versuchsfeld Dorf Mecklenburg bei Wismar sind dafür sechs Kleinkläranlagen (belüftetes Festbett für 4 E, SBR-Anlage für 6 E, Tropfkörperanlage für 5 E, Scheibentauchkörperanlage für 4 E sowie eine vertikale Pflanzenkläranlage für 6 E und eine horizontale Pflanzenkläranlage für 1 E) installiert worden. Über den Zeitraum von 2 Jahren wurden die Anlagen regelmäßig untersucht. Das Untersuchungsprogramm wurde für das erste Jahr (2003) in Anlehnung an die europäische Norm aufgestellt und für verschiedene Lastphasen (Normal-, Über- und Unterlast sowie Ferienbetrieb und Stromausfall) abgearbeitet. Im zweiten Jahr (2004) sind die Anlagen konstant mit 120 l/e d beaufschlagt worden. Die Prüfungen der Anlagen erfolgten nach den bisher in Deutschland geltenden Normen. Die Beschickung des Versuchsfeldes wurde mit grobstoffbefreitem Abwasser einer kommunalen Kläranlage vorgenommen. Das Einzugsgebiet des Versuchsstandortes wird im Trennsystem entwässert. Die Anlagen wurden SPS gesteuert analog der Tagesganglinie beaufschlagt. Während der Untersuchungen wurden Stichproben aus dem gemeinsamen Zulauf und den Anlagenabläufen entnommen. Die Proben sind im Hinblick auf die Reinigungsleistung vor-ort untersucht worden. Für die weiteren mikrobiologischen Untersuchungen erfolgte ein DIN-gerechter Transport nach Rostock. Untersucht wurden neben der Reinigungsleistung, der Hygienisierungsgrad, das Betriebsverhalten, die Wartung und der Energieverbrauch. 2. Mit Durchführung eines zweijährigen Forschungsprojektes (von 2003 bis 2005) auf dem Demonstrations- und Versuchsfeld Dorf Mecklenburg bei Wismar konnte nachgewiesen werden, dass nach Vereinheitlichung der Ausgangssituationen von sechs verschiedenen Kleinkläranlagen deren Leistungsfähigkeiten neu zu bewerten sind. Unter ungünstigen Bedingungen in Phase 1 (15 Wochen) niedrige Temperatur und höhere Frachtlieferten drei Anlagen (Festbett, SBR und Tropfkörper) CSB-Ablaufwerte über dem Grenzwert von 150 mg CSB/l, was zumindest bei der SBR-Anlage auf eine nicht abgestimmte Steuerung zurückzuführen war. Die übrigen Anlagen (Pflanzenkläranlagen, Rotationstauchkörperanlage) hatten vermutlich wegen ihrer separaten Vorklärung mehr Puffervolumen und damit CSB-Ablaufwerte unter dem Grenzwert. Während der Phase 1 wurden zusammen mit den Herstellerfirmen und Mitarbeitern des Zweckverbandes Wismar der Betrieb optimiert sowie die Steuerungseinstellungen und Zulaufmengen angepasst. Deswegen lagen in den restlichen Phasen alle Anlagenablaufwerte im Mittel unter dem geforderten Grenzwert von 150 mg CSB/l (Durchschnittliche Ablaufwerte in mg CSB/l: SBR = 68;

20 Thesen xx STK = 68; h.pka = 76; v. PKA = 70; FB = 103; TK = 140). Damit ist erkennbar, dass technische und naturnahe Kleinkläranlagen die Anforderungen an die Reinigung erfüllen können. Eine wichtige Voraussetzung dafür waren eine ordnungsgemäßige Wartung und ein sorgfältiger Betrieb der Anlagen. Innerhalb des Testes haben sich Anlagen mit anerkannten Verfahren bei bestimmten Lastphasen nicht bewährt. Das muss beim Einsatz der verschiedenen Verfahren berücksichtigt werden. 3. Auf dem Versuchsfeld Dorf Mecklenburg wurden im Jahre 2004 die Kleinkläranlagen im einjährigen Versuch mit konstanter hydraulischer Belastung von 120 l/e d beaufschlagt. Außer der Tropfkörperanlage haben alle Kleinkläranlagen die Anforderungen an die Reinigung erfüllt. Die kompakte Tropfkörperanlage konnte die geforderte Reinigungsleistung ökonomisch nicht erfüllen. Die niedrigsten Ablaufwerte erbrachte die horizontale Pflanzenkläranlage von durchschnittlich 36 mg CSB/l. Von den technischen Anlagen lieferte die SBR - Technik die besten Reinigungsergebnisse (durchschnittlich 50 mg CSB/l im Ablauf). Diese Ergebnisse zeigen, dass Kleinkläranlagen, die das EN Testprogramm im Jahr 2003 erfolgreich bestanden haben, in der Lage sind, eine noch deutlich bessere Reinigungsleistung im zweiten Jahr zu erbringen. Ordnungsgemäße Wartung und sorgfältiger Betrieb der Anlagen sind dafür weiterhin die Voraussetzung. 4. Die zwei Pflanzenkläranlagen auf dem Versuchsfeld bewiesen ihre Eignung als Kleinkläranlagen für die Behandlung des häuslichen Abwassers. Sie erbrachten im Vergleich mit bekannten technischen Verfahren ähnliche Reinigungsleistungen bei geringerem Energieverbrauch und weniger Betriebssowie Wartungsintensität. Zusätzlich haben sie mehr Puffervermögen und sind gegenüber vielen üblichen technischen Verfahren einfacher und zuverlässiger in der Handhabung. Einen weiteren Vorteil haben Pflanzenkläranlagen bei einer hydraulischen Stoßbelastung. Außerdem haben sie sich bei der Stickstoff- und Phosphatelimination bewährt. Sie können jedoch nicht ohne weiteres in wasserwirtschaftlichen sensiblen Regionen eingesetzt werden. 5. Die mikrobiologischen Untersuchungsergebnisse ergaben im Zulaufschmutzwasser einen hohen Anteil an fäkalcoliformen Bakterien (bis 2,4*10 8 ). Außer der Tropfkörperanlage konnten alle Kleinkläranlagen die Zahl von den fäkalcoliformen Bakterien um eine Zehnerpotenz reduzieren. Damit wurde der Abbau einer biologischen Stufe in einer zentralen Kläranlage gewährleistet. Die Abbauleistungen spannten sich über eine Breite von 0,8 bis 4,3 Zehnerpotenzen. Die Ergebnisse zeigten, dass mit den Kleinkläranlagen keine gezielte Hygienisierung möglich war. Die Keimreduzierung ist daher zunächst nur als weiterer positiver Nebeneffekt zu betrachten. Durchschnittlich lieferten die Kleinkläranlagen folgend, fäkalcoliformen Bakterien-Abbauwerte in Zehnerpotenz (h. PKA = 3,9; STK = 3,1; SBR = 3,0; v. PKA = 2,2 und FB = 1,3). Daraus resultiert, dass es nicht verallgemeinert werden kann, dass naturnahe Verfahren besser Keime reduzieren als technische Verfahren. Im Gegensatz zur Literatur erbrachten die Scheibentauchkörper- und SBR- Anlage bessere Abbauleistungen als die vertikale Pflanzenkläranlage auf dem Versuchsfeld. Allerdings war die höchste Abbauleistung durch die horizontale Pflanzenkläranlage erreichbar (im Durchschnitt 3,9 Zehnerpotenzen fäkalcoliformer Bakterien-Abbau).

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