A1 Modulbeschreibungen Rechengutwaschpresse

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1 A1 Modulbeschreibungen Martin Kaleß 1 Allgemeine Beschreibung des Verfahrens 1.1 Verfolgte Aufbereitungsziele Rechen entfernen grobe partikuläre Stoffe aus dem Abwasserstrom, um nachfolgende Prozesse vor Störstoffen zu schützen. Die wichtigsten Ziele der Rechengutbehandlung sind: Rückgewinnung im Rechengut befindlicher organischer Substanzen Reduzierung des Gewichts des Rechenguts durch Auswaschen und Auspressen zur Reduktion der Entsorgungskosten 1.2 Anwendung des Verfahrens im Bereich der kommunalen Abwasserbehandlung n werden eingesetzt, um die im Rechengut enthaltene Organik auszuwaschen und um das Gewicht des zu entsorgenden Rechenguts zu reduzieren. Die Gewichtsreduktion ergibt sich zum einen durch Auspressen von Teilen des im Rechengut gebundenen Wassers und zum andern durch Auswaschen von Rechengutbestandteilen, die ins Waschwasser überführt werden. Das Waschwasser enthält Kohlenstoffverbindungen und kann dem Abwasserreinigungsprozess oder der Faulung zugeführt werden. Sollte aufgrund einer hydraulischen Limitierung die Verwendung des gesamten Waschwassers nicht möglich sein, kann das Waschwasser in einem separaten Behälter durch Sedimentation in Sediment und Überstand aufgeteilt werden. Mittels Fällung und Flockung kann der CSB im Sediment weiter angereichert werden. Durch Wiederverwendung des Waschwassers, die wiederum einen Auffangbehälter voraussetzt, kann eine Aufkonzentrierung des CSB im Waschwasser erfolgen. 1.3 Verfahrensschema Abbildung 1 stellt die Stoffströme einer dar. m Rohrechengut, zu Waschwasser m behandeltes Rechengut, ab (zur Entsorgung) beladenes Waschwasser optional Absetzbehälter Überstand Sediment Abbildung 1: Stoffströme bei n zur Rechengutwäsche auf kommunalen Kläranlagen 293

2 294 Im Folgenden wird die ohne optionalen Zusatzbehälter betrachtet, da die Volumenströme an Waschwasser sowie die enthaltene CSB Fracht im Verhältnis zum Kläranlagenzulauf gering sind. Das bedeutet für die Modellierung, dass die Möglichkeiten der Wiederverwendung des Waschwassers und der Anreicherung des Sediments entfallen. 1.4 Wichtige Einflussgrößen Die Wirksamkeit der hängt von der Dauer der Wäsche sowie vom eingestellten Verhältnis Trockenmasse Rohrechengut zu Volumen Waschwasser ab. Bei der Dauer der Wäsche haben sich 5 Minuten Wirblerlaufzeit als sicher ausreichend erwiesen. Gute Ergebnisse konnten bereits bei einer Waschdauer von einer Minute erzielt werden. Das Verhältnis Trockenmasse Rohrechengut zu Volumen Waschwasser sollte etwa 0,015 kg TR bis 0,02 kg TR Rohrechengut zu 1 Liter Wasser betragen. Der Energiebedarf des Verfahrens ist abhängig von der Anzahl der Wäschen. Eine Wäsche und anschließende Pressung des behandelten Rechenguts erfordert elektrische Energie für den Betrieb des Wirblers und der Pressschnecke. Außerdem wird Pumpenergie für das Fördern des Waschwassers in die benötigt. Für die Jahreskosten sind die Energiekosten und die Abschreibungen für die Anlage relevant. Da n sehr robust ausgelegt sind, sind sie wenig störanfällig und beanspruchen daher kaum die Zeit des Betriebspersonals. Als Waschwasser kann Brunnenwasser oder Betriebswasser verwendet werden. Es braucht keine Trinkwasserqualität aufzuweisen, weshalb die Kosten für das bereit gestellte Wasser gering sind und nicht berücksichtigt werden. 1.5 Kopplung des Verfahrens mit anderen Verfahren Für dieses Verfahren existieren keine Anforderungen an die Vorbehandlung. Für dieses Verfahren existieren folgende Anforderungen an die Nachbehandlung: Das Waschwasser wird gewöhnlich in das Gerinne abgelassen und durchläuft den Kläranlagenprozess. Es kann alternativ zwischengespeichert werden und als Kohlenstoffquelle fungieren oder auf direktem Weg der Faulung zugeführt werden. Gewaschener Rechengut muss anschließend entsorgt werden. 2 Informationen zur Rechengutwäsche im FuE-Vorhaben E-Klär 2.1 Theoretische Grundlagen Die dem Abwasserstrom entnommene Rechengutmenge ist von vielen Faktoren abhängig; eine wichtige Einflussgröße ist das Spaltmaß des Rechens. Die Eigenschaften des der Kläranlage vorgeschalteten Kanalnetzes beeinflussen die Rechengutmenge ebenfalls, da grobe partikuläre Stoffe während der Abwasserförderung durch gegebenenfalls vorhandene Pumpwerke so zerkleinert werden können, dass sie nicht vom Rechen zurückgehalten werden. Ein weiterer Faktor, der die anfallende Rechengutmenge beeinflusst, ist die Ausführung des Rechens. Je nach Ausführungstyp unterscheiden sich die Ablagerungen auf den Rechenrosten. Angefallenes Rechengut am Rechenrost vermindert das bauliche Spaltmaß und führt zu einer Abscheidung kleinerer Partikel als an unbelegten Rechen. Aus diesen Gründen ist der spezifische Rechengutanfall pro Einwohner und Jahr auf kommunalen Kläranlagen großen Bandbreiten unterlegen (Kuhn, 2014). Rechengut ist ein heterogener Stoffstrom, der gegebenenfalls einer Behandlung unterzogen und anschließend entsorgt wird. Hauptbestandteile von Rechengut sind Faserstoffe aus Hygienepapierprodukten wie Toilettenpapier und Fäkalstoffe. Je nach Jahreszeit kann ein hoher Laubanteil vorherrschen.

3 Anhang A1 Modulbeschreibungen n eignen sich bei vorgeschalteten Feinrechen (Stabweite max. 6 mm), um Organik reiche Fraktionen wie Fäzes aus dem Rohabwasserstrom entnehmen und der Wäsche zufügen zu können. Eine wird diskontinuierlich betrieben. Zu Beginn eines Zyklus wird die Waschzone der mit Brauchwasser gefüllt. Das vom Rechen dem Kläranlagenzulauf entnommene Rechengut wird anschließend in die Waschpresse gefördert. Zugeführtes Rechengut führt zu einem Anstieg des Füllstandes des Waschwassers in der Waschzone. Bei Erreichen eines definierten Füllstandes startet die Wäsche. Dazu bewirkt ein Wirbler Turbulenzen in dem Gemisch aus Waschwasser und Rohrechengut. Während das Waschwasser / Rechengutgemisch den Turbulenzen ausgesetzt ist, werden auswaschbare Stoffe wie zum Beispiel Fäzes in das Waschwasser überführt. Nach Ende der Wäsche wird das beladene Wasser über ein Lochblech von dem gewaschenen Rechengut separiert. Das behandelte Rechengut wird gepresst und der Entsorgung zugeführt. Das Waschwasser wird gewöhnlich in das Gerinne abgelassen und durchläuft den Kläranlagenprozess. Es kann alternativ zwischengespeichert werden und als Kohlenstoffquelle fungieren oder auf direktem Weg der Faulung zugeführt werden. 2.2 Dimensionierung / Bemessungsansatz Da der spezifische Rechengutanfall pro Einwohner und Jahr großen Schwankungen unterlegen ist und somit als Dimensionierungsgrundlage Unsicherheiten aufweist, wird im Folgenden von der zu behandelnden, kläranlagenspezifischen Trockenmasse an Rohrechengut pro Jahr ausgegangen. n werden in unterschiedlichen Größen angeboten und unterscheiden sich im zu fassenden Volumen je Wäsche. Es wird unterstellt, dass während der Dauer eines Waschzyklus (Befüllen mit Brauchwasser, Waschdauer, Ablassen Waschwasser und Pressen des gewaschenen Rechenguts) weniger Rohrechengut über den Rechen entnommen wird als während eines Zyklus gewaschen werden kann. Im Fall von Spülstößen bei Regenereignissen kann die Kapazität der Waschpresse in der Praxis überschritten werden. In diesem Fall wird das Rechengut nicht gewaschen sondern ohne Waschvorgang mit Hilfe einer Pressschnecke inliegend in der gleichen Maschine gepresst. Dieser Fall wird im Folgenden nicht betrachtet. Es wird davon ausgegangen, dass das gesamte jährlich anfallende Rohrechengut einer Wäsche unterzogen wird. 2.3 Abbildung der Stoffströme Abbildung 2 stellt eine Übersicht über die bei der vorhandenen Stoffströme dar. Die erforderlichen Eingaben durch den Anwender sind: Masse entsorgtes (behandeltes, beh) Rechengut (RG) (kläranlagenspezifisch) pro Jahr (m RG,beh ) [Mg/a] Trockenrückstand (TR RG,beh ) entsorgtes Rechengut [%]; falls nicht bekannt, default 35 % (Bandbreite %) Trockenrückstand (TR RG,roh ) des Rohrechenguts [%]; falls nicht bekannt, default 15 % (Bandbreite %) Trockensubstanzgehalt des Waschwassers TS WW : default 5 g/l (Bandbreite 0 10 g/l) spezifische Beladung der Waschwasservorlage (g TR /l WW ) x spez : default 0,015 kg TR /l WW (Bandbreite 0,01 0,02 kg TR /l WW ) 295

4 Waschwasser (WW) unbeladen: m WW Rohrechengut (RohRG): m RohRG; TR RohRG behandeltes, zu entsorgendes Rechengut (RG,beh): m RG,beh; TR RG,beh Waschwasser beladen und Presswasser (PW): m WW; m PW; TS WW Abbildung 2: Stoffströme bei ohne zusätzlichen Absetzbehälter Aus den Eingaben durch den Anwender errechnet sich nach einer Massenbilanz die jährliche Menge an Rohrechengut: m RG,roh = m RG,beh TR RG,beh TS WW +TR RG,beh TS WW TR RG,roh TR RG,roh TS WW (1 TR RG,roh ) TS WW xspez [Mg/a] (Gl.1) Unter Vernachlässigung der ausgewaschenen Masse aus dem Rohrechengut, welche sich im Waschwasser wiederfindet, vereinfacht sich Gl. 1 unter der Annahme (TS WW 0) zu m RG,roh = m RG,beh TR RG,beh TR RG,roh [Mg/a] (Gl.2) Die chemisch gebundene Energie des Rohrechenguts hängt von seiner Zusammensetzung ab. Hauptbestandteile des Rohrechenguts sind Toilettenpapier und weitere Hygieneartikel sowie Fäzes. Die chemisch gebundene Energie der Reinbestandteile kann wie folgt angegeben werden: CSB Toilettenpapier = 1300 mg CSB g TR CSB Fäzes = 1700 mg CSB g TR Beide Werte beruhen auf jeweils vier Einzelbestimmungen. Insbesondere der CSB Gehalt in Fäzes ist von den Ernährungsgewohnheiten der angeschlossenen Einwohner abhängig (Koppe und Stozek, 1990). Aufgrund des geringen Umfangs der Daten sollten diese Werte so implementiert werden, dass sie vom Anwender variiert werden können. Die chemisch gebundene Energie des heterogenen Rohrechenguts kann somit mit einer Mischungsrechnung kalkuliert werden, in der die unterschiedlichen Anteile (x, hier Betrachtung der 296

5 Anhang A1 Modulbeschreibungen hauptsächlich vorliegenden Bestandteile Fäzes und Toilettenpapier) des Rohrechenguts berücksichtigt werden: CSB RG,roh = x Toilettenpapier CSB Toilettepapier + x Fäzes CSB Fäzes [ mg CSB g TR ] (Gl.3) Mit der Schließbedingung x Toilettenpapier + x Fäzes = 1 Vorschlag für den Anwender für die Anteilsverteilung lautet: x Fäzes = 0,1 x Toilettenpapier = 0,9 Diese Werte sind kläranlagenspezifisch sehr unterschiedlich. Insbesondere das Kanalnetz hat großen Einfluss auf die Verteilung. Bei Kanalnetzen mit installierten Pumpen und großer Entfernung der Siedlung zur Kläranlage (langer Transportweg) verringert sich beispielsweise die Möglichkeit, Fäzes aus dem Abwasserstrom zu entnehmen, da durch Auswaschung im Kanal bzw. Zerstörung der Struktur durch Pumpen die Partikelgröße die Stabweite des Rechens unterschreitet. Das im Rechengut gebundene chemische Energiepotential (P CSB,RG,roh ), welches grundsätzlich zur Verfügung steht, beträgt dann P CSB,RG,roh = m RG,roh TR RG,roh CSB RG,roh [mg CSB ] (Gl.4) Ausgewaschen und somit ins Waschwasser transferiert wird nicht das gesamte Potential P CSB,RG,roh. Fäzes werden sicher ausgewaschen, Toilettenpapier und andere Hygieneartikel hingegen nur zu einem geringen Prozentsatz. Mit der Wahl der Auswaschgrade A (variabel gestalten) unter Nutzung der default Werte A Fäzes = 1 A Toilettenpapier = 0,15 ergibt sich die ausgewaschenen chemisch gebundene Energie des Rohrechenguts, welche sich im Waschwasser wiederfindet, zu: CSB Fracht Waschwasser = m RG,roh TR RG,roh (A Fäzes x Fäzes CSB Fäzes + A Toilettenpapier x Toilettenpapier CSB Toilettenpapier ) Der Auswaschgrad wird im Wesentlichen durch die Waschdauer (Überführung grober Faserstoffe in kleine Fasern, die durch das Lochsieb in der nicht zurück gehalten werden, steigt mit zunehmender Laufzeit des Wirblers) und durch den Lochdurchmesser der Löcher im Lochblech. Oben genannte Werte haben sich für die Versuchsanlage und für das untersuchte Rohrechengut dreier Kläranlagenstandorte als realistisch erwiesen. Hinsichtlich der Parameter des Basisvektors erfahren lediglich die Einträge des Parameters CSB durch das Modul eine Änderung. Die Änderungen der anderen Parameter sind geringfügig, so dass sie nicht berücksichtigt werden. Die rechnerische Ermittlung der CSB Fracht ist oben aufgeführt, ebenso das Verhältnis Waschwasser zu Rechengut, so dass sich die CSB homogenisiert Konzentration des Waschwassers kalkulieren lässt. Der Anteil des gelösten CSB beträgt zwischen 5 15 %, der Anteil des partikulär vorliegenden CSB % des CSB homogenisiert. 297

6 2.4 Abschätzung des Energiebedarfs Der Energiebedarf bezieht sich auf die Aggregate: Wirbler: Bedarf ca. 0,02 kwh el /kgtr Antrieb der Pressschnecke zum Pressen des Rechenguts: Bedarf ca. 0,05 kwh/kgtr 2.5 Abschätzung der Kosten Folgende Kosten sind für die Investitionskosten zu berücksichtigen: Die Investitionskosten einer Waschpresse mit Wirbler werden zu 0,015 0,45 / kg TR bei einer Abschreibungszeitraum von 10 Jahren abgeschätzt, Die Investitionskosten einer Waschpresse ohne Wirbler werden zu 0,01 0,4 / kg TR bei einer Abschreibungszeitraum von 10 Jahren abgeschätzt. Für die Betriebskosten sind folgende Komponenten zu betrachten: Energiekosten: Sie ergeben sich bei bekannter TR Angabe aus der Abschätzung des Energiebedarfs multipliziert mit dem spezifischen Preis einer kwh, Betriebskosten durch Waschwasservorlage: Mit einem Liter Wasser werden 0,015 0,02 kg TR gewaschen. Somit kann das gesamte benötigte Wasser (m WW ) bei bekannter zu waschender TR Menge errechnet werden, Personalkosten: Diese sind aufgrund der robusten Bauart der n zu vernachlässigen (geringer Betriebs- und Instandhaltungsaufwand), Reduktion der Entsorgungskosten: Durch bessere Auspressbarkeit des gewaschenen Rohrechenguts muss weniger behandelte Rechengutmasse entsorgt werden. Im Vergleich zu konventionellen Rechengutpressen kann bei einer von einem etwa 5% höherem TR ausgegangen werden. Außerdem verringert sich durch die Auswaschung des Fäzes und der teilweisen Überführung des Toilettenpapiers das Gewicht des zu entsorgenden Rechenguts (m ww *TS WW ). Diese Masse muss jedoch teilweise über den erhöhten Schlammanfall berücksichtigt werden. 3 Literaturverzeichnis Kuhn, M. (2014): Mengen und Trockenrückstand von Rechengut kommunaler Kläranlagen, Dissertation, Rostock Koppe, P.; Stozek, A. (1990): Kommunales Abwasser: Seine Inhaltsstoffe nach Herkunft, Zusammensetzung und Reaktionen im Kläranlagenprozeß einschließlich Klärschlämme, 2. Auflage, Vulkan-Verlag, Essen 298