Peter Krebs Jens Tränckner. 5 Abwasserreinigung. 1 < 1000 EW 60 kg BSB 5 / d 2 < 5000 EW 300 kg BSB 5 / d 3 < EW 600 kg BSB 5 / d 4 < EW

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1 Technische Universität Dresden Fachrichtung Wasserwesen, Institut für Siedlungs und Industriewasserwirtschaft Peter Krebs Jens Tränckner Siedlungswasserwirtschaft Geodäsie 5.1 Anforderungen 5.2 Aufbau einer Kläranlage 5.3 Mechanische Reinigung 5.4 Biologische Verfahren 5.5 Nachklärung 5.6 Schlammbehandlung 5.1 Anforderungen Siedlungswasserwirtschaft Geodäsie Kap. PK, 2006 Seite 1 Siedlungswasserwirtschaft Geodäsie Kap. PK, 2006 Seite 2 Abwasserreinigung in Deutschland Mindestanforderungen an Kläranlagenablauf Ende 2000 sind mehr als.000 kommunale Kläranlagen in Betrieb Größenklasse Anzahl Ausbaugröße in mio EW > , ,1 12,3 Größenklasse 1 < 00 EW 60 kg BSB 5 / d 2 < 5000 EW 300 kg BSB 5 / d 3 < 000 EW 600 kg BSB 5 / d 4 < 0000 EW 6000 kg BSB 5 / d CSB BSB NH 4 N N* 18 P ges ,2 5 > 0000 EW 6000 kg BSB 5 / d Siedlungswasserwirtschaft Geodäsie Kap. PK, 2006 Seite 3 * N Summe von NH 4 +, NO 3, und NO 2 Siedlungswasserwirtschaft Geodäsie Kap. PK, 2006 Seite 4 Aufbau einer Abwasserreinigungsanlage mechanische Stufe biologische Stufe Fällmittel Rechen Sandfang Fettfang Vorklärbecken Belebungsbecken Nachklärbecken 5.2 Aufbau einer Kläranlage Gewässer Filtration Rechengut Sand Eindicker Fett Primärschla mm Rücklaufschlamm Sekundärschlamm Überschussschlamm Kehricht, Verbrennung Frischschlamm Waschen, Deponie Faulbehälter Schlammstapel Biogas Nutzung, Entwässerung, Trocknung, Verbrennung, Deponie Siedlungswasserwirtschaft Geodäsie Kap. PK, 2006 Seite 5 Siedlungswasserwirtschaft Geodäsie Kap. PK, 2006 Seite 6 1

2 Bsp. KA Bottrop 5.3 Mechanische Reinigung Siedlungswasserwirtschaft Geodäsie Kap. PK, 2006 Seite 7 Siedlungswasserwirtschaft Geodäsie Kap. PK, 2006 Seite 8 Rechengutanfall in kommunalen Kläranlagen HarkenUmlaufrechen Rechenart Durchlassweite Spezifischer Anfall (m 3 /(E a)) (mm) ungepresst (8% ) gepresst (25% ) Grobrechen 50 0, ,0001 Feinrechen 15 0,012 0,004 Sieb 3 0,022 0,007 Schwankungsbereich: 50% bis +0% Siedlungswasserwirtschaft Geodäsie Kap. PK, 2006 Seite 9 Siedlungswasserwirtschaft Geodäsie Kap. PK, 2006 Seite Siebschnecke Sedimentation: Flächenbeschickung q A U L U Q V S H Grenzfall Absetzbedingung U L θ L U H V S V S H θ Hans Huber AG, Typ Ro9 (Hazen, 1904) U B H Q V S q L B A NB unabhängig von H! A V S q A Siedlungswasserwirtschaft Geodäsie Kap. PK, 2006 Seite 11 Siedlungswasserwirtschaft Geodäsie Kap. PK, 2006 Seite 12 2

3 Wirkungsgrad im Vorklärbecken Belüfteter Langsandfang Wirkung gsgrad (%) 0 90 absetzbare 80 Stoffe 70 S BSB Aufenthaltszeit Θ (h) Siedlungswasserwirtschaft Geodäsie Kap. PK, 2006 Seite 13 Siedlungswasserwirtschaft Geodäsie Kap. PK, 2006 Seite 14 Bsp. rechteckiges Absetzbecken 5.4 Biologische Verfahren Siedlungswasserwirtschaft Geodäsie Kap. PK, 2006 Seite 15 Siedlungswasserwirtschaft Geodäsie Kap. PK, 2006 Seite 16 Biologische Verfahren Wesentliche mikrobiologische Prozesse Suspendierte Biomasse Belebtschlammverfahren Durch Turbulenz in Schwebe gehalten Schlammflocken 0,1 1 mm Durchmesser Abbau spezifisch bezogen auf Biomasse suspendierte Biomasse aufkonzentrieren Sessile Biomasse Biofilmverfahren Als Biofilm auf einer Aufwuchsfläche Bakterien werden nur vereinzelt erodiert Abbau spezifisch bezogen auf Bewuchsfläche Spezifische Oberfläche erhöhen Wachstum Zerfall Hydrolyse Aerober Abbau Nitrifikation Denitrifikation Einbau von Biomasse wenn zu wenig externe Nährstoffe schwer leicht abbaubare Stoffe, durch Enzyme organischer Stoffe CH 2 O + O 2 CO 2 + H 2 O NH O 2 NO 3 + H 2 O + 2 H + 5 CH 2 O + 4 NO H + 2 N CO H 2 O Von C, N, P in die Biomasse Siedlungswasserwirtschaft Geodäsie Kap. PK, 2006 Seite 17 Siedlungswasserwirtschaft Geodäsie Kap. PK, 2006 Seite 18 3

4 Belebungsverfahren Schlammhaushalt im Belebungsverfahren Belebungsbecken Nachklärbecken Belebungsbecken Luft, O 2 Zulauf Nährstoffe Nachklärbecken Sedimentation Ablauf Q Q + Q R Q ( e ) Bakterien Q R R Q R (Q ÜS) ( ÜS ) Rücklaufschlamm Überschussschlamm Stoffflussbilanz im Gleichgewichtszustand R 1+ R R QR mit R Q Siedlungswasserwirtschaft Geodäsie Kap. PK, 2006 Seite 19 Siedlungswasserwirtschaft Geodäsie Kap. PK, 2006 Seite 20 Fließschema Belebungsverfahren Belüftung im Belebungsbecken Hydraulische Verdrängung des SchlammAbwasserGemisches in das Nachklärbecken der Schlamm muss ins Belebungsbecken zurückgeführt werden Der belebte Schlamm wird mal im Kreis geführt Biomassekonzentration im Belebungsbecken wird erhöht Der Überschussschlamm wird aus dem System abgezogen entspricht der Schlammproduktion Bei erhöhter hydraulischer Belastung (bei Regenwetter) wird Schlamm ins Nachklärbecken verlagert Siedlungswasserwirtschaft Geodäsie Kap. PK, 2006 Seite 21 Siedlungswasserwirtschaft Geodäsie Kap. PK, 2006 Seite 22 Dimensionierung mittels Schlammbelastung Dimensionierung mittels Schlammalter Schlammbelastung B Q BSB V 5, zu kg BSB5 in kg S d Schlammalter θ X V SP V ÜS Q BSB B 5, zu B 1 ÜS B die BSB 5 Zufuhr wird zur Schlammmasse im in Beziehung gesetzt die Schlammproduktion wird zur Schlammmasse im in Beziehung gesetzt B Schlammbelastung bezogen auf die Trockensubstanz θ X Schlammalter in (d), 3 15 d Q Zufluss zum Belebungsbecken (m 3 /d) BSB 5,zu Konzentration an BSB 5 im Zufluss (kg BSB 5 / m 3 ) V Volumen des Belebungsbeckens (m 3 ) Schlammkonzentration im Belebungsbecken, gemessen als S (kg S / m 3 ) ÜS B spezifische Schlammproduktion pro umgesetztem BSB 5 (kg / (kg BSB 5 d)) SP Schlammproduktion (kg / d) SP ÜSB Q BSB5, zu Siedlungswasserwirtschaft Geodäsie Kap. PK, 2006 Seite 23 Siedlungswasserwirtschaft Geodäsie Kap. PK, 2006 Seite 24 4

5 Nährstoffbedarf von Mikroorganismen Stickstoff i N (g N / g BSB 5 ) Phosphor i P (g P / g BSB 5 ) Elimination von Nährstoffen Abwasserzusammensetzung im Zulauf 300 (g BSB 5 /m 3 ) 60 (g TKN/m 3 ) 12 (g TP/m 3 ) Ablaufwerte bei 0%igem Abbau von BSB 5 TKN Ab TKN ZU i N BSB 5,Zu ,5 (g N / m 3 ) TP Ab TP ZU i P BSB 5,Zu ,5 (g P / m 3 ) Weitergehende Verfahren für Nährstoffelimination! Weitergehende Verfahren zur Nährstoffelimination Nitrifikation: NH O 2 NO 3 + H 2 O + 2 H + Chemolithoautotroph wachsende Bakterien Sehr langsames Wachstum hohes Schlammalter erforderlich ( > 5 Tage) Denitrifikation: 5CHO+4NO 4H N 2 +5CO 2 +7HO 2 Heterotrophe Bakterien Vorausetzung: org. CQuellen, kein gelöstes O 2 PFällung: PO Fe 3+ FePO 4 Dosierung von Eisen oder AluminiumSalzen Überstöchiometrisch: ca. 1,5 Mol Fe 3+/ Mol PO 3 4 Abzug des gefällten P mit Überschussschlamm Siedlungswasserwirtschaft Geodäsie Kap. PK, 2006 Seite 25 Siedlungswasserwirtschaft Geodäsie Kap. PK JT, 2011 Seite 26 Aufgaben des Nachklärbeckens 5.5 Nachklärung Trennen Klären Speichern Eindicken von Schlamm und gereinigtem Abwasser durch Sedimentation möglichst niedrige Ablaufkonzentration des aus dem Belebungsbecken verlagerten Schlamms, insbesondere bei Regenwetter möglichst hohe Rücklaufkonzentration Bauformen Rund, von innen nach außen durchströmt Rechteckig, längs durchströmt Rechteckig, quer durchströmt Vertikal, von unten nach oben durchströmt Siedlungswasserwirtschaft Geodäsie Kap. PK, 2006 Seite 27 Siedlungswasserwirtschaft Geodäsie Kap. PK, 2006 Seite 28 Schlammindex Nachklärbecken, idealisierte Funktionen Schlammindex ISV ist ein Maß für die Voluminosität und die Absetzeigenschaften Einlaufzone wirksamer Bereich X h Vergleichsschlammvolumen hs VSV V (ml/l) H Klarwasserzone Trennzone Speicherzone > 3 m V H VSV ISV X 0 (ml / g ) Eindickzone h S ATV A131 (2000) Siedlungswasserwirtschaft Geodäsie Kap. PK, 2006 Seite 29 Siedlungswasserwirtschaft Geodäsie Kap. PK, 2006 Seite 30 5

6 Dimensionierung der Oberfläche von NKB Dimensionierung der Wassertiefe von NKB Flächenbeschickung Schlammvolumenbeschickung Grenzwerte Horizontal durchströmte NKB Vertikal durchströmte NKB q q A SV qsv qsv VSV ISV q A ISV q A q SV (m/h) (l/(m 2 h) 1, ,0 650 ATV A131 (2000) Klarwasserzone Trennzone Speicherzone Eindickzone h 0 5 m h 1, qa ( 1+ RV ), 1 VSV 00 15, 0, 3 qsv ( 1+ RV ) h3 500 h 4 qa ( 1+ RV ) t BS E 00 ISV 1 3 BS t E BS Konzentration im Bodenschlamm t E Eindickzeit 1,5 2,0 ohne Nitrifikation 1,0 1,5 mit Nitrifikation 2,0 (2,5) mit Denitrifikation ATV A131 (2000) Siedlungswasserwirtschaft Geodäsie Kap. PK, 2006 Seite 31 Siedlungswasserwirtschaft Geodäsie Kap. PK, 2006 Seite 32 Rundbecken Längs durchströmtes Rechteckbecken mit Kettenräumer mit Schild oder Saugräumer Siedlungswasserwirtschaft Geodäsie Kap. PK, 2006 Seite 33 Siedlungswasserwirtschaft Geodäsie Kap. PK, 2006 Seite 34 Quer durchströmtes Rechteckbecken mit Saugräumer 5.6 Schlammbehandlung Siedlungswasserwirtschaft Geodäsie Kap. PK, 2006 Seite 35 Siedlungswasserwirtschaft Geodäsie Kap. PK, 2006 Seite 36 6

7 Zusammensetzung des Klärschlamms Ziele der Schlammbehandlung Die aus dem Abwasser entnommenen Stoffe, die nicht abgebaut werden, finden sich im Klärschlamm wieder Vorwiegend Wasser Mikroorganismen Viren, Krankheitserreger, allg. Keime Organische Feststoffe, die sich biologisch verändern lassen Organische Verbindungen, die sich im Schlamm einlagern Volumenreduktion Abtöten pathogener Keime Stabilisierung organischer Substanzen Eindickung Entwässerung Bei Verwendung in der Landwirtschaft oder als Kompost Gasproduktion Verringerung der Trockensubstanz Verbesserung der Entwässerung Reduktion der Geruchsentwicklung Schwermetalle Mikroverunreinigungen, Arzneimittelrückstände, endokrin wirksame Substanzen Siedlungswasserwirtschaft Geodäsie Kap. PK, 2006 Seite 37 Rückgewinnung von Wertstoffen Nährstoffe, Dünger Humus Biogas Siedlungswasserwirtschaft Geodäsie Kap. PK, 2006 Seite 38 Übersicht aus Gujer (1999) Abwasserreinigung Primär, Sekundär, Tertiärschlamm Rüc kbelastung Eindickung Energie Hygienisierung Stabilisierung Biogas Eindickung, Stapelung Landwirtschaft Entwässerung Deponie Trocknung Bauindustrie Verbrennung Atmosphäre Siedlungswasserwirtschaft Geodäsie Kap. PK, 2006 Seite 39 Anaerobe mesophile Schlammstabilisierung Faulreaktor Erwärmung auf C Prozesse laufen schneller ab Inhalt des Faulreaktors wird umgewälzt Schlamm und Wasser haben eine ähnliche Aufenthaltszeit Stapelbehälter nicht geheizt wenig biologische Prozesse nicht umgewälzt Trennung von Schlamm und Faulwasser, das in die Abwasserreinigung geleitet wird aufgepasst mit Steuerung der Rückbelastung, Größenordnung % der NBelastung Eindickung Siedlungswasserwirtschaft Geodäsie Kap. PK, 2006 Seite 40 Prozesse im Faulbehälter Schema eines Faulturms (EiForm) Anaerober Abbauprozess 2 C + 5H7NO2 + 8 H2O 5 CH4 + 3 CO2 + 2 NH4 + 2 HCO3 Abbau organischer Substanz um ca. 50% Biogasproduktion: 63% CH 4 (Methan) 35% CO 2 2% andere Gase (N 2, H 2, H 2 S) Verstromung für Prozesswärme Organisch gebundener Stickstoff wird in NH 4 + umgewandelt NRückbelastung der Abwassereinigungsanlage Siedlungswasserwirtschaft Geodäsie Kap. PK, 2006 Seite 41 Siedlungswasserwirtschaft Geodäsie Kap. PK, 2006 Seite 42 7

8 stafaulturm Bauausführung Kennwerte des Faulbehälters Mittlere Verweilzeit des Schlammes Kleine Anlagen, schlecht durchmischt < 30 d Mittlere Anlagen mit Umwälzung 20 d Große Anlagen mit Umwälzung d Biogasprod. bez. Abbau org. Substanz 0,9 m 3 / kg GV abgeb Abbau org. Substanz 40 55% Siedlungswasserwirtschaft Geodäsie Kap. PK, 2006 Seite 43 Siedlungswasserwirtschaft Geodäsie Kap. PK, 2006 Seite 44 Volumenreduzierung mass [t] (volume [m m³]) Thickening Dewatering Drying mvs TV konntsiedlungswasserwirtschaft Geodäsie Kap. PK, 2006 Seite 45 Water Dry matter dry matter [%] Maschinelle Schlammeindickung Drainbelt Fa. Huber Twinbelt Fa. Huber erreichbarer TR: 68% erreichbarer TR: 68% Siedlungswasserwirtschaft Geodäsie Kap. PK, 2006 Seite 46 Maschinelle Schlammentwässerung Dekanterzentrifuge Erreichbarer TR: % kontininuierliche Beschickung möglich Verwertung in der Landwirtschaft Recycling der Nährstoffe, aus ausgefaultem Schlamm Schlammbehandlung Düngerart * Flüssiger Klärschlamm Entwässerter Klärschlamm Getrockneter Klärschlamm P und NDünger PDünger, N als Depot PDünger * Beschränkung der Überdüngung durch Vorgabe 5 (t mt /3a) Probleme Generelle Akzeptanz Schwermetalle, organische Spurenstoffe Rechtlicher Regelungsrahmen: AbfKlärV, DüMV, freiwillige weitergehende Anforderungen Siedlungswasserwirtschaft Geodäsie Kap. PK, 2006 Seite 47 Siedlungswasserwirtschaft Geodäsie Kap. PK, 2006 Seite 48 8

9 Kompostierung Aerober biologischer Abbau organischer Inhaltsstoffe Voraussetzungen Stabilisierung Entwässerung Hygienisierung Verfahren Strukturmittel: gehäckselter(s) Strauchschnitt, Stroh, Holz Sägemehl, späne Mischung ca. 1:1 Wassergehalt des Rottegemisches ca. 0,65 Verbrennung Nutzung des Energieinhalts, aber nicht der Nährstoffe Monoverbrennungsanlagen (d.h. ohne Zuschlagsstoffe) bei ausreichend hohem Heizwert des Schlamms höherer Heizwert, wenn dem Schlamm kein Biogas entzogen wurde bei ausreichendem Wassergehalt (keine Volltrocknung) Wirbelschichtofen Verbrennung bei C im in Schwebe gehaltenen Sandbett Teuer! Mitverbrennung in Kohlekraftwerken in Müllverbrennungsanlagen in Zementwerken, Asche wird in den Werkstoff eingebunden Siedlungswasserwirtschaft Geodäsie Kap. PK, 2006 Seite 49 Siedlungswasserwirtschaft Geodäsie Kap. PK, 2006 Seite 50 9