Dezentrale Abwasserentsorgung Kleinkläranlagen - Leistung und Grenzen - Prof. Dr.-Ing. M. Barjenbruch,

Transkript

1 Dezentrale Abwasserentsorgung Kleinkläranlagen - Leistung und Grenzen - Prof. Dr.-Ing. M. Barjenbruch, FG Siedlungswasserwirtschaft, Stiftungsprofessur KWB-Veolia Wasser, TU Berlin

2 Bevölkerungsdichte kreisfreier Städte und Landkreise (E/km²)

3 Entscheidungsprozess Abwasserentsorgung Stakeholders Wartung Hersteller Nach Schröder u Maus 2001

4 Zentrale oder dezentrale Entsorgung Doppelte Bedeutung des Begriffs : Ortskläranlagen im Vergleich zu Gruppen- oder Verbandslösungen (zentrale Ortslösung) Abwasserbehandlung und -beseitigung auf einzelnen Grundstücken in Kleinkläranlagen Weitgehende Dezentralisierung nach Ortslagen entspricht nicht der Hygieneanforderung und der Wasserwirtschaft, sollte jedoch für jeden Einzelfall auch kostenmäßig überprüft werden. Kleinkläranlagen heute: Dauerlösung möglich zum Teil auch Kosteneinsparung möglich (Eigenbeteiligung)! Früher grundsätzlich nur als Sanierungselement bei Streubebauung und als Übergangslösung

5 Akteure und Zielvorstellungen Aus der Sicht von... Bürger und Nutzer Geringe Investitionen keinen Betriebsaufwand keine Beeinträchtigung Geruch, Ästhetik, Garten etc. Planungssicherheit Wasserbehörden Beste Reinigungsleistung aus Sicht des Gewässerschutzes Geringer Aufwand bei Überwachung Planer ALLE: keinen Ärger d.h. gute Ablaufwerte Einfach Kalkulierbar (Technisch, monitär) Hersteller Direkt Verkauf, hohe Verkaufzahlen Betriebsstabiles und günstiges Produkt Wartungsfirma Geringer Aufwand bei Wartung Möglichst baugleiche Systeme Kommune/Verband oft zentraler Anschluss bevorzugt gesicherte und einfache Schlammentsorgung

6 Bedeutung von Kleinkläranlagen Verbreitung in Deutschland Kleinkläranlagen sind nach DIN 4261 Anlagen zur Reinigung von häuslichem Abwasser bis 8 m 3 /d bzw. ca. 50 E Abwasserbeseitigungspflicht zumeist beim Eigentümer nach Hilmer 2006 Bundesweit sind nach Schätzungen ca. 1,85 Mio. KKA in Betrieb Anschlussgrad bundesweit 93% (West 96%; 76% Ost)

7 Vergleich kommunale KA / KKA Anschlussgrad CSB-Emissionen (Deutschland) Einwohner Quelle: (OTTO, 2000) entnommen aus KA 10/2000 Einwohner (5,6 Mio.) 7% DEZENTRAL 93% Anschluss an kommunale Kläranlagen Anschluss dezentrale Kläranalagen Schmutzfrachtanteil 25% KOMMUNAL 75% Zukünftig: auch Nährstoffe; z.b. KKA bei Phosphor zum Teil > 50%

8 Übersicht Kleinkläranlagensysteme Mechanische Reinigung: Mehrkammerabsetzgrube/Mehrkammerausfaulgrube Biologische Reinigung Naturnahe Verfahren Technische Verfahren Filtergraben Bodenfilterkörper Tropfkörperr Rotationstauchkörper Filterkammer Pflanzenbeet Tauchkörper Belebungsanlage Abwasserteiche und Kombinationsverfahren Membranbelebung SBR/Aufstaureaktor Sessile Biomasse suspendierte Biomasse Wirbelbett und Kombinationsverfahren

9 Ablaufanforderungen an Kläranlagen Abwasserverordnung Zulassungsgrundsätze des DIBt Parameter [mg/l] CSB BSB 5 NH 4 -N N anorg. AFS Anforderungen GK 1 < E* Anforderungen GK 2 < E* Anforderungen C-Elimination** 150/100 40/ /- Anforderungen Nitrifikation** 90/75 20/15 -/10-50/- Anforderungen Nitrifikation/ Denitrifikation** 90/75 20/15 -/10 -/25 50/- Zusätzliche Anforderung P-Elimination** 2 mg/l P Zusätzliche Anforderung Hygienisierung** 100 fäkal coliforme Keime je 100 ml *Probenahme: Quali. Stichprobe oder 2h-Mischprobe; ** Probenahme: Stichprobe oder 24h-Mischprobe

10 Einflussgrößen auf die Reinigungsleistung von Kleinkläranlagen Abwassermenge und beschaffenheit, sowie deren Schwankung Bemessung, Auslegung, Ausführung und Einbau der Anlage Auslastung zum Gefahr Untersuchungszeitpunkt des Vergleichs von: Probenahme (Ort, Stich- oder Mischprobe, Konservierung) Betriebsregime und Wartungsumfang sowie Qualität der Anlage Herstellerbedingte Unterschiede bei gleichem Kleinkläranlagenverfahren Baujahr und Entwicklungsstand des Anlagentyps Besondere Modifikation (z.b. Vorklärung, Rückläufe, Schönungsstufen)

11 Vergleich von Messwerten aus Prüfanlagen CSB BSB 5 NH 4 -N [Nach Flasche (2002)] MITTELWERT MEDIAN 60%-PERZENTIL ANZAHL MITTELWERT MEDIAN 60%-PERZENTIL ANZAHL MITTELWERT MEDIAN 60%-PERZENTIL ANZAHL SBR 43, ,2 15 4,3 3,0 3,0 15 2,8 0,5 0,9 9 FB 69,8 71,5 81,0 10 8,6 6,0 6, ,5 9,8 11,5 5 SB 64,2 61,0 64,2 5 7,2 7,1 7,5 5 10,8 10,5 3 KA 93,2 83,0 93,8 5 7,4 7,0 8,1 5 2,4 2,3 3 MA 41,6 44,0 46,4 5 2,7 2,5 2,6 5 3,9 0,7 3 TK 69,6 64,0 71,2 5 6,7 5,0 5,8 5 9,1 10,0 3 FA 54,9 53,0 53,0 14 4,4 3,0 3,1 14 6,5 6,5 4 Anforderungen: CSB: 150 mg/l / 100 mg/l (24-h-MP) BSB 5 : 40 mg/l / 25 mg/l (24-h-MP)

12 Vergleich von mittleren Ablaufwerten verschiedener Ausbaugrößen In [mg/l] Anzahl BSB 5 CSB NH 4 -N GesN anorg. ges.p GK 5 > E ,7 11 0,6 GK 4> E ,0 12 1,0 GK 3> E ,2 9 3,3 GK 2> E ,7 15 3,5 Gk 1 < E ,8 31 6,4 Kleinkläranlagen 1) 7 bis a) 37 7 Kleinkläranlagen 2) n.b. n.b. n.b. Pflanzenkläranlage 3) a) Tropfkörper (Wohngebäude) 3) a) 1) aus der Prüfung von Kleinkläranlagen nach FLASCHE (2002); 1a) T> 12 C 2) aus der Prüfung von Kleinkläranlagen Bereich Mecklenburg-Vorpommern 3) Praxisdaten nach KOLLATSCH (1993) und LOHSE (1999); 3a) nur PO 4 -P

13 Demonstrationsfeld für Kleinkläranlagen Dorf Mecklenburg; Ziele&Einsatzzweck Praktische Demonstration von Kleinkläranlagen Beratung für den Bürger durch Fachpersonal Theoretische und praktische Ausbildung von: Wartungspersonal ggf. Wartungsbeauftragten Mitarbeiter von Überwachungsbehörden Studenten Wissenschaftliche Begleitung und Langzeituntersuchungen u.a. Vergleich von Kleinkläranlagentypen N,P-Elimination bzw. weitere Anforderungen (z.b. Hygiene) Entwicklung von Kleinkläranlagentypen in Kooperation Kein Testfeld nach DIBt

14 Versuchsfeld Dorf Mecklenburg

15 Versuchsfeld Dorf Mecklenburg Tauchkörper SBR Tropfkörper Rot.Tauchkörper Vertik. Pflanzenbeet Horiz. Pflanzenbeet KA Dorf Mecklenburg Container

16 Untersuchungsprogramm Nr. Phase Auslastung Dauer [Wochen] Hydraulisch 1) E-spez. Fracht 2) 1 Einfahrphase 100 % 130 % 15 2 Unterlast 40 % 50 % 2 3 Normalbetrieb(Sommer) 80 % 100 % 5 4 Überlast 140 % 190 % 2 5 Normalbetrieb (Sommer) 80 % 80 % 6 6 Stromausfall 80 % 110 % 24 h 7 Normalbetrieb (Winter) 80 % 110 % 10 8 Ferienbetrieb (Winter) 0 % 0 % 2 9 Normalbetrieb (Winter) 80 % 110 % Konstanter Betrieb (Überwachungsjahr) 80 % 110 % 1 Jahr 1) ausgehend von 150 l/(e d) 2) ausgehend von 60 g BSB 5 /(E d)

17 CSB-Messergebnisse im Vergleich Anlage [CSB in mg/l] Festbett SBR Tropfkörper Tauchkörper v. PKA h. PKA Phase Ausbaugroße 4 E 6E 5E 4E 6E 1E hydr. Auslastung 100% Normal 1 E-spez. Fracht: 130% hydr. Auslastung 40% Unterlast 2 E-spez. Fracht: 50% hydr. Auslastung 80% Normal 3 E-spez. Fracht: 100% hydr. Auslastung 140% Überlast 4 E-spez. Fracht: 190% hydr. Auslastung 80% Normal 5 E-spez. Fracht: 80% hydr. Auslastung 80% Stromausfall 6 E-spez. Fracht: 110% hydr. Auslastung 80% Normal 7 E-spez. Fracht: 110% hydr. Auslastung 0% Ferien 8 E-spez. Fracht: 0% hydr. Auslastung 80% Normal 9 E-spez. Fracht: 110% MW (1. Jahr) 1-9 Fracht: variabel MW (2. Jahr) 10 Fracht: 110% * Hydraulische Last von 100% entspricht einer Beschickungsmenge von 150 l/(e*d) ** 24h Stromausfall. Die Probennahme erfolgt nach der Einschalten am 2. Tag und am 5 Tag

18 CSB-Ablaufwerte im Vergleich 2 Jahre Betrieb (1. Jahr nach EN ; 2. Jahr konstant) CSB-Ablaufwerte [mg/l] Min. Wert Mittelwert 85% Fraktile Störungsfreier Betrieb und CSB < 150 mg/l 74% 86% 41% 76% 68 % 95 % Festbett SBR Tropfkörper Tauchkörper vertik. PKA horiz. PKA

19 Vergleich verschiedener Untersuchungen Anzahl der untersuchten Anlagen in den Literaturangaben Typ Englert Boller Straub Flasche Hoheisel 1 Eigene M-V W.A. 2 M-V W.B. 2 [2004] [2004] [2005] [2002] [2000] [2004/05] [2004] [2004] TK BB SBR FB RTK BSB 5 -Grenzwertüberschreitung 2 Anzahl der Analysen

20 Vergleich verschiedener Untersuchungen CSB-Grenzwertüberschreitung in [%] Typ Englert Boller Straub Flasche Hoheisel 1 Eigene M-V W.a M-V W.b [2004] [2004] [2005] [2002] [2000] [2004/05] [2004] [2004] TK 60 % 30 % 15 % 16 % 13 % 59% 24 % 36 % BB 50 % k.a. 69 % 8 % 6 % SBR 100 % 15 % 45 % 0 % - 14% 18 % 18 % FB 67 % 40 % 32 % 26 % 22 % 26% 21 % 50 % RTK 0 % % 8 % 24% - - 1) BSB 5 -Grenzwertüberschreitung 2) W.a.: Wartungsbetrieb A 3) W.b.: Wartungsbetrieb B

21 Nitrifikation P-Elimination ca. 30% über Einbau in die Biomasse 0 Nitrifikation in [%] Festbett SBR Tropfkörper rot. Tauckörper v. PKA h. PKA

22 Stickstoff-Betrachtungen und Nitrifikation Anlage Festbett SBR Tropfkörper Tauchkörper Vertik. PKA horiz. PKA Jahreszeit So Wi So Wi So Wi So Wi So Wi So Wi T C 18,6 9,8 18,6 9,6 19,5 10,5 19,4 10,5 19,1 10,0 18,3 11,2 NH 4 -N [mg/l] ,1 0, NO 3 -N [mg/l] N ges [mg/l] η-nitri [%] η-n ges. [%]

23 Phosphor Pges. Ablaufwert in mg /l Mittelwert Minimum Maximum Pges.Zu 13 mg/l 30% Elimination Ablaufwert der zentralen KA < 2 mg/l Festbett SBR Tropfkörper Tauchkörper vert. PKA hor. PKA

24 Hygienische Anforderungen Fäkalcoliforme 1,E+09 Sommer: n=3; T=13,7 C 5,E+07 2,E+07 1,E+07 4,E+06 1,E+04 1,E+05 5,E+05 1,E+05 5,E+02 2,E+03 1,E+03 1,0E+02 1,E+01 Winter: n=2; T=8,2 C 2,0E+02 Mittelwerte Fäkalcoliforme in MPN/100m gemeinsamer Zulauf Festbett SBR Tropfkörper rotierende Scheibentauchkörper vertikale Pflanzenkläranlage horizontale Pflanzenkläranlage Grenzwert (Badegewässer) Leitwert (Badegewässer) Nach DIN (Bewässerung)

25 Hygienische Anforderungen Fäkalcoliforme 1,E+08 1,E+07 7,E+07 2,E+07 Hygienische Belange - Bewässerungswasser nach DIN Badegewässerrichtlinie Grenzwert 1,E+07 Mittelwerte Fäkalcoliforme in MPN/100 ml 1,E+06 1,E+05 1,E+04 2,E+06 2,E+06 6,E+04 1,E+04 2,E+06 3,E+05 5,E+04 2,E+04 2,E+05 8,E+03 1,E+03 5,E+02 Beregnungswasser für Freilandkulturen in NRW ,E+02 Zulauf FB SBR Sommer (n=6) TK STK v. PKA Winter (n=8) h. PKA

26 Energieverbrauch Stromverbrauch Kläranlagen: 34 kwh/(e a) Grosse Kläranlagen: 25 kwh/(e a) Energiebedarf [kwh/e.a] optimierte Einstellung zweites Jahr Firmenangaben Festbett SBR Tropfk. Tauchk. v. PKA h. PKA

27 Verfahrensübergreifende Verteilung der häufigsten Betriebsprobleme nach Störungsgrund (n = 199) Eigenkontrolle 44% Aggregat 7% Stromstörung 6% Bau 4% Einstellung 15% Schlammabfuhr 16% Weitere 12% Verschleißteile 2% Abwasserinhaltsstoffe 6% fehlende Wartungsverträge [Al Jiroudi (2005]

28 Baukosten 2003 geförderter Kleinkläranlagen nach Verfahrenstechnik (Mecklenburg-Vorpommern) 4 E- Anlage 8 E- Anlage Verfahrenstechnik n (4 E) min max mittel n (8 E) min max mittel Aufstaubelebung (SBR) Belebungsanlage (konventionell) Festbettanlage Filtergraben Pflanzenkläranlage Scheibentauchkörperanlage Tropfkörperanlage Wirbelbettbelebungsanlage Anzahl mittlere Baukosten

29 Zusammenfassung und Ausblick Kleinkläranlagen sind unter bestimmten Voraussetzungen eine ökologisch + ökonomische Möglichkeit der dauerhaften Abwasserreinigung Nur durch fachgerechten Betrieb, Wartung und Überwachung lässt sich ein hoher Reinigungsstandard erreichen. Es gibt keinen günstigsten Kleinkläranlagentyp (Einsatzfall, Größe, Flächenbedarf, Gewässer etc.) sind zu beachten! Kleinkläranlagen weisen eine geringere Prozessstabilität auf als große Kläranlagen; Nährstoffelimination findet nur begrenzt statt. Weitere Untersuchungen zu: Bauzustand&Reparatur älterer Anlagen (Nutzungsdauer für Kostenvergleich) Erstellung eines Leitfadens zur Auswahl (Betroffene, Bürgermeister etc.)

30 Demonstrations- und Prüffeld für Kleinkläranlagen Altentreptow (Mecklenburg-Vorpommern) Zuleitung aus der Südstadt Feld 1 DRL zur Kläranlage SBR Tropfkörper Tauchkörper Festbett Feld 2 Feld 3

31 Hochhaus in Mega-City Basement Biogas Input - Heizen/Reaktor - Kochen Brauchwasser Output Fäkalien Bioabfall Urin Thermophile Faulung -Warmwasser ÜS Fest-Flüssigtrennung Membran/ SBR Feststoff Speicher Abfuhr Grauwasser - Landwirtschaft

32 Filtergraben Modifizierter Filtergraben Intervallbeschickung Zweischichtig Ventilation Dichtung Draufsicht Vorteile Sehr geringer Energiebedarf Gute Anpassung an variable Last Geringe Kosten einfache Wartung Nachteile Gefahr der Verschlammung

33 Pflanzenkläranlagen Empfohlener Bereich: 4-50 E [Otto 2000] Pflanzenkläranlage horizontal durchströmt Pumpenschacht Vorklärung Bodenfilter Ablauf Pflanzenkläranlage vertikal durchströmt Vorteile geringer Energiebedarf Gute Anpassung an variable Last Gute Gestaltung geringer Wartungsaufwand Nachteile Höherer Platzbedarf Kolmationsgefahr z.t. falsche Ausführung bei Eigenleistung Pumpenschacht Vorklärung Bodenfilter Ablauf

34 Natürlich belüfteter Abwasserteich Empfohlener Bereich: 4-50 E [Otto 2000] Vorteile Sehr geringer Energiebedarf Verstopfungsfrei geringer Wartungsaufwand Nachteile Großer Platzbedarf Reinigungsleistung ist witterungsabhängig Einzäunung erforderlich

35 Belebungsanlage Empfohlener Bereich: E [Otto 2000] 3-Kammer-Grube Belebungsbecken Vorteile Nachklärung Geringer Platzbedarf Verstopfungsfrei Langzeiterfahrungen Nachteile Nicht bei kleinen Anschlussgrößen saisonale Belastung Blähschlamm Höherer Energiebedarf Größerer Wartungsaufwand

36 Vorreinigung SBR-Belebung Empfohlener Bereich: 4-50 E Reaktor/Nachklärung Vorteile Gute Anpassung an wechselnde Q Verstopfungsfrei Nährstoffelimination realisierbar Einfache Umrüstung Geringer Platzbedarf Keine Schlammrückführung Nachteile Ausreichend Vorspeicher Blähschlamm Systemverständnis

37 Abwasser Membran-Technologie (High-Tech) Empfohlener Bereich: E Entlüftung Belüfter Vorteile Sehr geringer Platzbedarf Sehr hohe Reinigungsleistung Abwasserdesinfektion; Wiederverwendung des Ablaufes möglich Nachteile Hohe Kosten Hoher Energieverbrauch Hoher Wartungsaufwand (Membran) Keine Langzeiterfahrungen Pumpe; Mit Grobstoffabscheider Abwasser- u. Schlammspeicher Filtrat Belebungsbecken mit Membran

38 3-Kammer-Grube Tropfkörper Empfohlener Bereich: (4) 8-50 E [Otto 2000] Tropfkörper Vorteile Nachklärung Geringer Platzbedarf Relativ niedriger Energieverbrauch Geringer Wartungsaufwand Langzeiterfahrungen Nachteile Verstopfungsgefahr Belastungsspitzen Nicht bei Saisonbetrieb

39 Belüftetes Festbett z.b. Kompakt-Nachrüstsatz Empfohlener Bereich: (4) 8-50 E [Otto 2000] Festbett Nachklärung Vorreinigung Vorteile Nachrüstmöglichkeit Geringer Platzbedarf Keine Schlammrückführung Geringer Schlammanfall Nachteile Verstopfungsgefahr bei Überlast Belastungsspitzen

40 Reaktor Wirbel- oder Schwebebettverfahren Empfohlener Bereich: 4-50 E Nachklärung Vorreinigung Vorteile Geringer Platzbedarf Keine Schlammrückführung Nachrüstsatz Unempfindlich gegen Feststoffe Nachteile Höherer Energiebedarf Rückhaltevorrichtung für Träger Toträume vermeiden

41 Vorreinigung Rotationstauchkörper Empfohlener Bereich: 4-50 E [Otto 2000] Reaktor Vorteile Nachklärung Niedriger Energieverbrauch Geringere Platzbedarf Geringer Wartungsaufwand Langzeiterfahrungen Nachteile Verstopfungsanfällig Belastungsspitzen

42 Biofilter(schacht)

43 Konzentrationen im Rohabwasser Vergleich DWA-Standardwerte und diverse Erhebungen Parameter [mg/l] BSB 5 CSB AFS N P EN (2003) Zulauf Versuchsfeld (Mittelwert) ) 13 Schwankungsbereich ) 9-25 Erhebung DWA Nord-Ost (2002) n.b Bayern DWA (2004) n.b. 58 9,8 Rohabwasser nach DWA A 131 1) ) Konzentration berechnet mit 150 l/(e d); 2) nur NH 4 -N; n.b. nicht bestimmt Q BSB CSB N P AFS l/(e*d) g/(e*d) g/(e*d) g/(e*d) g/(e*d) g/(e*d) ,8 70 Konzentrationen in mg/l

44 Reinigungsleistung in Abhängigkeit von der Auslastung [Nach Flasche (2002)]

45 Zentrale Abwasserentsorgung Bsp. Kleines Dorf mit 120 E PK II Todenhäger Strasse Zentrale Abwasserentsorgung Jedes Haus hat einen Anschluss an eine Abwasserleitung Abwasserbehandlung erfolgt in einer zentralen Anlage Kläranlage Todenhäger Strasse

46 Dezentrale Abwasserentsorgung Bsp. kleines Dorf mit 120 E Todenhäger Strasse Todenhäger Strasse Dezentrale Abwasserentsorgung Jedes Haus hat seine eigene kleine Kläranlage Gruppenlösung möglich Einleitegewässer für jedes Grundstück erforderlich Dezentrale KA