Bemessung und Betrieb von Kläranlagen in warmen und kalten Klimazonen Design and operation of wastewater treatment plants in warm and cold climates

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1 Bemessung und Betrieb von Kläranlagen in warmen und kalten Klimazonen Design and operation of wastewater treatment plants in warm and cold climates Prof. Dr.-Ing. habil. M. Wichern, Dr.-Ing. M. Lübken, Dipl. Bio. I. Grote

2 Warum wird das Abwasser behandelt? Hygienische Herausforderungen Vermeidung von Krankheiten wie Cholera, Pest, Amöbenruhr und Hakenwürmern durch mit Abwasser verunreinigtes Trinkwasser. schweres Erdbeben am am Cholera offiziell bestätigt (Quelle: ) (Quelle: Weltwasserbericht 2012 Etwa 7000 Tote 2

3 Warum wird das Abwasser behandelt? Hygienische Herausforderungen Herausforderungen Hygienische Vermeidung von Krankheiten wie Cholera, Pest, Amöbenruhr und Hakenwürmern durch mit Abwasser verunreinigtes Trinkwasser. schweres Erdbeben am am Cholera offiziell bestätigt Menschen seit Ausbruch der Epidemie infiziert Etwa 7000 Tote (Quelle: ) (Quelle: 3

4 Warum wird das Abwasser behandelt? Hygienische Herausforderungen Herausforderungen Hygienische Vermeidung von Krankheiten wie Cholera, Pest, Amöbenruhr und Hakenwürmern durch mit Abwasser verunreinigtes Trinkwasser. schweres Erdbeben am am Cholera offiziell bestätigt Menschen seit Ausbruch der Epidemie infiziert medizinische Errungenschaft der (Quelle: letzten 100 Jahre (British Medical Journal) Die meisten Stimmen bekam... die Versorgung mit sauberem Trinkwasser und die Entsorgung von Abwässern. (Quelle: ) Etwa 7000 Tote Größte 4

5 Warum wird das Abwasser behandelt? Schutz Umwelt/Gewässer Der Schutz der Umwelt und im Besonderen des Menschen und der Gewässer ist und war vorrangiges Ziel der Abwasserreinigung der vergangenen 100 Jahre. Probleme traten u.a. auf: - kochende Themse Anfang des 20. Jahrhunderts in London Heute darüberhinausgehende Ziele: Energiegewinnung / -einsparung Elimination von Mikroschadstoffen Das Herrengrabenfleet bei Ebbe (Hamburger Stadtentwässerung, Jubiläumszeitschrift 150 Jahre Stadtentwässerung ) (Quelle: Weltwasserbericht, 2012) Ressourcenschutz (Quelle: F. Lamiot, wikipedia.de) Verhinderung Eutrophierung der Gewässer 5

6 Was geschieht bei der Abwasserbehandlung? In Deutschland gibt es etwa öffentliche Kläranlagen, die etwa 10 Mrd. m³/a an Abwasser behandeln. Umfangreiche Expertise für hiesiges Abwasser ist vorhanden. Zulauf aus mech. Reinigung Ablauf Vorklärung Belebungsbecken Primärschlamm Nachklärung Rücklaufschlamm Überschussschlamm Überstandswasser Biogas Blockheizkraftwerk Eindicker Schlammwasser Verbrennung/ Landwirtschaft Anaerobe Faulung Nacheindicker Schlammentwässerung 6

7 Was geschieht bei der Abwasserbehandlung? In Deutschland gibt es etwa öffentliche Kläranlagen, die etwa 10 Mrd. m³/a an Abwasser behandeln. Umfangreiche Expertise für hiesiges Abwasser ist vorhanden. Zulauf aus mech. Reinigung Ablauf Sedimentation Vorklärung partikulären Primärschlamm Materials des Zulaufs Belebungsbecken Sedimentation Nachklärung von Biomasse Rücklaufschlamm Überschussschlamm Überstandswasser Biogas Blockheizkraftwerk Eindicker Schlammentwässerung Biogasproduktion Schlammwasser Verbrennung/ Landwirtschaft Anaerobe Faulung NachSchlammSchlammenteindicker entwässerung wässerung 7

8 Was geschieht bei der Abwasserbehandlung? Fluss Bakterienflocken, Protozoen, Pilzhyphen nach Nettmann (2012) Zulauf Ablauf Im Schwerpunkt : Elimination von C, N Speicherung von P Belüfter Durchmischter Reaktor (z. B. Belebungsbecken, suspendierte Bakterienflocken, belebter Schlamm) 9. BMBF Forum für Nachhaltigkeit 22.und Oktober in Berlin (Quelle: in Anlehnung an Mudrack Kunst, 1994) 8

9 Weltweiter Handlungsbedarf (1) Diarrhö-Tote in Abhängigkeit von Abwasser- und Trinkwasserversorgung (Quelle: Le Monde Diplomatique, 2007) 9

10 Weltweiter Handlungsbedarf (2) Bevölkerungswachstum in Regionen mit Wasserproblematik (Quelle: Deutsche Stiftung Weltbevölkerung) 2007: rote Bereiche Bevölkerungsanstieg mit >1 bis > 3% pro Jahr 10

11 Weltweiter Handlungsbedarf (3) Anteil des behandelten Abwassers (Quelle: Weltwasserreport, 2012) Legende: braun = behandeltes Abwasser, beige = unbehandelt 11

12 Lösungswege An regionale Gegebenheiten angepasste Belebungsanlagen (Quelle: wilo.de) (Quelle: Weltwasserreport, 2012) Für Deutschland typische Zahlen (50000 EW-Anlage, T=12 C, ATV A131 (2000), chem. Fällung): 12 VBB = 125 L/EW; ÜSBohne VK-Schlamm = 45 gts/(ew*d); tts =11d; OV = 65 go2/(ew*d); kwhel/

13 Lösungswege: Wie sind Anlagen auszulegen? Unterschiedliche Bemessungsansätze im Ausland (Quelle: Fujairah, VAE, (WWTP in Pathong, Passavant Rödiger) Thailand) (aus Wichern, 2010 auf 13 Grundlage von Scheer, 1996 und Wichern, 1996)

14 Lösungswege: Wie sind Anlagen auszulegen? 1. Bemessungsalgorithmus für hohe/niedrige Temperaturen Berücksichtigung von Salzgehalt Welche Gleichungen sind sinnvoll? Vortrag März 2012 in Berlin 9.BMBF-Verbundvorhaben, BMBF Forum für Nachhaltigkeit Oktober Basierend auf: ATV A131 (2000): Vereinfachter Algorithmus 14

15 Lösungswege: Wie sind Anlagen auszulegen? - Auswaschen der Nitrifikanten - Anlagengröße 2. Sicherheiten / Kostendruck Sicherheitsfaktoren kinetische / stöchiometrische Größen Wo stecken Sicherheiten, unter welchen Bedingungen sind sie sinnvoll? Denitrifikation Vortrag März 2012 in Berlin 9.BMBF-Verbundvorhaben, BMBF Forum für Nachhaltigkeit Oktober Basierend auf: ATV A131 (2000): Vereinfachter Algorithmus 15

16 Lösungswege: Wie sind Anlagen auszulegen? 3. Detailgrad des Modells / Aussagekraft Leicht abbaubarer / filtrierter CSB Schlammproduktion TS-Bilanz, CSB-, N- und P-Bilanz? Denitrifikation Basierend auf: ATV A131 (2000): Vereinfachter Algorithmus, ergänzt um Denitrifikation auf Basis des CSB 16

17 Lösungswege: Wie sind Anlagen auszulegen? ) A,IS sm H g n ra ä l:k e u (Q Q ) 7 0 j,2 cg h A n rm g ia l:d e u (Q Volumenstrom Kläranlage 4. Reserve für Regenwasser Maximaler Trockenwetterabfluss Schmutzwasser Fremdwasser Uhrzeit Eingangs- und Zielgrößen Welche Zulaufdaten für Bemessung? Gehen wir gemäß ATV A198 im Ausland vor? Wie beeinflussen die erforderlichen Ablaufwerte die nötigen Eingangswerte bzw. den Algorithmus (Jahresmittelwerte / 17 qualifizierte Stichprobe)? 0

18 BMBF-geförderter Forschungsverbund: Exportorientierte FuE auf dem Gebiet Abwasser Validierung an technischen Anlagen Teilprojekt: Validierung von Bemessungs- und Betriebshinweisen für Belebungsanlagen Ruhr-Universität Bochum, Emscher Gesellschaft für Wassertechnik, Hach-Lange