Grundvorlesung 5. Fachsemester Siedlungswasserwirtschaft 2 Abwasserreinigung 1. Vorlesung

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1 Grundvorlesung 5. Fachsemester Siedlungswasserwirtschaft 2 Abwasserreinigung 1. Vorlesung Lecture BS Programme Urban water management waste water treatment Lecture 1 Quelle: Stadt Münster, Tiefbauamt Dipl.-Ing. Pamela Meyer Folie 1

2 Table of contents Gliederung 1 Waste water treatment (WWT) 1.1 Introduction to WWT 1.2 Objectives and requirements for WWT 1.3 Design, flows and loads of WWT 1.4 Wastewater treatment processes 1. Abwasserreinigung 1.1 Einleitung 1.2 Zielsetzung und rechtliche Vorgaben 1.3 Abwasserzusammensetzung und Grundlagenermittlung 1.4 Abwasserreinigungsverfahren Folie 2

3 Vereinheitlichung und Herleitung von Bemessungswerten nach ATV-DVWK-A 198 Unification and derivation of assessment values in compliance with ATV-DVWK-A 198 Commercial and industrial waste water discharge gewerbli cher und industrieller Schmutzwasserabfluss Storm water (record) Regen(reihe) Domestic waste water discharge Infiltration Versickerungsmulde swale häuslicher Schmutzwasserabfluss Sewered catchments kanalisiertes EZG Storm water runoff Regena bfluss from paved areas von befe stigten Flächen Regenabfluss von unbefestigten kanalisierten Flächen Normal system boundaries for immission-oriented proof übliche Systemgrenze beim immissionsorientierten Nachweis Storm water runoff from unpaved sewered surfaces Imported water discharge Groundwater Grundwasser Fremdwasserabfluss Kanalnetz Sewer network Rainwater-basin Sewer network RWB Kanalnetz STP KA Gewässer oder Legende: Legend: Gewässerabschnitt Natural natürliche s Receiving water or EZG EZG Einzugsgebiet catchments area part of receiving water RWB Regenwasse rbehandlungsanlage KA STP Klä ranlage Sewage treatment plant Diffuse diffuse Input-Parameter in das System Input-parameter in the system discharge Einleitungen Austauschparameter zwischen Systemkomponenten Exchange-parameter between components of the system Systemkomp onenten Components of the system Folie 3

4 Table of contents Gliederung 1 Waste water treatment (WWT) 1.1 Introduction to WWT 1.2 Objectives and requirements for WWT 1.3 Design, flows and loads of WWT 1.4 Wastewater treatment processes 1. Abwasserreinigung 1.1 Einleitung 1.2 Zielsetzung und rechtliche Vorgaben 1.3 Abwasserzusammensetzung und Grundlagenermittlung 1.4 Abwasserreinigungsverfahren Folie 4

5 Terrakottaleitungen in Knossos, um 700 v. Chr. Terracotta pipes in Knossos, about 700 a. Chr Folie 5

6 Abwasserleitungen Knossos, um 700 v. Chr. Sewers in Knossos, about 700 a. Chr Folie 6

7 Abwasserleitung und Toiletten in Milet, um 500v.Chr. Sewer and toilets in Milet, about 500a.Chr Folie 7

8 Feldberieselung mit unterirdischer Drainage Field irrigation with subsurface drainage (im Bau, ca. 1890) (under construction, approx. 1890) Folie 8

9 Schwachbelasteter Tropfkörper, um 1905 Low-rate trickling filter, about 1905 Hochbelastete Tropfkörper, um 1960 High-rate trickling filter, about Folie 9

10 Rechenanlage, vor 1912; Rechengut wird maschinell entfernt Rack, before 1912; screenings are removed mechanically Klärbecken mit Schlammschiebern, Settling tank with sludge slide, Bolton, Folie 10

11 Emscherbrunnenanlage Grosslappen, Imhoff-tank Grosslappen München, 1925 Munich, Folie 11

12 Development of the statutory requirements to wastewater treatment Entwicklung der gesetzlichen Anforderungen an die Abwasserreinigung Mittelalter middle ages No sewage system. Sewage is drained onto streets. Mixing of drinking water and wastewater. Frequent epidemics like Black Death and typhoid Keine Kanalisation. Abwasser wird auf Straßen geleitet. Vermischung von Trinkwasser mit Abwasser. Häufige Epidemien wie Pest und Typhus. Rain and waste water are collected in one sewer and drained into water, damming of epidemics Regen- und Schmutzwasser wird in einem Kanal gesammelt und in Gewässer geleitet, Eindämmung von Epidemien Sewerage also in smaller cities mechanical waste water treatment Kanalisation auch in kleineren Städten Mechanische Abwasserreinigung Treatment of Behandlung von wastewater in Abwasser wastewater ponds in Abwasserteichen Seal dying und algae Robbensterben und plague in the North Algenpest in der Nordsee Sea lead to fixing of führen zur Festlegung der nutrient elimination Nährstoffelimination 1990 The River Rhine is heavily Rhein ist sehr stark belastet polluted and threatens to und droht umzukippen. break down. Biological waste Biologische Abwasserreinigung und water treatment and minimum requirements Mindestanforderungen are legally formulated. werden gesetzlich formuliert Folie 12

13 Table of contents Gliederung 1 Waste water treatment (WWT) 1.1 Introduction to WWT 1.2 Objectives and requirements for WWT 1.3 Design, flows and loads of WWT 1.4 Wastewater treatment processes 1. Abwasserreinigung 1.1 Einleitung 1.2 Zielsetzung und rechtliche Vorgaben 1.3 Abwasserzusammensetzung und Grundlagenermittlung 1.4 Abwasserreinigungsverfahren Folie 13

14 Objectives and legal requirements for the municipal waste water treatment Water law dated 19 August 2003 As legal framework the fulfilment and concretion by state water laws is effected Each federal state has its own federal water law For NRW: State water law NRW in version of announcement of 25 June 1995 permission procedure in accordance with 7a Abs. 1 Pollutant loads, procedure according to state of the art Zielsetzung und rechtliche Vorgaben für die kommunale Abwasserbehandlung Wasserhaushaltsgesetzes (WHG) vom 19. August 2002 Als Rahmengesetz erfolgt die Ausfüllung und Konkretisierung durch die Landeswassergesetze Jedes Bundesland besitzt ein eigenes Landeswassergesetz Für NRW: Landeswassergesetz in Fassung der Bekanntmachung vom 25. Juni 1995 Erlaubnisverfahren nach 7a Abs. 1 Schmutzfrachten, Verfahren nach dem Stand der Technik Folie 14

15 Objective and legal regulations for municipal waste water treatment Waste water ordinance of 15 October 2002 Determination of requirements by water right permission Determination for domestic and municipal waste water and industries destined for waste water Serves also the implementation of EU regulation 91/271/ EWG for treatment of municipal waste water Concentrations for single parameters to be adhered to are being laid down in the water right permission Municipal waste water includes domestic waste water, which under circumstances pre-treated waste water from trade, industry (indirect discharge) and agriculture as well as rainwater, which is being discharged into the public sewerage. Industrial waste water, which is being treated in operational facilities and being discharged directly into the water. Zielsetzung und rechtliche Vorgaben für die kommunale Abwasserbehandlung Abwasserverordnung (AbwV) vom 15. Oktober 2002 Festlegung der Anforderungen für die wasserrechtliche Erlaubnis. Festlegungen für häusliches und kommunales Abwasser und für Abwasser bestimmter Industriebranchen. Dient auch der Umsetzung der EG Richtlinie 91/271/EWG über die Behandlung von kommunalem Abwasser Konzentrationen für einzelne einzuhaltende Parameter werden in der wasserrechtlichen Erlaubnis festgelegt Kommunales Abwasser umfasst das häusliche Abwasser, das - unter Umständen vorgereinigte - Schmutzwasser aus Gewerbe, Industrie (Indirekteinleiter) und Landwirtschaft sowie das Regenwasser, das in die öffentliche Kanalisation eingeleitet wird. Industrielles Abwasser, das in Betriebs- Anlagen gereinigt und direkt in die Gewässer eingeleitet wird Folie 15

16 Requirements for discharge of wastewater according to 7a Abs. 1 WHG, 2002 A permission for the discharge of waste water must only be granted, if the pollutant load of the waste water is kept low, as it is possible by adhering to the state of the art of the respective procedure. The Federal Government lays down regulations with the acceptance of the Federal Council, which comply with the state of the art. Anforderungen an das Einleiten von Abwasser entsprechend 7a Abs. 1 WHG, 2002 Eine Erlaubnis für das Einleiten von Abwasser darf nur erteilt werden, wenn die Schadstofffracht des Abwassers so gering gehalten wird, wie dies bei der Einhaltung der jeweils in Betracht kommenden Verfahren nach dem Stand der Technik möglich ist. Die Bundesregierung legt durch Rechtsverordnung mit Zustimmung des Bundesrates Anforderungen fest, die dem Stand der Technik entsprechen Folie 16

17 Inhalte der Abwasserverordnung Contents of the waste water ordinance - Konzentrationen für einzelne einzuhaltende Parameter werden in der wasserrechtlichen Erlaubnis festgelegt Kommunales Abwasser umfasst das häusliche Abwasser, das - unter Umständen vorgereinigte - Schmutzwasser aus Gewerbe, Industrie (Indirekteinleiter) und Landwirtschaft sowie das Regenwasser, das in die öffentliche Kanalisation eingeleitet wird. Industrielles Abwasser, das in Betriebs-Anlagen gereinigt und direkt in die Gewässer eingeleitet wird. Concentrations for single parameters to be adhered to are being laid down in the water right permission Municipal waste water includes domestic waste water, which under circumstances pre-treated waste water from trade, industry (indirect discharge) and agriculture as well as rainwater, which is being discharged into the public sewerage. Industrial waste water, which is being treated in operational facilities and being discharged directly into the water Folie 17

18 Anforderungen an kommunales Abwasser entsprechend Anhang 1 der Abwasserverordnung (AbwV, 2002) Requirements to municipal waste water in compliance with annex 1 of the Waste Water Ordinance Größenklassen der Anlagen kg/d BSB 5 (roh) size range (raw) CSB BSB 5 NH 4 -N N ges P ges mg/l mg/l mg/l mg/l mg/l Qualifizierte Stichprobe oder 2-Stunden-Mischprobe qualified examination 1 (< 60 kg) (60 bis 300 kg) (300 bis 600 kg) (600 bis 6000 kg) (> 6000 kg) N ges entspricht N anorg (Summe von Ammonium-, Nitrit- und Nitratstickstoff) N ges corresponds N anorg (sum of ammonium, nitrite and nitrogen) Überwachungstemperatur für NH 4 -N und N ges : T ÜW = 12 C Monitoring temperature for NH 4 -N and N ges : T ÜW = 12 C Folie 18

19 Richtlinien für die Abwasserbehandlung Directives for waste water treatment Die Bemessung von Kläranlagen erfolgt auf der Grundlage der Arbeitsblätter der Deutschen Vereinigung für Wasserwirtschaft, Abwasser und Abfall (ATV-DVWK). Maßgebende Arbeitsblätter sind: The dimensioning of waste water treatment plants results from the basis of work sheets of the German Associations for water management, waste water and waste (ATV-DVWK). Standard working sheets are: A 131 Bemessung von einstufigen Belebungsanlagen (Mai 2000) Assessment of single-step activated sludge plants A 135 Grundsätze für die Bemessung von Tropfkörpern und Rotationstauchkörpern (Dezember 1999) Basics for the assessment of trickling filters and rotation contact aerators A 198 Vereinheitlichung und Herleitung von Bemessungswerten für Abwasseranlagen (April 2003) Unification and derivation of assessment values for waste water treatment plants (April 2003) Folie 19

20 Objective and legal regulations for municipal water water treatment Waste Water Levy Act of 3 November 1994 Determination of the waste water charges results from damage units here, the costs are determined, which must be paid for discharge Zielsetzung und rechtliche Vorgaben für die kommunale Abwasserbehandlung Abwasserabgabengesetz (AbwAG) vom 3. November 1994 Festlegung der Abwasserabgabe erfolgt nach Schadeinheiten hier werden die Kosten festgelegt, die für eine Einleitung bezahlt werden müssen Folie 20

21 Abwasserabgabe und Schadeinheiten entsprechend dem Abwasserabgabengesetz Bewertete Schadstoffe und Schadstoffgruppen Oxidierbare Stoffe in chemischem Sauerstoffbedarf (CSB) Phosphor Stickstoff Organische Halogenverbindungen als adsorbierbare organisch gebundene Halogene (AOX) Einer Schadeinheit entsprechen jeweils folgende volle Messeinheiten 50 kg Sauerstoff 3 kg 25 kg 2 kg Halogene, berechnet als organisch gebundenes Chlor Schwellenwerte nach Konzentration und Jahresmenge 20 mg je Liter und 250 kg Jahresmenge 0,1 mg je Liter und 15 kg Jahresmenge 5 mg je Liter und 125 kg Jahresmenge 100 mg je Liter und 10 kg Jahresmenge Folie 21

22 Abwasserabgabe und Schadeinheiten entsprechend dem Abwasserabgabengesetz (Fortsetzung) Bewertete Schadstoffe und Schadstoffgruppen Metalle und ihre Verbindungen: Quecksilber Cadmium Chrome Nickel Blei Kupfer Giftigkeit gegenüber Fischen Einer Schadeinheit entsprechen jeweils folgende volle Messeinheiten 20 Gramm 100 Gramm 500 Gramm 500 Gramm 500 Gramm 1000 Gramm Metall 3000 m 3 Abwasser geteilt durch G F Schwellenwerte nach Konzentration und Jahresmenge und 1 mg 100 g 5 mg 500 g 50 mg 2,5 kg 50 mg 2,5 kg 50 mg 2,5 kg 100mg 5 kg je Liter Jahresmenge G F = 2 9 AbwAG: Abgabepflichtig ist, wer Abwasser einleitet (Einleiter) Der Abgabesatz errechnet sich aus Schadeinheiten (SE). Kosten für eine SE = 35,79 Euro/a Folie 22

23 Waste water charges and pollutant units in accordance with Wastewater Fee Law Evaluated matters and groups of pollutants Oxidizable matters in chemical Oxygen requirement Phosphorous Nitrogen organic Halogens bondings as adsorpable organically bonded Halogens The following measurement units comply with corresponding pollutant units 50 kilogramme Oxygen 3 kilogramme 25 kilogramme 2 kilogramme Halogen, calculated as organically bonded Chlorine Marginal value according to concentration and annual value 20 milligrams per litre and 250 kilogramme annual value 0,1 milligrams per litre and 15 kilogramme annual amount 5 milligrams per litre and 125 kilogramme annual amount 100 micrograms per litre and 10 kilogramme annual amount Folie 23

24 Waste water charges and pollutant units in accordance with Wastewater Fee Law (continuation) Evaluated matters and groups of pollutants Metals and their bondings Mercury Cadmium Chrome Nickel Lead Copper Toxicity towards fish The following measurement units comply with corresponding pollutant units 20 gramme 100 gramme 500 gramme 500 gramme 500 gramme 1000 gramme Metal 3000 cubic metres waste water divided by G F Marginal value according to concentration and annual value and 1 micrograms 100 gramme 5 micrograms 500 gramme 50 micrograms 2,5 kilogramme 50 micrograms 2,5 kilogramme 50 micrograms 2,5 kilogramme 100micrograms 5 kilogramme per litre annual amount G F = Folie 24

25 Zukünftige Entwicklungen in der Rechtssprechung Future developments in jurisdiction Eine Änderung der Abwasserverordnung in Verbindung mit einer Änderung des Abwasserabgabengesetzes ist in Vorbereitung Austausch des Parameters G F (Fischgiftigkeit nach Verfahren DIN L31) durch den Parameter G EI (Fischgiftigkeit nach Verfahren DIN T6) Austausch des Parameters CSB durch TOC Change of Waste Water Ordinance in connection with change of the Waste Water Ordinance is in preparation Exchange of parameters G f (fish toxicity in compliance with procedure DIN L31) through parameter G (fish toxicity in compliance with procedure DIN T6) Exchange of parameters CSB through TOC Auswirkungen dieser Änderungen sind: Umstellung sämtlicher Bescheide Umstellung des Kläranlagenbetriebes auf geänderte Überwachungsparameter Überarbeitung und Fortschreibung der technischen Regelwerke Impacts of these changes are: Conversion of all notifications Conversion of sewage treatment plant of modified monitoring parameter Revision and recording of the technical bodies of legislation Folie 25

26 Abwasserzusammensetzung und Grundlagenermittlung Waste water composition and determination of principles Abwasserzusammensetzung und Grundlagenermittlung Waste water composition and determination of principles Abwasserinhaltsstoffe und deren Wirkung Abwasseranfall Mischwasserabfluss nach A 198 Gewässergüteklassen Waste water ingredients and their effect Amount of waste water combined sewage in accordance with A 198 Water quallity classes Giftige Stoffe Toxic matter Sand, sand, Schlamm, sludge Schadstoffhaltige Abwässer polluted waste water Höhere Temperaturen Higher temperatures Stoffe, die Flora und Fauna beeinflussen. Substances, which effect flora and fauna Folie 26

27 Unification and derivation of the assessment values in compliance with ATV- DVWK-A 198 Derivation of unificated assessment values for drainage systems and municipal waste water treatment plants Provision of a uniform system for abbreviations New approach for the cut between drainage and waste water treatment plant Gewerblicher und industrieller Schmutzwasserabfluss commercial and industrial waste water discharge Niederschlag storm water Häuslicher Schmutzwasserabfluss Kanalnetz RWG domestic waste water sewer network rainwater-basin discharge Fremdwasser percolating water Gewässer receiving water Vereinheitlichung und Herleitung von Bemessungswerten nach ATV-DVWK-A 198 Herleitung von vereinheitlichten Bemessungswerten für Entwässerungssysteme und kommunalen Kläranlagen Bereitstellung eines einheitlichen Systems für Kurzzeichen Neuer Ansatz für die Schnittstelle Kanal und Kläranlage Regenabfluss von befestigten Flächen storm water runoff from paved area Regenabfluss von unbefestigten kanalisierten Flächen storm water runoff from unpaved sewered area Optimierungsansatz nach A 198 approach of improvement based on A Folie 27 KA STP

28 Stickstoffeinträge in die Gewässer der Bundesrepublik Deutschland Nitrogen discharge into waters in Germany Punctual discharge Rain water Diffuse discharge Domestic wastewater Industr.wastewater Indirect discharge (groundwater) Precipitation Direct discharge agriculture Drainage Erosion (Quelle: Umweltdaten Deutschland 1998, Umweltbundesamt) Folie 28

29 Table of contents Gliederung 1 Waste water treatment (WWT) 1.1 Introduction to WWT 1.2 Objectives and requirements for WWT 1.3 Design, flows and loads of WWT and loads for design of WWT 1.4 Wastewater treatment processes 1. Abwasserreinigung 1.1 Einleitung 1.2 Zielsetzung und rechtliche Vorgaben 1.3 Abwasserzusammensetzung und Grundlagenermittlung 1.4 Abwasserreinigungsverfahren Folie 29

30 Charakteristik und Herkunft von gewerblichem und industriellem Schmutzwasser Characterisation and origin of industrial and commercial foul water kann schwer abbaubare organische Substanzen, Öle, Fette, Schwermetalle, Salze, Gifte und ätzende Stoffe enthalten mengenmäßig gut einschätzbar wird z.t. auf eigenen Kläranlagen behandelt (Direkteinleiter) can contain persistent organic substances, oils, grease, heavy metals, salts, toxins and corrosive substances quantities are predictable some parts are treated on own WWTplants (direct discharger) Folie 30

31 Durchschnittlicher Wasserverbrauch in Deutschland Average water consumption in Germany Entwicklung des personenbezogenen Wasserverbrauchs - in Liter pro Einwohner und Tag- Development of the water consumption - Litre per inhabitant and day Folie 31

32 Quantity of wastewater Abwasseranfall Determining the combined waste water discharge to the wwt-plant with a new calculation approach according to ATV-DVWK-A198 Q M = 2 Q S,max,85 + Q F,aM (alt nach ATV-DVWK-A 131, 2000) (old according to ATV-DVWK-A 131, 2000) Q M = f S,QM Q S,aM + Q F,aM (neu nach ATV-DVWK-A 198, 2003) f S,QM Ermittlung des Mischwasserabflusses zur Kläranlage mit dem neuen Ansatz nach ATV-DVWK-A 198 (new according to ATV-DVWK-A 198, 2003) Spitzenfaktor gemäß A 118: peak coefficient according to A 118 1/8 (ländliche Gebiete) (rural areas) 1/16 (Großstädte) (large cities) Verhältnis zwischen 85%-Wert und Jahresmittelwert: Ration between 85%- value and annual average: Q s,d,85 /Q s,am f S,QM = 6-9 f S,QM = 3-6 (kleine Einzugsgebiete) (small catchments) (Großstädte) (large cities) Q S,aM = Q H,aM +Q G,aM = EZ W s,d,am / A E,G q G [l/s] Folie 32

33 Amount of wastewater Variation of the domestic wastewater flow 2,0 1,8 1,6 1,4 1,2 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 x-times the average x-fache des Mittelwertes Mittelwert des häuslichen Schmutzwasserabflusses Average of the domestic wastewater flow Abwasseranfall Schwankung des häuslichen Schmutzwasserabflusses h Time of day in hours Tageszeit in Stunden Folie 33

34 Percolated water Fremdwasser Percolated water is water, which reaches the sewer even though it is cleaner compared to the output water of a WWT-Plant sources diffuse sources (drainage water) streams sump drainage on construction sites leaky sewers (groundwater) Fremdwasser ist Wasser das in die Kanalisation gelangt, obwohl es sauberer ist als das im Ablauf der Kläranlage Herkunft diffuse Quellen (Drainagewasser) Bäche Wasserhaltungen auf Baustellen Undichtigkeiten Kanalisation (Grundwasser) Folie 34

35 Häufigkeitsverteilung der Fremdwasseranteile von 1461 kommunalen Kläranlagen (Jahr 2000) Frequency distribution of percolating water rate of 1464 communal waste water treatment plants (year: 2000) Fremdwasseranteil in % vom Schmutzwasser Percolating water rate in % of the foul water source: Quelle: Arbeitsbericht ATV 2003 Summenanteile in % summation rate in % Folie 35

36 Ermittlung der Fremdwassermenge über das Nachtminimum Determination of the percolating water amount on the basis of the night-time minimum flow in l/s Nachtminimum night-time minimum Abflussganglinie ausgewählte Trockenwettertage Kanal Dormund Scharnhorst 2002 discharge hydrograph of selected dry weather flow days of sewer Dortmund Scharnhorst (2002) Folie 36

37 Waste Water Contents Abwasserinhaltsstoffe Characterisation regarding effect on water Nutrients: Eutrophication by N and p, especially in still waters by heavy growth of algae, problems with dying of algae Charakterisierung bezüglich der Wirkung auf Gewässer Nährstoffe: Eutrophierung durch N und P, besonders in stehendem Gewässer durch starkes Algenwachstum, Probleme bei Algensterben O 2 algae Algen unaerobic Anaerob CH 4 Dead biomass Tote Biomasse H2 S CO 2 NH 3 digester gas Faulgas digested sludge Folie 37 Faulschlamm

38 Waste water contents Abwasserinhaltsstoffe Characterisation regarding the effect on water Demanding substances: Oxygen consumption in water by organic, measured as COD and BOD Charakterisierung bezüglich der Wirkung auf Gewässer Zehrstoffe: Sauerstoffverbrauch im Gewässer durch Organik, gemessen als CSB und BSB 5 Contraries: Disturbance of technical equipment extraction and treatment of water, e.g with sand, oil and corrosive substances etc Störstoffe: Störung technischer Einrichtungen zur Gewinnung und Reinigung von Wasser z. B. durch Sand, Öl, korrosive Stoffe etc Folie 38

39 Abwasserinhaltsstoffe Waste water contents Charakterisierung bezüglich der Wirkung auf Gewässer: Characterisation regarding effect on water: Giftstoffe Toxic substances Vergiftung im Gewässer durch hemmende und toxische Wirkungen infolge von Giften, Radioaktivität, Bakterien und Viren Contamination in water by repressing and toxic effects as a result of toxics, radio activity, bacteria and viruses Folie 39

40 Waste water contents Abwasserinhaltsstoffe Classification of waste water contents Klassierung der Abwasserinhaltsstoffe Stoffe im Abwasser substances in waste water partikuläre Stoffe particulate matters (> 0,45 µm) gelöste Stoffe dissolved matters (< 0,45 µm) organische organic CSB, BSB 5 anorganische inorganic anorgts organische organic CSB, BSB 5 anorganische inorganic Nitrat, Phosphor nitrate, phosphorous abbaubare degradable inerte inert abbaubare degradable inerte inert Folie 40

41 Organische Stoffverbindungen Organic bonding of substances Die organische Chemie umfasst alle Kohlenstoffverbindungen mit Ausnahme der wasserstofffreien Chalkogenide (z.b. Kohlenstoffmonoxid, Kohlenstoffdioxid und Schwefelkohlenstoff) und deren Verbindungen (Kohlensäure, Carbonate), sowie der Carbide und Metallcarbonyle. The organic chemistry comprises all carbon bodnings with the exception of the hydrogen free chalkogenides (e. g. carbon monoxid, carbon dioxid and carbon disulfide) and their bondings (carbonic acid, carbonate), as well as carbide and metal carbonyles. Biologisch abbaubare organische Stoffe dienen als Nährstoffe für Mikroorganismen (Bakterien, Pilze...). Zur Energiegewinnung werden die organischen Stoffe unter Sauerstoffverbrauch umgesetzt. Biologically degradable organci substances serve as nutrients for micro organisms (bacteria, fungi...). For energy extraction the organic substances are converted under oxygen consumption. Zu viele organische Stoffe im Wasser führen zum vermehrtem Wachstum von Mikroorganismen und zum sauerstoffarmen Milieu im Wasser. Too many organic substances in the water lead to increased growth of micro organisms and oxygen lacking setting in the water Folie 41

42 Waste water contents carbon Abwasserinhaltsstoffe Kohlenstoff gesamter Kohlenstoff total carbon TC anorganischer Kohlenstoff total inorganic carbon TIC organischer Kohlenstoff total organic carbon TOC chemischer Sauerstoffbedarf Chemical oxygen demand CSB biochemischer Sauerstoffbedarf Biochemical oxygen demand BSB Folie 42

43 Summation parameter and single substances Summenparameter und Einzelstoffe summation parameter Describes the similar characteristics of the different waste water contents, which are accounted for in a certain analysis procedure and can be determined. Summation parameter for waste water: biochemical oxygen demand (BOD) chemical oxygen demand (COD) fish toxicity total bonded organic carbon (TOC) adsorbable organic halogen bondings (AOX) Summenparameter Beschreibt die gleichartigen Merkmale der unterschiedlichen Abwasserinhaltsstoffe, die durch ein bestimmtes Analyseverfahren nachgewiesen und bestimmt werden können. Summenparameter für Abwasser Biochemischer Sauerstoffbedarf (BSB) Chemischer Sauerstoffbedarf (CSB) Fischgiftigkeit gesamter gebundener Kohlenstoff adsorbierbare organisch gebundene Halogene (AOX) Folie 43

44 Summation parameter and single substances single substances A single substance is an element of the mass of sewage Single substances in waste water: nitrate (NO 3 ) nitrite (NO 2 ) ammonium (NH 4 ) phosphorous (P) Summenparameter und Einzelstoffe Ein Einzelstoff ist ein Element aus der Menge der Schmutzstoffe Einzelstoffe im Abwasser: Nitrat (NO 3 ) Nitrit (NO 2 ) Ammonium (NH 4 ) Phosphor (P) Einzelstoffe Folie 44

45 Summation parameters Summenparameter TOC [mg/l] Concentration of organically bonded carbon as value of the organic substances in waste water. TOC and COD refer to similar subsets of pollutants in waste water. Advantage: Very fast determination in laboratory with little sample quantities. The water contents are burned, and the produced amount of carbon dioxide is determined by infra red spectroscopy. TOC [mg/l] Konzentration an organisch gebundenem Kohlenstoff als Maß der organischen Substanzen im Abwasser. TOC und CSB beziehen sich auf die gleichen Teilmengen an Schmutzstoffen im Abwasser. Vorteil: Sehr schnelle Ermittlung im Labor mit kleinen Probenmengen. Die Wasserinhaltstoffe werden verbrannt, und die ent-stehende Kohlendioxidmenge wird durch Infrarotspektroskopie bestimmt. Compilation of the dissolved organic and the particular organically bonded carbon. TOC content in low polluted water:: highly polluted water : 1-2 mg/l > 10 mg/l Erfassung des gelöste organische und des partikulär organisch gebundene Kohlenstoffes. TOC Gehalte in gering belastete Gewässer: 1-2 mg/l stark verschmutzten Gewässern: > 10 mg/l Folie 45

46 Summation parameter Summenparameter COD [mgo 2 /l] Kaliumdichromat calium dichromate CSB [mgo 2 /l] Amount of oxygen, which is used for oxidation of all organic substances in the water. Determination in laboratory with addition of calium dichromate to waste water BOD < COD BSB is only a subset of the CSB. Ration BSB:CSB approx. 1:2 BOD [mgo 2 /l] Measured value for the amount of the oxygen dissolved in water, which is required in a certain time by micro organisms for biologic aerobic degradation of dissolved bondings in waste water (endogenous respiration). The consumption is determined after 5 days at 20 degrees. Abwasser waste water Menge an Sauerstoff, welche zur Oxidation der gesamten im Wasser enthaltenen organischen Stoffe verbraucht wird. Bestimmung im Labor mit Zugabe von Kaliumdichromat zum Abwasser. BSB < CSB BSB ist nur eine Teilmenge des CSB. Verhältnis BSB:CSB ca. 1:2 BSB [mgo 2 /l] Maßzahl für die Menge an im Wasser gelöstem Sauerstoff, der in einer bestimmten Zeit durch Mikroorganismen zum biologischen aeroben Abbau gelöster organischer Verbindungen im Abwasser benötigt wird (Veratmung). Der Verbrauch nach 5 Tagen bei 20 C wird ermittelt (BSB 5 ) Folie 46

47 Summation parameter Summenparameter COD (chemical oxygen demand) 1. Sulfuric acid, silverions (catalyst) and potassicdicromate (oxidant) were added to the sample 2. For the oxidation of organic dissolved matter the sample is boiled two hours at 148 C (= boiling temperature) with reflow. cooling water organic matters 3. Remaining oxidant is determined with Fe 2+ -ionic (Re-Titration). After cooling down the quantity of oxidated dichromates can be calculated. The result gives the COD in mgo 2 /l Folie 47 before after

48 Summation parameter Biochemical oxygen demand (BOD) 1. The water sample is spiked with bacterious, oxygen saturated water. bacteria Summenparameter 2. The content of oxygen is determined. 3. The sample is sealed and stored by 20 C. The bacteria degrade parts of the organic matter by using oxygen. 4. After 5 days the oxygen content is measured. The ascertainable oxygen consumption (BOD) is calculated in mg O 2 /l Folie 48

49 Waste Water Contents Abwasserinhaltsstoffe Nitrogen Stickstoff organischer Stickstoff organic nitrogen Norg = TKN - NH4 -N gesamter Stickstoff total nitrogen N ges anorganischer Stickstoff anorganic nitrogen Nanorg Wichtig! Bemessungs- und Grenzwerte beziehen sich meist auf den Stickstoff in der Verbindung: Important! In most cases the measurement and marginal values refer to nitrogen in a chemical bond: Nitrat nitrate NO 3-N Nitrit nitrite NO 2-N Ammonium ammonium NH4-N NH 4 N 14/18 (Gewicht N/Gewicht Verbindung) (weight N/weight compound) Kjeldahl Stickstoff Kjeldahl nitrogen TKN= Norg +NH4-N NO 3 N 14/62 (Gewicht N/Gewicht Verbindung) (weight N/weight compound) Folie 49

50 Waste Water Contents Nitrogen Abwasserinhaltsstoffe Stickstoff NH 4 + Ammonium sauerstoffzehrend, eutrophierend NH 3 Ammoniak starkes Fischgift (0,1 0,8 mg/l toxisch) NO 2 - NO 3 - Nitrit Nitrat starkes Fischgift (0,15 0,55 mg/l toxisch) eutrophierend NH 4 + ammonium Oxygen demanding, eutrophication NH 3 ammonia Strong fish toxin (0,1 0,8 mg/l toxic) NO 2 - nitrite Strong fish toxin (0,15 0,55 mg/l toxic) NO 3 - nitrate Eutrophication Folie 50

51 NH 4+ / NH 3 balance NH 4+ / NH 3 Gleichgewicht Ammonium nitrogen exists in water as ammoniumion NH 4+ and as ammoia NH 3. The relative proportion NH 4+ / NH 3 is dependent on the phvalue and temperature. Ammonium-Stickstoff existiert im Wasser als Ammoniumion NH 4+ und als Ammoniak NH 3. Der relative Anteil NH 4+ / NH 3 ist abhängig vom ph-wert und von der Temperatur. ph-value Folie 51

52 Wastewater contents Phosphorous Abwasserinhaltsstoffe Phosphor ist in vielen Fällen der limitierende Faktor für Gewässer. führt zur Düngung und damit zu einer entsprechenden Erhöhung der Bio-masse. Das Verhältnis N zu P für den Aufbau der Biomasse liegt bei 13/1. essentieller Nährstoff, durch den die Eutrophierung von Gewässern gesteuert wird. in most cases the phosphorous is the limiting factor in waters results in fertilization and for this reason to an adequate decrease in biomass. The ratio of N/P for degrading the biomass is 13/1 essential nutrient, which effects the eutophication in waters Hauptquelle: Main source: fäkale Ausscheidungen faecal excrement gesetzlichen Begrenzung des Phosphatgehalts in Waschmitteln legitimate limitation of phosphorous content in detergents deutliche Verminderung der Phosphorfracht im Rohabwasser clear increase of the phosphorous load in raw wastewater Folie 52

53 Abwasserinhaltsstoffe Stoffgruppen und deren Wirkung auf die Gewässer Absetzbare Stoffe ASS [mg/l] - Schlammablagerungen, Fäulnisvorgänge, Sauerstoffzehrung Abfiltrierbare Stoffe AFS [mg/l] - Sauerstoffzehrung Nichtabsetzbare, biologisch - Sauerstoffzehrung abbaubare organische Stoffe Ammoniak NH 3 [mg/l] - Sauerstoffzehrung, Toxizität, Probleme bei nachgestalteter Trinkwasseraufbereitung gelöste anorganische Nährstoffe (Nitrat NO 3, Phosphat P ges ) - Eutrophierung, Sauerstoffzehrung, Probleme bei nachgeschalteter Trinkwasseraufbereitung gelöste biologisch resistente Stoffe - gelöste anorganische Stoffe Toxizität, Akkumulation in der Nahrungskette Probleme bei nachgeschalteter Trinkwasseraufbereitung pathogene Mikroorganismen - Verschlechterung der Hygienischen Beschaffenheit Folie 53

54 Wastewater contents Groups of substances and their effects on waters Deposable solids [mg/l] Filterable solids [mg/l] Non-settle able, biological degradable organic solids ammonia NH 3 [mg/l] dissolved anorganic nutrients (nitrate NO 3, phosphorous P ges ) dissolved biological resistant solids dissolved anorganic solids Pathogenic microorganism - Sludge sedimentation, digestion processes oxygen demanding - oxygen demanding - oxygen demanding - oxygen demanding, toxicity, problems with downstream drinking water purification - Eutrophication, oxygen demanding, Problems with downstream drinking water purification - Toxicity, accumulation in the food chain Problems with downstream drinking water purification - Worsening of hygienic conditions Folie 54

55 Zusammenfassung der relevanten Parameter zur Bewertung der Verschmutzung von Abwasser summary of the relevant parameters to estimate the pollution rate of wastewater TTS AFS BOD BSB 5 COD CSB TOC N ges NH 4 -N P ges PO 4 -P Total suspended solids Biological oxygen demand Chemical oxygen demand Total organic carbon Total nitrogen Ammonium Total phosphorous Orthophosphorous Abfiltrierbare Stoffe Biologischer Sauerstoffbedarf Chemischer Sauerstoffbedarf Gesamt organischer Kohlenstoff Gesamtstockstoff Ammonium Gesamtphosphor Orthophosphat Folie 55

56 Wastewater contents Medium concentration in wastewater Stoff substance Abwasserinhaltsstoffe Mittlere Konzentrationswerte im Abwasser Average concentration in mg/l Mittlere Konzentrationen in mg/l Regenwasserabfluss storm water Schmutzwasserabfluss wastewater AFS BSB BOD CSB COD TOC N ges 60 2,25 NH 4 - N 40 1,5 P ges 20 2 PO 4 - P 12 1, Folie 56

57 Abwasserinhaltsstoffe Stoffgruppen und Reinigungsverfahren Absetzbare Stoffe ASS [mg/l] Abfiltrierbare Stoffe AFS [mg/l] Nichtabsetzbare, biologisch abbaubare organische Stoffe Ammoniak NH 3 [mg/l] gelöste anorganische Nährstoffe (Nitrat NO 3, Phosphat P ges ) gelöste biologisch resistente Stoffe gelöste anorganische Stoffe pathogene Mikroorganismen - Siebung und Sedimentation - Mikrosiebung, Filtration - Biologische Verfahren - Oxidation von Ammonium (Nitrifikation) - Nitrifikation und Denitrifikation, - chemische und biologische P-Elimination - Aktivkohleadsorption, chemische Oxidation - Desinfektion, Sandfilter Folie 57

58 Wastewater contents Groups of substances and treatment processes Deposable solids [mg/l] Total suspended solids [mg/l] Non-settleable, biological degradable organic solids ammonia NH 3 [mg/l] dissolved anorganic nutrients (nitrate NO 3, phosphorous P ges ) dissolved biological resistant solids dissolved anorganic solids Pathogenic microorganism - Sieving and sedimentation - Microsieving, filtration - Biological treatment - Oxidation of ammonium (Nitrification) - Nitrification und Denitrification, - Chemical and biological P-elimination - Activated carbon adsorption, chemical oxidation - Desinfection, sand filter Folie 58

59 Table of contents Gliederung 1 Waste water treatment (WWT) 1.1 Introduction to WWT 1.2 Objectives and requirements for WWT 1.3 Design, flows and loads of WWT and loads for design of WWT 1.4 Wastewater treatment processes 1. Abwasserreinigung 1.1 Einleitung 1.2 Zielsetzung und rechtliche Vorgaben 1.3 Abwasserzusammensetzung und Grundlagenermittlung 1.4 Abwasserreinigungsverfahren Folie 59

60 Procedures of wastewater treatment Abwasserreinigungsverfahren Steps of WWT Mechanical processes Biological processes Chemical processes Residual product treatment/ -clearance Stufen der Abwasserreinigung Mechanische Verfahren Biologische Verfahren Chemische Verfahren Reststoffbehandlung/ -beseitigung Folie 60

61 Schematische Darstellung der mechanisch biologischen Abwasserreinigung schematic illustration of a mechanical biological wastewater treatment inflow Zulauf primary sedimentation activated sludge tank volume Volumen Belebungsbecken final sedimentation denitrification Deni V D VBB = VD + VN nitrification Nitrifikation V N Nachklärung outflow Ablauf primary sludge extraction intern recirculation interne Rezirkulation QRz return-sludge Rücklaufschlamm QRS Primärschlammabzug QPS,d surplus sludge extraction Vorklärung Überschussschlammabzug QÜS,d Folie 61

62 Steps of wastewater treatment Stufen der Abwasserreinigung 1. mechanische Abwasserreinigung 1. mechanical waste water treatment 4. Vorklärbecken 4. primary sedimentation tank 3. Sandfang / grit removal 2. Rechen/Siebung 2. racks / sieving 1. Einlaufbauwerk 1. inflow construction Folie 62

63 Steps of wastewater treatment Stufen der Abwasserreinigung 2. biologische Abwasserreinigung 2. biological wastewater treatment 9. Belebungsbecken 9. activated sludge tank 8. Zwischenpumpwerk 8. in-between pumping station 7. Belebungsbecken 7. activated sludge tank (Denitrifikation) (denitrification) 10. Nachklärbecken 10. final sedimentation 13. Pumpwerk Rücklaufschlamm 13. pumping station return-sludge 5. Selektorbecken Vermischung mit Belebtschlamm 5. selection tank; mixture with activated sludge Folie 63

64 Steps of wastewater treatment Stufen der Abwasserreinigung 3. chemische Abwasserreinigung 3. chemical wastewater treatment 20. Eisensalzanlage 20. iron salt facility 6. Dephosphatisierung 6. De-phosphoring Folie 64

65 Schnitt durch eine Kläranlage slice through a wastewater treatment plant mechanical treatment mechanische Reinigungsstufe Regenüberlauf becken CSO Rechen rack Belüfteter Sandfang aeritaed grit removal Vorklärbecken primary sedimentation tank IDM-Messung IDM-measuring Verteilerbauwerk contribution facility biological treatment biologische Reinigungsstufe Belebungsbecken activated sludge tank Verteilerbauwerk contribution facility zur Schlammbehandlung to sludge treatment Nachklärbecken final sedimentation tank Rücklaufschlamm return-sludge zur Schlammbehandlung to sludge treatment Folie 65

66 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Thank you for your attention! Quelle: Stadt Münster, Tiefbauamt Dipl.-Ing. Pamela Meyer Folie 66