Möglichkeiten der P-Elimination bei kleinen Kläranlagen

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1 Möglichkeiten der P-Elimination bei kleinen Kläranlagen M. Barjenbruch TU Berlin,, Sekr. TIB 1B 16 Gustav-Meyer-Allee 25, D Berlin Tel.: +49 / (0) 30 / ; Fax: +49 / (0) 30 / matthias.barjenbruch@tu-berlin.de

2 Eutrophierung Beispiel Ostsee COMMON 2 UNIVERSITY COURSE ON NUTRIENT REMOVAL

3 Бухта Тайваллахти, Хельсинки, июль 2013 г. 3Taivallahti COMMON Bay, Helsinki, UNIVERSITY July COURSE 2013 ON NUTRIENT REMOVAL

4 Рюген, июль 2013 г. Rügen, July COMMON UNIVERSITY COURSE ON NUTRIENT REMOVAL

5 P-Einzeleinträge in die Gewässer (UBA 2014) 19% 74% Reduktion: gesamt 62% 1% 0% 86%

6 Situation in Deutschland Messstellen mit Überschreitung des Orientierungswertes für Gesamtphosphor

7 Notwendigkeit der weitgehenden P-Elimination Emission, bundesweit Abwasserverordnung (seit 1989) Überwachungswerte Kläranlagen nach Abwasserverordnung < E: 2,0 mg TP/l > E: 1,0 mg TP/l Besondere regionale Anforderungen Regionale, gewässer- und nutzungsspezifische Begrenzungen z.b.: Dringlichkeitsprogramm Schleswig-Holstein TP 0,5 mg/l Bodensee 1,0 mg/l TP für E und 0,3 mg/l TP für > E (im 24-h-Mittel) (vgl. IGKB, 2001) Immission, bundesweit Oberflächengewässerverordnung (2016) Fließgewässer Seen guter Gewässerzustand von Fließgewässern < 0,10 mg/l TP Sehr guter Gewässerzustand von Fließgewässern < 0,05 mg/l TP eutrophe Seen: TP-Zielwert ~ µg/l, je nach Referenzzustand mesotrophe Seen: TP-Zielwert ~ µg/l, je nach Referenzzustand

8 Bestimmung der Verursacheranteile von Gewässerbelastungen (Brandenburg) Merten, 2010

9 Anforderungen an die P-Ablaufwerte in anderen Bundesländern (Beispiele) Bayern c) 2 2/1 MV< 30 1 MV < 30 0,5 MV < 15 c) nur Flüsse erweitert nach Scheer 2017

10 Anforderungen an die P-Ablaufwerte im LV Nord-Ost Brandenburg/Berlin: Nährstoffreduzierungskonzepte Ausbau/Optimierung der Betriebsweise von kommunalen Kläranlagen Großkläranlagen 100 t P/a Flockungsfiltration 0,3 mg/l/0,1mg/l(jm) GK 1-4: Optimierungsmaßnahmen Neubau und Sanierung von Kleinkläranlagen Mecklenburg-Vorpommern Jährliche P-Gesamtfracht aller KA: ca. 100 t P/a, davon ca. 60% aus KA der GK 1-3 Priorisierung in Abhängigkeit der Gewässerqualität Sachsen-Anhalt baut auf Änderung der Abwasserverordnung (Emission!)

11 Stand der P-Elimination in Deutschland P ges -Mittelwerte im Kläranlagenablauf 1992 bis 2017 Zulauf: 13,3 5,7 mg P/l DWA, 2017 Ablauf ( 0,55 mg/l): 0,77-0,39 mg P/l

12 Verfahren zur P-Elimination

13 Verfahren zur Phosphorelimination Phosphor kann nicht wie Stickstoff in den gasförmigen Zustand überführt und eliminiert werden. Die Phosphorverbindungen müssen im festen Aggregatzustand mit gut abscheidbaren Partikeln über die Schlammwege aus dem Abwasser entfernt werden. Verfahren zur chemischen P-Elimination Me 3+ + PO 4 3- Me(PO) 4 + Me (OH) Metalle: Fe 3+, Al 3+ Vorfällung Simultanfällung XMe / AM Me Fäll Zwischenfällung XP,Fäll / AM P Nachfällung Kombinationsfällung (Zwei-Punktfällung) [molme / molp] > 1 Verfahren zur biologischen P-Elimination Kombination aus Bio-P und chemischer P-Elimination

14 Jar-Test mit Eisen-(III)-Chlorid

15 Jar-Test mit Eisen-(III)-Chlorid -Werte 0 1,2 2,0 2,8 3,6

16 Verfahren der chemischen P-Elimination Vorfällung = 1,2 (2-3) FM SF VKB TK/BB NK C Pe 2 mg/l Simultanfällung = 1,2 ( 1,5) VKB FM FM BB FM FM NK 1-1,5 mg/l z.t. < 1,0 Kombinierte Fällung (Zweitpunktfällung) VKB = 1,2 1,5 FM FM FM FM BB NK = 2 2,5 FF < 0,5 mg/l (= 0,3.mg/l)

17 Prinzip der erhöhten biologischen P-Elimination ANAEROB P-Rücklösung B PO 4 -P AEROB P-Aufnahme A luxery uptake C Zeit

18 Bio-P Bsp.: Phoredox-Verfahren (Kontaktzeit t k,an : 0,5 bis 0,75 h) Zulauf Q T Anaerobe Anoxische Belüftete Zone Zone V AN Zone CSB-Elimination = 1,2 1,5 Denitrifikation & Nitrifikation FM C Pe 1-1,5 2,0 mg/l z.t. < 1,0 Ablauf Belüftung Interne Rezirkulation Nachklärung Rücklaufschlamm Q RS Überschussschlamm V AN = t k,an (Q RS + Q T ) [m 3 ]

19 Grenzen der erreichbaren Ablaufwerte der snrp Ablaufwert snrp: nicht reaktiver Phosphor snrp = TP PO 4 -P part.p Median Ablauf Filter 50 µg/l (Listringhaus, J., 2016)

20 P- Elimination bei kleinen Kläranlagen Auswertung Mecklenburg-Vorpommern Tränckner 2009

21 Maßnahmen zur Verbesserung der P-Elimination auf Kläranlagen Bestandsaufnahme/Betriebsoptimierung (kurzfristige Maßnahmen) Änderung der Betriebsweise Erhöhung der Dosierung, Art des Fällmittels/Bio-P-Anteil erhöhen Verkürzung des Schlammalters Erhöhung Schlammproduktion Verringerung Rücklösung/externe Lagerung von Schlamm Optimierung der Maschinentechnik, MSR-Technik, Dosiertechnik Veränderung der Bestandstechnologie mittelfristige Maßnahmen Austausch oder Ergänzung von Technologien (z.b. Maschinentechnik: MSR-Technik, Dosiertechnik) Zweipunktfällung Interkommunale Zusammenschlüsse (bei kleinen Anlagen) Ausrüstung von kleineren Kläranlagen z.b.: Prüfen wieweit Bio-P durch Regelung der Belüftung möglich ist Dosierstation und Dosierregime (installieren) Ggf. gemeinsamer Einkauf Fällmitteln zusammen mit Nachbarn Erweiterung von Kläranlagen

22 Grundsätzliche Vorgehensweise bei der Nachrüstung zur P-Fällung bei kleinen KA Vorgaben der Behörden abstimmen WRRL! Grenzwert + zusätzliche Zielwerte bzw. weitergehende Anforderungen, Fristen zur Umsetzung Schaffung einer aussagefähigen Datengrundlage Auswahl eines geeigneten Fällmittels Vergleichsbasis Wirksubstanz Beachtung gewünschter / unerwünschter Nebeneffekte Berücksichtigung anwendungstechnischer Eigenschaften der flüssigen Fällmittel (ph-wert etc.). Besonderheit feste Fällmittel. Abschätzung der zu dosierenden Menge Fällmittel pro Zeiteinheit für die P-Elimination (DWA-A 202, A 131) Nach Schwimmbeck 2015

23 Mögliche Probleme bei der Nachrüstung einer Fällung bei kleinen Kläranlagen Beschränkung auf flüssige Fällmittel; zu beachten ist: Einsatz von wassergefährdenden Stoffen (WGK 1) mit begrenzter Haltbarkeit und hohen spezifischen Kosten für geringe Liefermengen Geschultes Personal für Umgang mit starken Säuren/Laugen Dosiertechnik für kleinste Mengen mit Einmischung an turbulenten Stellen erforderlich Anforderungen an Lagerbehälter und Aufstellflächen (im Freien oder im Gebäude) Erschwerte Bedingungen bei Anlieferung u. KA-Zufahrt Nach Schwimmbeck 2015

24 Auswahl eines geeigneten Fällmittels Abhängig von den chemischen Eigenschaften des gewählten Fällmittels sind neben der P-Fällung zusätzliche positive Nebeneffekte möglich, wie z.b. Verbesserung des Schlammindex Reduzierung von Trübung und Abtrieb von belebtem Schlamm H 2 S-Bindung Möglicherweise Kosteneinsparung durch erleichterten Betrieb! Negative Effekte: unerwünschte Absenkung von ph-wert und Säurekapazität im Abwasser. Aufsalzung des Gewässers Nach Schwimmbeck 2015

25 Fällungs- und Flockungsmittel Vergleichsbasis Wirksubstanzgehalt Unterschiedliche Fällmittel auf dem Markt erhältlich: mehrwertige Metallionen Fe 3+ -, Al 3+ -, (Fe 2+ und Ca 2+,) Sie bilden nach Zugabe zum Abwasser unlösliche Verbindungen mit Phosphationen saure oder alkalische Produkte und Mischungen davon meist in flüssiger Form geliefert und dosiert Vergleichsbasis: Wirksubstanzgehalt Angaben in mol/kg bzw. mol/l siehe Produktspezifikation => große Unterschiede zwischen Fällmitteln: 0,9.3,5 mol/kg Folge: sehr unterschiedliche Dosiermengen (l/h), die von der Dosiertechnik zu bewältigen sind Auswahl geeigneter Dosierstelle und Technik (Zeitschaltuhr) Nach Schwimmbeck 2015

26 Gebräuchliche Fällmittel Nach DWA A 202

27 Abschätzung der Dosiermenge an Fällmittel für die Pumpenleistung Als Faustformel kann ohne Messungen mit 1,8 g P/E gemäß DWA-Regelwerk (A 131) gerechnet werden. Bei Annahme eines Wirkungsgrades durch biologische P- Elimination sowie durch die verbleibende Restbelastung am Ablauf von rd. 40 % ergibt sich eine zu fällende P- Fracht von rd. 1 g P / E Tag = 1 kg P / 1000 E Tag Die mittlere erforderliche Fällmittelmenge berechnet sich: für Eisen-III-salze (mit rd. 2,3 mol Fe/kg u. 1,4 Dichte) zu rd. 10 l /Tag und E für PAC (mit 3,3 mol Al/kg und 1,4 Dichte) zu rd. 7 l /Tag E Nach Schwimmbeck 2015

28 Auslegung der Lager- und Dosierstation Die notwendigen Dosiermengen (in l /Tag) für die unterschiedlichen Fällmittel bestimmen die: Art und die Auslegung der Lager- und Dosierstation die Pumpenleistung unter Berücksichtigung der verschiedenen Betriebszustände: Trocken- bzw. Regenwetter Bläh- und Schwimmschlammbekämpfung häufig mit sauren aluminiumhaltigen Fällmitteln (Dosierung mind. 1 g Al/ kg TS ), wobei diese zusätzlichen Dosiermengen bei der Ermittlung der Pumpenleistung ebenfalls mit zu berücksichtigen sind. Das Volumen des Lagerbehälters wird darüber hinaus noch stärker bestimmt durch: Anlieferung der Fällmittel und Produkteigenschaften Nach Schwimmbeck 2015

29 Gut ausgeführter Lagerbehälter Belieferung mit 40 t LKW - lose Ware Mechanische Füllstandsanzeige mit Schwimmer Doppelwandiger Behälter, Kantenschutz, Notdusche Vorort (rechts) Separate Entwässerung, falls Fällmittel bei der Abfüllung verspritzt

30 600 E Kläranlage 1 m³ IBC Innenaufstellung Nach Schwimmbeck 2015

31 Dosierstation im Container Nach Schwimmbeck 2015

32 Anforderungen an den Betreiber der Lagerund Dosierstation - Arbeitssicherheit Maßgeblichen Gesetze und Verordnungen sind zu beachten Dokumentation auf der Kläranlage: EU-Sicherheitsdatenblatt mit REACH-Nummer zum Nachweis der Herkunft des Fällmittels, anwendungstechnische Hinweise Fällmittel flüssig: Wassergefährdungsklasse 1 Betriebsanweisung mit Notrufnummer Kennzeichnung des Befüllstutzens, der Lager und Dosierstation und ggf. der Dosierstellen mit Bezeichnung der Chemikalie, Lieferfirma und entsprechenden Piktogrammen Benutzung von persönlicher Arbeitsschutzkleidung (Schutzbrille, Handschuhe) Nach Schwimmbeck 2015

33 Behälterpreise in Abhängigkeit des Volumens Doppelwandige Behälter (die z.b. mit eine Vakuumleckage-Anzeige arbeiten), sind bei kleinen Volumina etwas teurer, bei großen Volumina etwas preiswerter als oben angegeben Nach Schwimmbeck 2015

34 Anlieferung flüssiger Fällmittel lose Ware => Auswirkungen auf Größe des Lagertankes Lage und Zufahrt sind entscheidend für die maximal mögliche Liefermenge des Fällmittels. Folgende Kriterien können die Größe des Lieferfahrzeuges beschränken: Lichte Höhe von Durchfahrten Traglast der Zufahrtsstraße, Böschungsmauern an Gewässern, Brücken etc. Gefälle und Breite der Zufahrtsstraße Zulassung der Straße für Gefahrguttransport (z.b. in Wasserschutzgebieten) kein Winterdienst für die Zufahrtsstraße Nach Schwimmbeck 2015

35 Anlieferung flüssiger Fällmittel lose Ware => Auswirkungen auf Größe des Lagertankes 40 t-straßentankzug mit 24 t bis 27 t ( m³) = am kostengünstigsten sogenannte Kombi-Lieferung: kleinere Menge Fällmittel an Kläranlage A, der Rest an Kläranlage B. Um für A und B den gleichen Befüll-Rhythmus zu ermöglichen, muss Kläranlage B ein ausreichend großes Lagervolumen besitzen. Für die zweite Abladestelle wird meist ein Aufschlag berechnet. Zwischenwiegendes LKWs! (nicht bei gleicher Rechnungsanschrift) Bei Mehrkammerfahrzeuge oder mit mehreren 3 bis 5 t Aufliegertanks ist der Preis pro Tonne Fällmittel grösser als bei loser Anlieferung Nach Schwimmbeck 2015

36 Fahrzeuge Fahrzeug mit 3 bis 5 t Aufliegertanks 40 t Straßentankzug Abmessungen Fotos: W. Scheffer, Fa. Brenntag

37 Anlieferung flüssiger Fällmittel - IBC 800 / 1000 l-container (IBC = Intermediate Bulk Container = Transportbehälter für lose Ware ): Preise pro Tonne umso günstiger, je mehr IBCs gleichzeitig angeliefert werden können. Obergrenze: Ladevermögen des LKWs (meist zw IBCs, je nach Ladefläche und Dichte des FMs). Abladen der IBCs: Hubwagen über Hebebühne oder mittels Gabelstapler (sofern an der Anlieferstelle vorhanden.) Noch kleinere Gebinde (Fässer, Kanister) werden auf Paletten angeliefert. Viele Fällmittel-Hersteller liefern ausschließlich mit 40 t- Straßentankzügen, während das Abfüllen und Verteilen kleinerer Liefermengen durch Händler sichergestellt wird. Das Befüllen von IBCs oder anderer Gebinde direkt aus dem Lieferfahrzeug vor Ort, ist aus Gründen des Gewässerschutzes und der Arbeitssicherheit zu unterlassen. Nach Schwimmbeck 2015

38 Kosten der Fällmittel Kostenstand 2012

39 Einfache Optimierungen Stellen der Fällmitteldosierung Fällmittel Düsenrohr Abwasser Rinne Venturi Strömungsbrecher Rinnenknick

40 Leitfaden Beispiel Dosierstelle schlechte Lösung schlechte Einmischbedingung durch Randlage kaum Berührung mit einer großen Wassermenge bessere Lösung Dosierung vor Venturi vorteilhaft Verteilung über Gerinnebreite

41 Leitfaden Beispiel Dosierstelle gute Einmischbedingungen die Dosierung wird hier durch eine Injizierung von mehreren Seiten auf den gesamten Durchflussquerschnitt verteilt auch hier wird eine gute Einmischung gewährleistet aber Gefahr der Korrosion

42 P-Elimination in einer 50 E SBR KKA

43 Zusammenfassung und Ausblick Kommunale Kläranlagen < 30 % der gesamten P-Einträge in die aquatische Umwelt Der mittlere P-Ablaufgehalt beträgt 0,55 mg TP/ l Ablauffracht der Kläranlagen > E entspricht 2/3 der eingeleiteten Fracht In ländlichen Räumen können lokal kleine Kläranlagen zum schlechten Gewässerzustand beitragen Verringerungspotentiale Z.B. Mecklenburg.-Vorpommern: Jährliche Gesamtfracht aller KA: ca. 100 t, davon ca. 60% aus KA der GK 1-3 Häufig Einleitung in abflussschwache Fließgewässer, insbesondere im Sommer hoher Anteil Aufrüstung der chemischen P-Elimination in kleinen KA s möglich Dosier- und Lagertechnik erforderlich Ermittlung geeigneter Dosierstelle, einfache Dosiereinstellung (Zeitschaltuhr) Zufahrtsmöglichkeit prüfen (mit Tankfahrzeug) Haltbarkeit des Fällmittels berücksichtigen Überdosierung vermeiden (Schädigung der Biomasse) Einhaltung der Sicherheitsanforderungen

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