Abwasserbehandlung (Wastewater Treatment) Bemessung der Kläranlage Gevelsberg nach ATV-DVWK-A Teil 3

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1 Abwasserbehandlung (Wastewater Treatment) Bemessung der Kläranlage Gevelsberg nach ATV-DVWK-A Teil 3 2

2 Aufgabe 8: Selbststudium A 131 Arbeiten Sie Kapitel Sauerstoffzufuhr im ATV-DVWK-A 131 durch! Beschreiben Sie, welchen Einfluss Nitrifikation und Denitrifikation auf den Sauerstoffbedarf der Belüftung haben! Welche Einflussgrößen bestimmen den Sauerstoffbedarf der Belüftung? Warum kann bei Kläranlagen mit vorgeschalteter Denitrifikation der erforderliche Sauerstoffbedarf für die Belüftung des Nitrifikationsbeckens um das im Nitrat gebundene O 2 vermindert werden? 10 Minuten 3

3 Belüftung Welche Einflussgrößen bestimmen nach ATV-DVWK-A 131 den Sauerstoffbedarf der Belüftung? Abbaubare organische Stoffe im Zulauf zur Belebung Mit dem Überschussschlamm eliminierter CSB CSB gelöst, inert im Ablauf der Nachklärung Sauerstoffverbrauch für Nitrifikation Sauerstoffgewinn aus der Denitrifikation Stoßfaktor des Sauerstoffverbrauches für Kohlenstoffelimination Stoßfaktor des Sauerstoffverbrauches für Nitrifikation C BSB,ZB X CSB,ÜS S CSB,inert,AN OV d,n OV d,d f C f N 5

4 Sauerstoffbilanz N/DN (Wdhlg.) Sauerstoffverbrauch bei der Nitrifikation: 4,3 g O 2 g NH 4 N Sauerstoffrückgewinnung bei der Denitrifikation: 2,9 g O 2 g NO 3 N 2,9 4,3 g O 2 g NO 3 N g g NH 4 N = 0,67 Mit anderen Worten: Bei der Denitrifikation werden ca. 2/3 des Sauerstoffverbrauchs aus der Nitrifikation wieder zurückgewonnen. 6

5 Sauerstoffverbrauch für Kohlenstoffelimination Ermittlung nach empirischer Formel (gilt nur für C CSB,ZB C BSB,ZB 2, 2): OV d,c = B d,bsb,zb 0,56 + 0,15 t TS F T 1 + 0,17 t TS F T F T = 1,072 T 15 Täglicher Sauerstoffverbrauch für Kohlenstoffelimination Tägliche BSB 5 -Fracht im Zulauf zur Belebungsstufe Schlammalter, bezogen auf V BB Temperaturfaktor für die endogene Veratmung Abwassertemperatur OV d,c B d,bsb,zb t TS F T T Welche Temperatur ist hier zu wählen, um auf der sicheren Seite zu sein? Höchste? Tiefste? Mittelwert? Begründen Sie Ihre Entscheidung! (hier: Maßgebende höchste Abwassertemperatur T Bem.,hoch ) 7

6 Sauerstoffverbrauch für Kohlenstoffelimination Ermittlung über Sauerstoffbilanz (gilt immer, ist verbindlich anzuwenden bei C CSB,ZB C BSB,ZB > 2, 2): OV d,c = Q d C CSB,ZB S CSB,inert,AN X CSB,ÜS Täglicher Sauerstoffverbrauch für Kohlenstoffelimination Täglicher Abwasserzufluss bei Trockenwetter CSB-Konzentration im Zulauf zur Belebungsstufe Konzentration der gelösten inerten (nicht abbaubaren) CSB-Fraktion im Ablauf der Nachklärung Als CSB gemessener Überschussschlamm OV d,c Q d C CSB,ZB S CSB,inert,AN X CSB,ÜS Erläutern Sie die o. g. Berechnungsformel anhand der Grafik zur Veränderung des CSB und der abfiltrierbaren Stoffe bei der biologischen Behandlung in ATV-DVWK-A 131! 8

7 CSB-Eliminierung im Belebungsverfahren (Wdhlg.) Veränderung des CSB und der abfiltrierbaren Stoffe bei der biologischen Behandlung aus ATV-DVWK-A 131, 2000 Dr.-Ing. O. Sterger: Ü #01 Abwasserbehandlung Einf. 9

8 Sauerstoffverbrauch für Nitrifikation Ermittlung über Nitratsauerstoffbilanz: OV d,n = Q d 4,3 S NO3,D S NO3,ZB + S NO3,AN Täglicher Sauerstoffverbrauch für die Nitrifikation Täglicher Abwasserzufluss bei Trockenwetter Konzentration des zu denitrifizierenden Nitrats Nitratkonzentration im Zulauf zur Belebung Nitratkonzentration im Ablauf des NKB OV d,n Q d S NO3,D S NO3,ZB S NO3,AN 10

9 Sauerstoffgewinn bei der Denitrifikation OV d,d = Q d 2,9 S NO3,D Täglicher Sauerstoffgewinn bei der Denitrifikation (= Sauerstoffverbrauch für die C-Elimination, der durch die Denitrifikation gedeckt wird) Täglicher Abwasserzufluss bei Trockenwetter Konzentration des zu denitrifizierenden Nitrats OV d,d Q d S NO3,D 11

10 Sauerstoffverbrauch - Spitzenwert OV h Der als Spitzenwert maßgebliche Sauerverbrauch errechnet sich wie folgt: OV h = f C OV d,c OV d,d 24 + f N OV d,n Stündlicher Sauerstoffverbrauch, maßgeblicher Spitzenwert Stoßfaktor für die Kohlenstoffatmung Täglicher Sauerstoffverbrauch für C-Elimination Täglicher Sauerstoffverbrauch für die C-Elimination, der durch die Denitrifikation gedeckt wird Stoßfaktor für die Ammoniumoxidation Täglicher Sauerstoffverbrauch für Nitrifikation OV h f C OV d,c OV d,d f N OV d,n 12

11 Sauerstoffverbrauch - Spitzenwert OV h Weil die Sauerstoffverbrauchsspitze für die Nitrifikation in der Regel zeitlich nicht mit der Sauerstoffverbrauchsspitze für die Kohlenstoffelimination zusammenfällt, muss die Berechnung des Spitzenwerts des maßgeblichen Sauerverbrauchs nach der Formel auf der vorherigen Folie zweimal erfolgen: 1. einmal mit einem gemäß ATV-DVWK-A 131, Tabelle 8 ermittelten Wert für den Stoßfaktor für die Kohlenstoffatmung f C, wobei der Stoßfaktor für die Ammoniumoxidation f N = 1 gesetzt wird 2. umgekehrt, d. h. mit einem gemäß ATV-DVWK-A 131, Tabelle 8 ermittelten Wert für den Stoßfaktor für die Ammoniumoxidation f N, wobei der Stoßfaktor für die Kohlenstoffatmung f C = 1 gesetzt wird Der jeweils höhere Wert von OV h ist maßgebend. 13

12 Erforderliche Sauerstoffzufuhr erf. α OC Für durchgehend belüftete Becken errechnet sich die erforderliche Sauerstoffzufuhr wie folgt: erf. α OC = c S OV h c S c x erforderliche Sauerstoffzufuhr Sauerstoff-Sättigungskonzentration (ist gesondert zu ermitteln) Stündlicher Sauerstoffverbrauch, maßgeblicher Spitzenwert Sollwert der Sauerstoffkonzentration im Belebungsbecken erf. α OC c S OV h c x Die Berechnung der erforderlichen Sauerstoffzufuhr sollte für alle relevanten Lastfälle erfolgen (Sommerbetrieb, Winterbetrieb, hohe BSB-Fracht, hohe N-Fracht usw.) 14

13 Sauerstoff-Sättigungskonzentration Die Sauerstoffsättigungskonzentration kann man aus Tabellen ablesen 15

14 Sauerstoff-Sättigungskonzentration oder berechnen. Hierfür wurden verschiedene Formeln veröffentlicht. Berechnungsvorschlag der U.S. American Public Health Association, 1995: c S = e ( 139, , T 6, , , T 2 + T 3 T 4 ) wobei c S T Sauerstoffsättigungskonzentration bei Normaldruck (1 bar) und vernachlässigbar geringen Salzgehalten des Wassers Wassertemperatur in K (= 273,15 + Temperatur in C) APHA 1995, zitiert in U.S. EPA,

15 Sauerstoff-Sättigungskonzentration Berechnungsvorschlag von PÖPEL, 1985: c S = 2.234,34 T + 45,93 1,31403 wobei c S Sauerstoffsättigungskonzentration bei Normaldruck (1 bar) und vernachlässigbar geringen Salzgehalten des Wassers T Wassertemperatur in C zitiert in WAGNER, 1992 Die direkte Berechnung nach einer Formel ist die Methode der Wahl, sobald die Wassertemperatur als Variable in die Berechnung eingeht (z. B. wenn eine Scenarioanalyse durchgeführt werden soll)! 17

16 Berechnung OV d,c für KA Gevelsberg Ermittlung nach empirischer Formel: Tägliche BSB 5 -Fracht im Zulauf zur Belebungsstufe Schlammalter, bezogen auf V BB (gerundet) Abwassertemperatur kg/d 16,7 d 20 C F T = 1,072 = 1,4157 OV d,c = ,56 + 0,15 16, 66 1, ,17 16,66 1,41 = kg O 2/d Excel-Tabelle 18

17 Berechnung OV d,c für KA Gevelsberg Ermittlung über Sauerstoffbilanz: Täglicher Abwasserzufluss bei Trockenwetter m³/d CSB-Konzentration im Zulauf zur Belebungsstufe 264 mg O 2 /l ( Dosierter externer Kohlenstoff wird für den Sauerstoffverbrauch nicht berücksichtigt, weil davon ausgegangen wird, dass dieser mit Nitrat veratmet wird. ATV-DVWK-A 131) Konzentration der gelösten inerten (nicht abbaubaren) CSB-Fraktion im Ablauf der Nachklärung Als CSB gemessener Überschussschlamm 13 mg O 2 /l 83 mg O 2 /l OV d,c = = kg O 2 /d Die Ergebnisse beider Berechnungswege stimmen unter Berücksichtigung der hier zu erwartenden Genauigkeit - sehr gut überein! Excel-Tabelle 19

18 Berechnung OV d,d für KA Gevelsberg Täglicher Abwasserzufluss bei Trockenwetter Konzentration des zu denitrifizierenden Nitrats m³/d 38 mg/l OV d,d = , = kg O 2 /d Excel-Tabelle 20

19 Berechnung OV d,n für KA Gevelsberg Ermittlung über Nitratsauerstoffbilanz: Täglicher Abwasserzufluss bei Trockenwetter Konzentration des zu denitrifizierenden Nitrats Nitratkonzentration im Zulauf zur Belebung Nitratkonzentration im Ablauf des NKB m³/d 38 mg/l 16,3 mg/l 9,1 mg/l OV d,n = , ,3 + 9, = kg O 2 /d Excel-Tabelle 21

20 Berechnung OV h für KA Gevelsberg Stoßfaktor für die Kohlenstoffatmung 1,15 Täglicher Sauerstoffverbrauch für C-Elimination Täglicher Sauerstoffverbrauch für die C-Elimination, der durch die Denitrifikation gedeckt wird kg O 2 /d kg O 2 /d Stoßfaktor für die Ammoniumoxidation 1,5 Täglicher Sauerstoffverbrauch für Nitrifikation kg O 2 /d 1. Rechengang: 1, , OV h = kg O 2 /h 2. Rechengang: OV h = 1, , kg O 2 /h Maßgeblicher Wert! Excel-Tabelle 22

21 Berechnung erf. α OC für KA Gevelsberg Berechnung für Sommerbetrieb, d. h. maßgebende höchste Abwassertemperatur, T Bem.,hoch = 20 C Sauerstoff-Sättigungskonzentration (abgelesen aus Tabelle) 8,8 mg/l Stündlicher Sauerstoffverbrauch, maßgeblicher Spitzenwert 327 kg O 2 /h Sollwert der Sauerstoffkonzentration im Belebungsbecken 2,0 mg/l erf. α OC = 8,8 327 kg O 2/h 8, kg O 2 /h Excel-Tabelle 23

22 Berechnung V Luft,OC für KA Gevelsberg 1 Normkubikmeter Luft wiegt 1,293 kg, Umgebungsluft enthält ca. 23,16 Mass.% O 2 Ergo: 1 Nm³ Luft enthält ca. 300 g Sauerstoff (Normkubikmeter heißt, gemessen bei 0 C und Luftdruck = mbar) erforderliche Sauerstoffzufuhr (erf. α OC) 423 kg O 2 /h durchschnittliche Sauerstoffaufnahme 33 % Quotient der Sauerstoffzufuhr in belebtem Schlamm und in Reinwasser (α Wert) 0,7 V Luft,OC = 423 kg O 2 /h kg Luft 1,293 Nm 3 Luft 0,2316 kg O m3 Luft/h 2 kg Luft 0,33 0,7 alternativer Rechenweg: V Luft,OC = 423 kg O 2 /h kg O m3 Luft/h 0,3 2 Nm³ Luft 0,33 0,7 24

23 Aufgabe 9: Selbststudium A 131 Arbeiten Sie von Kapitel 6 Bemessung der Nachklärung im ATV-DVWK-A 131 die Unterpunkte 6.1 Anwendungsgrenzen und Ablaufbeschaffenheit bis einschließlich 6.7 Beckentiefe durch! 10 Minuten 25

24 Bemessung Nachklärbecken Welche Einflussgrößen bestimmen nach ATV-DVWK-A 131 die Bemessung eines NKB? Schlammindex Maximaler Regenwetterzufluss Trockensubstanzgehalt im Ablauf des Belebungsbeckens bzw. im Zulauf zur Nachklärung 1) Außerdem zu beachten bzw. zu wählen: Eindickzeit Schlammvolumenbeschickung ISV Q m TS AB t E q SV Klarwasserzone (Tiefe) h 1 Trockensubstanzgehalt des Überschussschlammes TS ÜS Trockensubstanzgehalt im Bodenschlamm des NKB TS BS Rücklaufschlammvolumenstrom Q RS 1) außer bei Kaskadendenitrifikation gilt: TS AB = TS BB 26

25 Bemessung Nachklärbecken Schlammindex (ISV), Trockensubstanzgehalt im Bodenschlamm des NKB (TS BS ) und Eindickzeit (t E ) sind voneinander abhängige Größen. Ähnlich wie bei der Ermittlung von Trockensubstanzgehalt im Belebungsbecken (TS BB ), Rücklaufverhältnis (RV) und Trockensubstanzgehalt des Rücklaufschlamms (TS RS ) muss auch hier zunächst ein Wert geschätzt werden, um iterativ die übrigen Werte zu ermitteln. ISV = t TS E BS t E = TS BS ISV TS BS = 1000 ISV 3 t E Maßgeblich für die Fläche des NKB (A NB ) ist die sogenannte Flächenbeschickung (q A ), die wiederum von der Schlammvolumenbeschickung (q SV ) und dem Vergleichsschlammvolumen (VSV) abhängt: A NB = Q m q a q A = q SV VSV VSV = TS BB ISV q SV ist unter Berücksichtigung der Hinweise in ATV-DVWK-A 131 zu wählen. 27

26 Bemessung Nachklärbecken Hauptströmungsrichtungen und funktionale Beckenzonen von horizontal durchströmten runden Nachklärbecken aus ATV-DVWK-A

27 Bemessung Nachklärbecken Die Klarwasserzone (h 1 ) ist eine Sicherheitszone mit einer Mindesttiefe von 0,50 m. Die Tiefe der übrigen drei Funktionszonen wird aus vorher zu berechnenden Werten gemäß empirischer Formeln ermittelt: h 2 = 0,5 q A (1 + RV) 1 VSV/1.000 h 3 = 1,5 0,3 q SV (1 + RV) 500 h 4 = TS BB q A 1 + RV t E TS BS Abschließend ist zu überprüfen, ob folgende Bedingungen erfüllt sind h ges auf 2/3 des Fließweges 3,00 m Neigung Beckensohle 1 : 15 29

28 Bemessung NKB für KA Gevelsberg Schlammindex (ISV) gewählt Trockensubstanzgehalt im Bodenschlamm des NKB (TS BS ) 125 l/kg 10 kg/m³ t E = ,0 h VSV = 3 kg/m³ 125 l/kg = 375 l/m³ Schlammvolumenbeschickung (q SV ) gewählt 450 l/m² h q A = l 450 m 2 h = 1,2 m/h 375 l/m³ Maximaler Regenwetterzufluss (Q m ) m³/h A NB = m³/h 1,2 m/h = m² Excel-Tabelle 30

29 Bemessung NKB für KA Gevelsberg Klarwasserzone (h 1 ) gewählt 0,50 m h 2 = 0,5 1,2 (1 + 0,75) 1 375/1.000 = 1,68 m h 3 = 1,5 0,3 450 (1 + 0,75) 500 = 0,71 m h 4 = 3 1, , = 1,26 m gewählt: 1,60 m h ges = 4,49 m Excel-Tabelle 31

30 Skizze KA Gevelsberg, NKB NKB Anzahl V VKB 2 x m³ m³ mittl. Beckentiefe 4,00 m Zulauftiefe 2,00 m Beckenoberfläche m² Excel-Tabelle 32

31 Parameter, die zu wählen sind Welche Parameter sind bei der Bemessung einer Kläranlage nach ATV-DVWK-A 131 zu wählen? Sicherheitsfaktor SF Aerobes Schlammalter Bemessungsschlammalter Trockensubstanzgehalt im Belebungsbecken Eindickzeit t E Schlammindex ISV Trockensubstanzgehalt des Überschussschlammes Trockensubstanzgehalt im Bodenschlamm des NKB Rücklaufverhältnis RV Rückführverhältnis für interne Rezirkulation RF Stoßfaktor des Sauerstoffverbrauches für Kohlenstoffelimination f C Stoßfaktor des Sauerstoffverbrauches für Nitrifikation f N Sauerstoffkonzentration im BB c x Säurekapazität im Ablauf der Belebung Schlammvolumenbeschickung q SV Klarwasserzone (Tiefe) h 1 t TS,aerob,Bem t TS, Bem TS BB TS ÜS TS BS S KS,ZB 33

32 Grundsätzliche Voraussetzungen für C, N, DN Voraussetzungen für Abbau/Eliminierung von Organika (C): Gelöstsauerstoffkonzentration 1,5 mg/l Ausreichend Kohlenstoffverbindungen vorhanden Ausreichend Heterotrophe vorhanden aerob Voraussetzungen für Nitrifikation (N): Gelöstsauerstoffkonzentration 1,5 mg/l Ausreichend Ammoniumstickstoff vorhanden Ausreichend Autotrophe vorhanden Ausreichend Pufferkapazität vorhanden aerob Voraussetzungen für Denitrifikation (DN): Gelöstsauerstoffkonzentration 0 Ausreichend Nitrat vorhanden Ausreichend leicht abbaubares Substrat (BOD) vorhanden Ausreichend Heterotrophe vorhanden anoxisch 34

33 Biochemische Reaktionen bei BioP Biologische Phosphatelimierung (BioP): In der anaeroben Stufe nehmen die PAO s leicht abbaubare organische Stoffe unter Verbrauch von Polyphosphat auf und lagern diese als organische Speicherstoffe (Polysubstrat) innerhalb der Zellen ein. Dabei wird Polyphosphat im Inneren der Zellen abgebaut und als Phosphat ins Abwasser abgegeben. Diese Reaktion liefert die erforderliche Energie. In der anoxischen und in der aeroben Stufe werden die organischen Speicherstoffe abgebaut (veratmet), die daraus gewonnene Energie dient dazu, die Biomasse zu vermehren und wieder mehr Polyphosphate aufzubauen. Dabei wird dem Abwasser deutlich mehr Phosphat entzogen, als zum Aufbau der Biomasse nötig ist. Der Phosphorgehalt der PAO s kann hier bis zu 15% betragen (normal sind ca. 1-2%). anaerob anoxisch aerob Die mit Phosphor im Überschuss beladenen PAO s werden entweder mit dem Überschussschlamm ausgekreist oder mit dem Rücklaufschlamm zurück in die anaerobe Stufe gebracht, wo der Zyklus erneut beginnt. nach GUJER,

34 Grundsätzliche Voraussetzungen für BioP Voraussetzungen für biologische Phosphatelimierung (BioP): Ausreichend Phosphor akkumulierende Organismen (PAO s) im Belebtschlamm vorhanden (erreichbar, indem der Belebtschlamm ständig wechselnden Sauerstoffbedingungen ausgesetzt wird) anaerobe Stufe: Gelöstsauerstoffkonzentration 0 Nitrat 0 Ausreichend leicht abbaubares Substrat (BOD) vorhanden anoxische Stufe: Gelöstsauerstoffkonzentration 0 Ausreichend Nitrat vorhanden Ausreichend Phosphat (o-po 4 ) vorhanden aerobe Stufe: Gelöstsauerstoffkonzentration 1,5 mg/l Ausreichend Phosphat (o-po 4 ) vorhanden anaerob anoxisch aerob anaerob anoxisch aerob 36

35 Literaturverzeichnis ATV-DVWK-A 131, 2000 ATV-DVWK-A 198, 2003 DROSTE, 1997 GUJER, 2007 HENZE et al., 1987 KUNZ, 1992 KREBS, 2007 LONDONG et al., 2009 SCHNEIDER, 2014 ATV-DVWK-A 131 Bemessung von einstufigen Belebungsanlagen Abwassertechnische Vereinigung e.v. / Deutsche Vereinigung für Wasserwirtschaft und Kulturbau e.v., Mai 2000 ATV-DVWK-A 198 Vereinheitlichung und Herleitung von Bemessungswerten für Abwasseranlagen Abwassertechnische Vereinigung e.v. / Deutsche Vereinigung für Wasserwirtschaft und Kulturbau e.v., April 2003 Droste, R. L.: Theory and Practice of Water and Wastewater Treatment John Wiley & Sons, Inc., New York, 1997 Gujer, W. Siedlungswasserwirtschaft Springer-Verlag Berlin Heidelberg, 2007 Henze, M.; Grady, C. P. L.; Gujer, W.; Marais, G. v. R.; Matsuo, T. Activated Sludge Model No. 1 IAWPRC Scientific and Technical Reports, No. 1, IAWQ, London, 1987 Kunz, P.: Umwelt-Bioverfahrenstechnik Vieweg, Braunschweig 1992 Krebs, P.: Vorlesung Grundlagen der Siedlungswasserwirtschaft TU Dresden, Institut für Siedlungswasserwirtschaft, 2007 Londong, J.; Lützner, K. u. a. Abwasserbehandlung Weiterbildendes Studium Wasser und Umwelt Bauhaus-Universität Weimar, 3. überarbeitete Auflage, September 2009 Schneider, F. Vorlesungsskript Entsorgung (Abfall & Abwasser) für Master Urbane Infrastrukturplanung, Abwasserreinigung Beuth-Hochschule für Technik, Berlin,