Studie zur Energieeffizienz der Kläranlagen der Gemeinde Lautertal (Vogelsberg)

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1 GKU Gesellschaft für kommunale Umwelttechnik mbh, Fulda Ein Unternehmen der RhönEnergie Fulda Studie zur Energieeffizienz der Kläranlagen der Gemeinde Lautertal (Vogelsberg) Auftraggeber: Gemeinde Lautertal Rathausstraße Lautertal (Vogelsberg) Sachbearbeiter: Dipl.-Ing. (FH) Anne Jurenz Dr.-Ing. Jürgen Wiese Dezember 2013

2 GKU mbh Zusammenfassung i Allgemeine Angaben Berichtverfasser: Anne Jurenz Betreiber: Gemeindevorstand der Gemeinde Lautertal (Vogelsberg) Rathausstraße Lautertal Kläranlagennachbarschaft: Nr. 205 Vogelsberg Planer: Betriebspersonal: Ingenieurbüro Müller GmbH & Co. KG, Grünberg Herr Wolf Tel.:

3 GKU mbh Zusammenfassung i Kläranlage Eichenrod Engelrod Meiches Dirlammen Hopfmannsfeld Eichelhain Grundstücke Mühlstraße 11Z Lautertal Eichenrod Außerhalb Lautertal - Engelrod Schwalmallee 23Z Lautertal - Meiches Außerhalb Lautertal - Dirlammen Außerhalb Lautertal - Hopfmannsfeld Außerhalb Lautertal - Eichelhain Baujahr Ausbaugröße 850 EW 750 EW 550 EW 500 EW 400 EW 300 EW Größenklasse Überwachungsparameter Bemessungszufluss (max.) Jahresschmutzwassermenge CSB BSB 5 N ges P ges NH 4 40 mg/l 20 mg/l 15 mg/l 5 mg/l 10 mg/l CSB BSB 5 N ges P ges 75 mg/l 25 mg/l 19 mg/l 3 mg/l CSB BSB 5 N ges P ges NH 4 70 mg/l 15 mg/l 18 mg/l 4 mg/l 5 mg/l CSB BSB 5 N ges P ges 100 mg/l 20 mg/l 26 mg/l 7 mg/l CSB BSB 5 N ges P ges NH 4 80 mg/l 20 mg/l 20 mg/l 5 mg/l 10 mg/l 10 l/s 30 l/s 10 l/s 30l/s 8 l/s 10l/s m³/a m³/a m³/a m³/a m³/a m³/a CSB BSB 5 N ges P ges 60 mg/l 25 mg/l 17 mg/l 3 mg/l Einleitgewässer Eisenbach Lauter Lachegraben Brenderwasser Lauter Eisenbach Erlaubnisbescheid Kanalisation Mischwasser Mischwasser Mischwasser Mischwasser Mischwasser Mischwasser Verfahrensprinzip Belebung Abwasserteich belüftet Teich mit Rotationstauchkörper Abwasserteich belüftet Teich mit Rotationstauchkörper Abwasserteich belüftet

4 GKU mbh Zusammenfassung i Inhaltsverzeichnis 1 Zusammenfassung 4 2 Einleitung Energieeffizienz und -management Energie auf Kläranlagen und mögliche Einsparpotenziale Durchführung von Energieanalysen Aufgabenstellung 10 3 Beurteilung der Kläranlagen der Gemeinde Lautertal (Vogelsberg) Einführung Kläranlage Eichenrod Beschreibung der Kläranlage Temperaturverteilung Hydraulische Auswertung Frachtberechnung Ablaufqualität Betriebsparameter Einfluss des Fremdwassers auf die Ablaufqualität Überrechnung der Kläranlage Kläranlage Engelrod Beschreibung der Kläranlage Temperaturverteilung Hydraulische Auswertung Frachtberechnung Ablaufqualität Einfluss des Fremdwassers auf die Ablaufqualität Kläranlage Meiches Beschreibung der Kläranlage Temperaturverteilung Hydraulische Auswertung Frachtberechnung Ablaufqualität Einfluss des Fremdwassers auf die Ablaufqualität 54

5 GKU mbh Zusammenfassung ii 3.5 Kläranlage Dirlammen Beschreibung der Kläranlage Temperaturverteilung Hydraulische Auswertung Frachtberechnung Ablaufqualität Einfluss des Fremdwassers auf die Ablaufqualität Kläranlage Hopfmannsfeld Beschreibung der Kläranlage Temperaturverteilung Hydraulische Auswertung Frachtberechnung Ablaufqualität Kläranlage Eichelhain Beschreibung der Kläranlage Temperaturverteilung Hydraulische Auswertung Frachtberechnung Ablaufqualität Einfluss des Fremdwassers auf die Ablaufqualität 87 4 Beurteilung der energetischen IST-Situation Potenzialanalyse Energieanalyse 89 5 Maßnahmenkatalog und Wirtschaftlichkeitsbetrachtung Einführung Kläranlage Eichenrod Kläranlage Engelrod Kläranlage Meiches Kläranlage Dirlammen Kläranlage Hopfmannsfeld Kläranlage Eichelhain Zukunftskonzept: Stilllegung der Kläranlagen Engelrod und Eichelhain und Weiterleitung des Abwassers 110

6 GKU mbh Zusammenfassung iii Kläranlage Engelrod Kläranlage Eichelhain Zusammenfassung der Wirtschaftlichkeitsbetrachtung Literaturverzeichnis Anhang Angebot Harken-Umlaufrechen der Fa. HUBER für KA Dirlammen Angebot Rotamat-Siebanlage der Fa. HUBER für KA Eichelhain 123

7 GKU mbh Zusammenfassung 4 1 Zusammenfassung Die Gemeinde Lautertal (Vogelsberg) beauftragte die GKU Gesellschaft für kommunale Umwelttechnik mbh am 23. Mai 2013 eine durch das Hessische Ministerium für Umwelt, Energie, Landwirtschaft und Verbraucherschutz geförderte Energieeffizienzanalyse für die Kläranlagen Eichenrod, Engelrod, Meiches, Dirlammen, Hopfmannsfeld und Eichelhain durchzuführen. Die mehrfache Begehung der Kläranlagen sowie die Auswertung der Betriebstagebücher und Leistungsaufnahme der Kläranlagen zeigten unterschiedliche energetische und verfahrenstechnische Anlagen auf. Die Überwachungswerte wurden von einigen Kläranlagen vereinzelt überschritten, während andere sehr gut funktionieren. Durch die Umsetzung entsprechender Maßnahmen wäre eine erhöhte Reinigungsleistung möglich, was zu einer Reduzierung der zu entrichtenden Abwasserabgabe führen könnte. Weiterhin konnte durch die Auswertung der Betriebsdaten ein umfassendes Bild über die stoffliche und energetische Situation vermittelt werden. Neben der mittelmäßigen Energiebedarfssituation wurden bei der Auswertung dem Alter entsprechende Kläranlagen vorgefunden. In Zeiten steigender Energiepreise, der Energiewende und des Klimawandels ist es jedoch erforderlich, dass die wesentlichen Energieverbraucher der Kläranlagen der Gemeinde Lautertal nicht nur verfahrenstechnisch, sondern auch energetisch optimiert betrieben werden. Mit einem bilanzierten jährlichen el. Energiebedarf von etwa kwh/a wurde es zu Beginn der Studie als durchaus möglich angesehen, ein Einsparpotenzial zu ermitteln. Durch die im Rahmen der Studie durchgeführten umfangreichen Untersuchungen konnte allerdings nur ein geringes Einsparpotenzial ermittelt werden. Würden die Sofort- und kurzfristigen Maßnahmen umgesetzt werden, könnte man den el. Energieverbrauch um kwh/a vermindern. Die Umsetzung der Maßnahmen zu einer erhöhten Energieeffizienz führt vor allem auf der Kläranlage Eichenrod zu einer Energie- und Kosteneinsparung. Neben den geschätzten elektrischen Energieeinsparungen sind durch einige Maßnahmen ebenfalls deutliche Betriebskosteneinsparungen auf den Kläranlagen zu erwarten. Durch einen optimierten Prozess ist es möglich die Überwachungswerte sicher einzuhalten, was in der Herabsetzung der Überwachungswerte resultieren könnte und damit die jährliche Abwasserabgabe vermindert werden kann. Eine weitere Einsparung von Betriebskosten kann ebenfalls durch die Erneuerung von Aggregaten erzielt werden. Beim Einsatz von neuen Motoren oder kompletten Aggregaten vermindern sich Reparaturkosten und Ausfallwahrscheinlichkeiten deutlich. Die durchgeführte Studie zeigt, dass mit ca Investitionskosten etwa /a eingespart werden können. Die Maßnahmen haben sich somit nach von 4 Jahren amortisiert. Die Umsetzung der Maßnahmen muss dabei jedoch unter Einhaltung der Randbedingungen des Betriebes der Kläranlagen erfolgen, um die Reinigungsleistung zu keiner Zeit zu beeinträchtigen. Weiterhin wird dringend angeraten, Einzelmaßnahmen in einem zeitlich ausreichend hohen Abstand umzusetzen, um im Zweifelsfall Verschlechterungen im Betrieb der Kläranlagen auf die jeweilige Einzelmaßnahme zurückführen zu können. Würden verschiedene Maßnahmen gleichzeitig umgesetzt

8 GKU mbh Zusammenfassung 5 werden, die dann gegebenenfalls gemeinsam zu Betriebsproblemen führen, ist keine Identifizierung der ursächlichen Maßnahme möglich. Ferner sei an dieser Stelle erwähnt, dass die verfahrenstechnische und energetische Optimierung einer Kläranlage kein Einzelprojekt ist und nur durch eine kontinuierliche und fortwährende Optimierung des Betriebes der Kläranlage erzielt werden kann. Die GKU Gesellschaft für kommunale Umwelttechnik mbh bedankt sich für den Auftrag. An dieser Stelle sei zudem die hervorragende Zusammenarbeit mit dem Betriebspersonal der Kläranlagen erwähnt. Die schnelle und unkomplizierte Datenübermittlung hat in einem erheblichen Maße zu einem guten Gelingen der Studie beigetragen. Datum: Datum:..... Dr.-Ing. Jürgen Wiese Dipl.-Ing. (FH) Anne Jurenz

9 GKU mbh Einleitung 6 2 Einleitung 2.1 Energieeffizienz und -management Wasser und Energie gehören zu den Grundpfeilern des heutigen Daseins. Zum Bestehen der modernen Gesellschaften ist eine funktionierende Wasser- und Energieversorgung unabdingbar, wobei beide Themenfelder sehr eng miteinander verknüpft sind. Wasser ist eine wichtige Voraussetzung für die Produktion von Energie (Wasserkraftanlagen, Prozess- und Kühlwasser im Kraftwerksbetrieb, Produktion von Biokraftstoffen in der Landwirtschaft). Andererseits wird durch die Gewinnung und Verteilung des Frischwassers sowie durch die Abwasserableitung und -behandlung eine erhebliche Menge an Energie benötigt. Allein für den Betrieb von Kläranlagen wird in Deutschland etwa 1 % der gesamten produzierten Energiemenge benötigt. Die Energiebereitstellung findet vornehmlich durch die Verbrennung fossiler Brennstoffe statt. Im Zuge der Verknappung dieser fossilen Brennstoffe und des fortwährend steigenden Verbrauchs, ist auch in Zukunft von steigenden Bezugskosten und einer damit einhergehenden Energiekostenerhöhung auszugehen. Ferner sind die Auswirkungen des Reaktorunfalls von Fukushima und der daraufhin beschlossenen Energiewende auf die weitere Energiekostenentwicklung im Moment noch nicht abzusehen. Durch den Wegfall der atomaren Energiegrundlastsicherung müssen mittelfristig erhebliche Investitionssummen getätigt werden, um die Energielücke durch den Bau von regenerativen Energien voranzutreiben. Die vorstehend genannten Ursachen werden den Energiebezug in den kommenden Jahren weiter verteuern. Eine Möglichkeit auf die sich ändernden Rahmenbedingungen in der Energieversorgung und den Kostendruck zu reagieren, ist die Einführung von Energiemanagementsystemen zur Steigerung der Energieeffizienz. Im Wesentlichen kann die Energieeffizienz in der Energieerzeugung und auf der Energienachfrageseite verbessert werden. In der Energieerzeugung kann dabei das Verhältnis von erzeugter Nutzenergie zu den eingesetzten Energierohstoffen verbessert werden. Dabei werden die Wirkungsgrade der Kraftwerke oder eines Heizungssystems verbessert. Die Verbesserung der Endenergienachfrageseite kann erreicht werden, indem für ein bestimmtes Maß an Energie eine erhöhte Befriedigung energierelevanter Bedürfnisse erfolgt oder für die Befriedigung der Bedürfnisse weniger Energie benötigt wird (Pehnt, 2010). Am Beispiel einer Kläranlage wäre bei gleichbleibendem Energieeinsatz eine höhere Reinigungsleistung zu erzielen oder umgekehrt, bei gleichbleibender Reinigungsleistung ein geringerer Energieeinsatz von Nöten, um die Energieeffizienz einer Kläranlage zu steigern. Die Steigerung der Energieeffizienz besitzt nach Pehnt (2010) eine gesellschaftliche Notwendigkeit. Deutschland und auch die europäische Union unterliegen bei allen fossilen Energieträgern einer hohen Importabhängigkeit. Uranerze werden zu 100 %, Naturgase zu über 80 %, Mineralöl zu 96 % und Steinkohle zu über 60 % aus dem Ausland importiert. Weiterhin wird die Importabhängigkeit durch die knapper werdenden innerdeutschen Ressourcen steigen. Eine Steigerung der Energieeffizienz kann diese

10 GKU mbh Einleitung 7 Importabhängigkeit verringern. In Unternehmen kann durch die Energieeffizienzsteigerung die Wettbewerbsfähigkeit in zweifacher Hinsicht steigen. Zum einen können die Kosten für den Bezug von Energie sinken, was in einer unmittelbaren Wettbewerbsfähigkeit resultiert. Zum anderem stellt sich das Anpreisen von energieeffizienten Produkten als bedeutendes Absatzsegment heraus. Die Förderung der heimischen Wirtschaft bei Erhöhung der Energieeffizienz kann durch den Einsatz von neuen Technologien, z.b. innovativer Mess- und Regeltechnik erfolgen. Die Wertschöpfung verbleibt dabei im Land. Die Steigerung der Energieeffizienz wurde politisch durch die Einführung von Managementsystemen vorangetrieben. Die Ausarbeitung und Veröffentlichung der DIN EN ISO (2011) hat den Zweck, Systeme und Prozesse aufzubauen, welche zur Verbesserung der energiebezogenen Leistung, einschließlich Energieeffizienz, Energieeinsatz und Energieverbauch erforderlich sind. Ausgehend von DIN EN ISO (2011) sind für eine energetische Planung einer Organisation drei wesentliche Schritte notwendig: 1. Analyse des Energieeinsatzes und Energieverbrauchs 2. Ermittlung der wesentlichen Bereiche mit wesentlichem Energieeinsatz und wesentlichem Energieverbrauch 3. Ermittlung von Möglichkeiten für die Verbesserung der energiebezogenen Leistung Dabei soll die energetische Planung wiederholt durchgeführt und hinsichtlich des Erfolgs stetig überprüft werden. Die Internationale Norm ist auf alle Größen und Arten von Organisationen anwendbar. 2.2 Energie auf Kläranlagen und mögliche Einsparpotenziale Kläranlagenbetreiber müssen sich zukünftig dauerhaft mit dem Thema Energie auseinandersetzen, um in Zeiten steigender Energiekosten die Abwasserbehandlung weiterhin wirtschaftlich zu gestalten und einen Beitrag zum Klimaschutz sowie zur Ressourcenschonung zu leisten, ohne dabei den Hauptfokus einer Kläranlage, die Abwasserreinigung und den Gewässerschutz, zu beeinträchtigen. Im Rahmen dessen muss eine Gesamtbilanzierung der eingesetzten Energie in Form von Elektrizität und Wärme aber auch Kraftstoffbedarf erfolgen. Im Gegensatz dazu kann das im Abwasser zur Verfügung stehende Energiepotenzial von 146 (Kroiss, 2006) bis 175 kwh/(ew*a) (Pinnekamp, 2007) auf der Habenseite der Energiebilanz verzeichnet werden. Dieses Potenzial gilt es durch eine geeignete und effiziente Verfahrenstechnik so weit wie möglich auszuschöpfen und damit dem Ziel einer energieautarken Kläranlage einen Schritt näher zu kommen. Ein Schwerpunkt für Kläranlagenbetreiber muss die Energieeigenversorgung mittels einer Nassvergärungsanlage für Faulschlamm sein (anaerobe Schlammstabilisierung), die auf Kläranlagen ab einem angeschlossenen Einwohnerwert von EW unter Umständen wirtschaftlich sein kann. Wird die anaerobe Schlammstabilisierung zudem optimiert, kann ein erheblicher Anteil des Strombedarfs selbst erzeugt werden. Mögliche

11 GKU mbh Einleitung 8 Optimierungsmöglichkeiten an der Nassvergärungsanlage und den angeschlossenen Komponenten könnten sein: - Aufnahme von biogenen Abfällen zur Co-Vergärung steigert die Effizienz von Faulbehältern - Modernisierung alter BHKW gegen stromeffizientere Aggregate - Erhöhung der Schlammbelastung erhöht die Überschussschlammproduktion - Ersatz der Umwälzaggregate und Wärmetauscher - Schaffung eines Erdgasanschlusses zur Bereitstellung von Ersatzbrennstoff. Auf den Einsatz von Heizöl oder Diesel kann dann vollständig verzichtet werden - Sanierung des Gasspeichers und Anpassung der Mess-, Steuerung- und Regelungstechnik an schnelle Wechsel des Füllstands. Damit ist die Stromerzeugung in Hochtarifzeiten möglich. - Sanierung der Faulbehälter mit einer verbesserten Isolation und Optimierung der Anlagen zur Durchmischung und Umwälzung - Zugabe von Eisen in den Reaktor zur Vermeidung der Schwefelwasserstoffbildung - Verkleinerung der Vorklärung erzielt eine höhere Primärschlammmenge und führt zu einer höheren Gasausbeute - Prüfung des Einsatzes von Desintegratoren Eine weitere Möglichkeit der Energiegewinnung in Abwasseranlagen ist die Nutzung des Wärmepotenzials verschiedener Quellen. Die Abwärme im Gebläseraum einer Kläranlage hat nach Mitsdörffer und Christ (2011) ein Potenzial zwischen 10 und 20 Wh/(EW*d). Die BHKW-Abwärme hat mit 50 bis 100 Wh/(EW*d) auch relativ günstige Bedingungen. Darüber hinaus besitzt das gereinigte Abwasser ein vergleichsweise hohes Potenzial von etwa 150 bis 300 Wh/(EW*d). Wird die gesamte Energiebilanz einer Kläranlage betrachtet, so ist die vorstehend genannte Energiebilanz zwar untergeordnet, jedoch sollte nach Aussage von Mitsdörffer und Christ (2011) im Fall des Wärmebezugs durch Heizöl oder Erdgas über die Nutzung der Wärme nachgedacht werden. Ein weiterer wichtiger Schritt zur Verbesserung der Energiebilanz ist die Verminderung des notwendigen Strombedarfs. Nach Thöle et al. (2011) bestehen große Einsparpotenziale im Bereich der Verfahrenstechnik Belebungsanlage. Die Anpassung von Fördermengen, wie z.b. Rücklaufschlammförderung, interne Rezirkulation bzw. das Abschalten von Rührwerken können problemlos im Betrieb vorgenommen werden und zeigen hinsichtlich der Energieeinsparung kleine Verbesserungen. Direkt spürbare Verminderungen des Energieeinsatzes sind nach Thöle et al. (2011) im Regelfall mit größeren Investitionen, wie z.b. die Erneuerung der Belüftung, verbunden. Eine dauerhafte und sukzessive Energieeinsparung ist jedoch nur durch die ständige Optimierung des Kläranlagenbetriebes und durch eine permanente Reinvestition

12 GKU mbh Einleitung 9 stromintensiver Verbraucher zu erreichen. Im Folgenden sind Ansatzpunkte, die zu einer Energieeinsparung auf Kläranlagen führen können, exemplarisch dargestellt: - Gezielte Prozesswasserbehandlung, vorzugsweise durch Deammonifikation - Ersatz der alten Umwälzaggregate und Pumpen durch Einbau von neuen stromeffizienten Aggregaten - Überprüfung der Außenbeleuchtung des Kläranlagengeländes - Nutzung der potenziellen Lageenergie des Abwasser vor Abgabe in den Vorfluter durch die Installation eines Generators - Austausch der Belüftungsaggregate und Belüftersysteme - Variables Schlammalter zu unterschiedlichen Jahreszeiten - Einsatz von Frequenzumformern zum belastungsabhängigen Betrieb von Aggregaten - Entwicklung eines Lastabwurfsystems zur Reduzierung der Lastspitzen - Überprüfung der Steuer- und Regelungsstrategien der Wasserströme - Beurteilung der sonstigen Verbraucher (Elektroheizungen, Analysegeräte, etc ) hinsichtlich des Energiebedarfs und eventueller Austausch durch neue effiziente Geräte Die vorstehend genannten Energieeinsparmöglichkeiten stellen nur eine Auswahl an Möglichkeiten dar. Tatsächlich muss die energetische Situation jeder Kläranlage spezifisch betrachtet und bewertet werden. Im Anschluss an eine Energieanalyse kann eine Zusammenstellung der möglichen Maßnahmen zur Energieeinsparung erfolgen. 2.3 Durchführung von Energieanalysen Grundsätzlich kann eine Energieanalyse nach DIN EN ISO (2011) in die 3 Schritte Analyse des Energieeinsatzes und Energieverbrauchs, Ermittlung der wesentlichen Bereiche mit wesentlichem Energieeinsatz und wesentlichem Energieverbrauch und Ermittlung von Möglichkeiten für die Verbesserung der energiebezogenen Leistung unterteilt werden. Eine detailliertere Beschreibung über die Durchführung einer Energieanalyse gibt die Arbeitshilfe zur Verbesserung der Energieeffizienz von Abwasserbehandlungsanlagen (2011). Demnach wird die Durchführung einer Energieanalyse in die folgenden Arbeitsbereiche unterteilt: 1. Plausibilitätsprüfung der Daten: Betriebsdaten und Unterlagen der zu untersuchenden Kläranlage werden auf Vollständigkeit und Plausibilität geprüft. In diesem Schritt sollen bereits verschiedene Unstimmigkeiten wie z.b. verschiedene Zulauffrachten im Vergleich zu den angeschlossenen Einwohnerwerten identifiziert und erläutert werden.

13 GKU mbh Einleitung Anlagenbegehung: Während der Anlagenbegehung soll bereits auf allgemeine Mängel hingewiesen werden sowie zusätzlich zu installierende Messtechnik erörtert werden. 3. Aufnahme des Ist-Zustandes: Es findet eine Nachrechnung bezüglich der Schmutzfrachten und hydraulischen Bedingungen statt, die dann mit der aktuellen Anlage verglichen wird. 4. Bilanzierung des Energieverbrauchs: Durch die Identifizierung eventueller versteckter Verbraucher sowie der Hauptverbraucher ist es möglich, das Energieeinsparpotenzial aufzudecken. Dabei sollen etwa 90 % des Energieverbrauchs einzelnen Aggregaten zugeordnet werden, ggf. sind Strommessungen durchzuführen. 5. Bewertung des Ist-Zustandes: Der Vergleich des zuvor aufgenommenen Ist- Zustandes mit den Ziel- und Toleranzwerten zeigt das Energieeinsparpotenzial der untersuchten Kläranlage auf. 6. Vorschläge für einen ersten Maßnahmenkatalog: Der Vergleich zwischen dem Ist- Zustand der Kläranlage und dem theoretisch erzielbaren Zielwert zeigt direkt Möglichkeiten auf, die in einem ersten Maßnahmenkatalog vorgeschlagen werden sollen. Eine Wirtschaftlichkeitsbetrachtung erfolgt in dieser Phase über eine Kosten/Nutzen-Analyse, bei der mögliche Einsparungen durch die Realisierung der Einzelmaßnahmen aufgezeigt werden. 7. Bewertung der Zwischenergebnisse: Die bisher erarbeiteten Ergebnisse werden in einer Besprechung mit dem Auftraggeber beschrieben. Es werden Maßnahmenpakete vorgestellt die zu einer Energieeinsparung auf der Kläranlage führen, sofern diese identifiziert wurden. Ferner werden die Maßnahmenpakete in Sofortmaßnahmen, Kurzfristige Maßnahmen und Abhängige Maßnahmen unterteilt. 8. Endbericht und Präsentation: Die Energieanalyse schließt mit einer schriftlichen Ausarbeitung und einer Sitzung zusammen mit dem Auftraggeber. 2.4 Aufgabenstellung Die Abwässer der Ortsteile der Gemeinde Lautertal (Vogelsberg) werden den sechs Kläranlagen Engelrod, Dirlammen, Eichelhain, Meiches, Hopfmannsfeld und Eichenrod zugeführt, die im Zeitraum von 1986 bis 1996 erbaut wurden. Im Interesse des Kunden und der Ressourcenschonung ist eine stetige Verbesserung der Reinigungsleistung bei möglichst geringem Energieaufwand erstrebenswert. Durch die Effizienzsteigerung wird die ökonomische Situation der Abwasserreinigungsanlage verbessert. Es muss jedoch in jedem Fall darauf geachtet werden, dass sich trotz aller Bemühungen die Kläranlagenleistung hinsichtlich der Ablaufqualität nicht verschlechtert. Im Rahmen des vom Hessischen Ministerium für Umwelt, Energie, Landwirtschaft und Verbraucherschutz aufgesetzten Förderprogramms zur Verbesserung der Energieeffizienz von Abwasserbehandlungsanlagen hat die GKU Gesellschaft für kommunale Umwelttechnik mbh

14 GKU mbh Einleitung 11 den Auftrag erhalten, die Energieeffizienzanalyse der Abwasserbehandlungsanlagen der durchzuführen. Gemeinde Lautertal (Vogelsberg)

15 GKU mbh Beurteilung der Kläranlagen der Gemeinde Lautertal (Vogelsberg) 12 3 Beurteilung der Kläranlagen der Gemeinde Lautertal (Vogelsberg) 3.1 Einführung Die Beurteilung der Kläranlagen der Gemeinde Lautertal (Vogelsberg) erfolgte zunächst durch die Auswertung der Betriebstagebücher aller Kläranlagen der Jahre 2010 bis Die Auswertung der Daten erfolgte sowohl jahresweise, um eventuelle Änderungen der Belastungen erkennen zu können, als auch über den gesamten Zeitraum. Parameter, die eine zu geringe Datenverfügbarkeit aufwiesen, wurden über alle drei Jahre erfasst und ausgewertet. Die Auswertung der Betriebstagebücher erfolgte in Anlehnung an das ATV- DVWK-A 198 (2003). Für die Bemessung von Belebungsanlagen zur Stickstoff- und Phosphorelimination wird der Jahresgang der Abwassertemperatur, insbesondere die niedrigste und höchste Temperatur im Ablauf des biologischen Reaktors benötigt. Maßgebend ist hierbei die Jahresganglinie des 2-Wochenmittels über mindestens 2 Jahre. Ferner kann durch den Jahresverlauf der Abwassertemperatur in groben Zügen auf die Fremdwassersituation geschlossen werden. Die Auswertung zeigt jeweils den Jahresverlauf grafisch sowie die Minimal- und Maximaltemperaturen tabellarisch für jede untersuchte Kläranlage der Gemeinde auf. Die Auswertung der hydraulischen Gegebenheiten der Kläranlagen erfolgte in Anlehnung an das Arbeitsblatt ATV-DVWK-A 198 Vereinheitlichung und Herleitung von Bemessungswerten für Abwasseranlagen. Beginnend mit der Auswertung der 85 %- Perzentilwerte der Zuflüsse bei Trockenwetter und Mischwasserzufluss, kann sich ein Bild über die Zulaufcharakteristik und Streuung des Abwasseranfalls verschafft werden. Anschließend werden der Jahresgang des Abwasseranfalls sowie die Ermittlung des Fremdwasseranfalls grafisch dargestellt. Die Ermittlung des Fremdwasseranteils erfolgte nach der Methode des gleitenden Minimums. Dabei werden als Eingangswerte nur die Tagesabflüsse sowie die jährliche gebührenfähige Abwassermenge bzw. der jährliche Trinkwassergebrauch für das Einzugsgebiet benötigt. Der subjektive Wetterschlüssel wird bei der Methode des gleitenden Minimums nicht verwendet. Die Ermittlung des Fremdwassers basiert auf der Annahme, dass Schwankungen des Fremdwasserabflusses aus langsamen Schwankungen des Grundwasserspiegels resultieren und schnelle Veränderungen nur durch den oberflächlichen Regenabfluss verursacht werden. Wird nun für jeden Tag der Trockenwetterzufluss gleich dem minimalen Tagesabfluss der vorherigen 10 und folgenden 10 Tagen gesetzt (gleitendes Minimum), werden die sich schnell ändernden Regenabflüsse herausgefiltert. Als Ergebnis erhält man die Ganglinie des Trockenwetterabflusses. Nach Abzug des Schmutzwasserabflusses verbleibt die Fremdwasser-Ganglinie. Als Schmutzwasserzufluss werden 90 % des jährlich verkauften Trinkwassers des jeweiligen Einzugsgebietes angesetzt, sofern keine anderen Daten vorlagen. Die anschließende Auswertung des Betriebstagebuches hinsichtlich der zufließenden Fracht gibt Aufschluss über die stoffliche Belastung der untersuchten Kläranlage und zeigt

16 GKU mbh Beurteilung der Kläranlagen der Gemeinde Lautertal (Vogelsberg) 13 bei einer Überrechnung der Kläranlage eine Unter- oder Überbelastung auf. Dadurch können eventuelle Betriebsprobleme identifiziert werden. 3.2 Kläranlage Eichenrod Beschreibung der Kläranlage Allgemeine Beschreibung Die Kläranlage Eichenrod wurde im Jahr 1996 erbaut und ist für einen Einwohnerwert von 850 EW ausgelegt. Im Jahr 2011 waren 290 Einwohner des Ortsteils Eichenrod und 257 Einwohner aus Hörgenau an die Anlage angeschlossen. Ankommende Abwasserströme fließen zunächst über ein Regenüberlaufbecken der mechanischen Reinigungsstufe zu. Diese besteht aus einem Rechen und einem belüfteten Rundsandfang. Bei einem hohen Abwasseraufkommen (z.b. nach einem Regenereignis) kann das Abwasser in dem Regenüberlaufbecken zwischengespeichert werden. Im Anschluss an die mechanische Reinigung wird das Abwasser in das Kombibecken mit einem Gesamtvolumen von 285 m³ geleitet. Dort findet die biologische Abwasserreinigung im äußeren Ring des Kombibeckens statt. Derzeit wird in der ersten Hälfte des Belebungsbeckens (245 m³) eine vorgeschaltete Denitrifikation betrieben. In der zweiten Hälfte findet eine intermittierende Nitrifikation statt, die durch eine Sauerstoffsonde geregelt wird. In der innenliegenden Nachklärung (40 m³) wird der biologische Schlamm vom gereinigten Abwasser abgetrennt und entweder der biologischen Reinigung erneut zugeführt oder in die Schlammbehandlung gegeben. Der im Nachklärbecken abgesetzte Belebtschlamm wird als Überschussschlamm über eine Pumpe in das Schlammsilo befördert. Dort wird der Schlamm gespeichert und anschließend landwirtschaftlich verwertet. 1c 1b 2 4 3b 3a 1a 5 Abbildung 3-1: Luftbild der Kläranlage Eichenrod [Google Earth] 1a Betriebsgebäude (Rechenanlage und Maschinentechnik)

17 GKU mbh Beurteilung der Kläranlagen der Gemeinde Lautertal (Vogelsberg) 14 1b Betriebsgebäude (Leitwarte, Labor, Sanitärbereich) 1c Gebläseraum 2 Rundsandfang 3a Belebung des Kombibeckens 3b Nachklärung des Kombibeckens 4 Rücklauf- und Überschussschlammpumpwerk 5 Schlammsilo Zustand der Kläranlage Die Bauwerke der Kläranlage Eichenrod sowie Zuwegungen befinden sich in einem guten Zustand. Allerdings ist an dieser Stelle zu erwähnen, dass während der Begehung einige Mängel bezüglich der Arbeitssicherheit festgestellt werden konnten. Es ist z.b. stets darauf zu achten, dass vorhandene Gitterrostabdeckungen verwendet werden, um die Absturzsicherheit zu gewährleisten. Auch andere Stolperstellen, wie z.b. herumliegende Schläuche oder Kisten, sollten beseitigt werden Temperaturverteilung Tabelle 3-1 und Abbildung 3-2 stellen die Temperaturverteilung des Abwasserzulaufs der Jahre 2010 bis 2012 dar. Die Minimal- und die Maximaltemperaturen lagen im untersuchten Zeitraum bei 3 C bzw. 20 C. Hierbei wurde die Minimaltemperatur immer im Zeitraum Dezember/Januar, die Maximaltemperatur hingegen im Zeitraum Juli/August gemessen. Tabelle 3-1: Min- und Maximalwerte der Temperaturverteilung Parameter Einheit T (Min) C T (Max) C

18 GKU mbh Beurteilung der Kläranlagen der Gemeinde Lautertal (Vogelsberg) Temperatur in C Datum Abwassertemperatur Abwassertemperatur 2-Wochen-Mittel Abbildung 3-2: Temperaturverteilung der Jahre 2010 bis 2012 der Kläranlage Eichenrod Hydraulische Auswertung Abbildung 3-3 stellt die Unterschreitungshäufigkeit des Gesamtwasserzuflusses und des Gesamtzuflusses bei Trockenwetter (gleitendes Minimum) dar. Abbildung 3-4 zeigt eine graphische Auswertung des Jahresverlaufs der Gesamt- und Trockenwetterzuflüsse sowie den in diesem Zeitraum durchschnittlichen Schmutzwasseranfall. Der Gesamtzufluss der Kläranlage Eichenrod zeigt im Jahresverlauf eine hohe Schwankungsbreite (vgl. Abbildung 3-3 und Abbildung 3-4). Der Medianwert bei Trockenwetter liegt bei 404 m³/d, der Medianwert bei Mischwasser liegt bei einem Wert von 802 m³/d. Der Maximalzufluss liegt für Trockenwetter bei 904 m³/d und für Mischwasser bei 916 m³/d. Bezogen auf die oberen 50 % liegen die Misch- und Trockenwetterverläufe relativ dicht beieinander.

19 GKU mbh Beurteilung der Kläranlagen der Gemeinde Lautertal (Vogelsberg) Unterscheitungshäufigkeit in % Durchfluss in m³/d Gesamtdurchfluss Gesamtzufluss bei Trockenwetter Abbildung 3-3: Grafische Darstellung der Perzentilwerte des Zuflusses zur Kläranlage Eichenrod im Zeitraum von Der in Abbildung 3-4 dargestellte Schmutzwasserzufluss wurde anhand der angeschlossenen Einwohnerzahl von 547 Einwohnern (Eichenrod und Hörgenau, Stand: 2011) und einem gemittelten jährlichen Frischwassergebrauch der Jahre 2010 bis 2012 von m³/a auf etwa 104 l/(ew*d) abgeschätzt. Nach dem Arbeitsblatt ATV-DVWK- A198 (2003) wird der errechnete Wert von 104 l/(ew*d) mit 0,9 multipliziert, um den täglichen Schmutzwasserabfluss von 94 l/(ew*d) zu erhalten. Nach dem Arbeitsblatt ATV-DVWK-A198 (2003); Formel 8 ergibt sich der zulässige Mischwasserabfluss zur Kläranlage für die untersuchten Betriebsjahre aus Q M = f S,QM Q S,aM + Q F,aM. Der Wert für den Spitzenfaktor f S,QM zur Ermittlung des Mischwasserabflusses auf der Basis des mittleren jährlichen Schmutzwasserabflusses wurde anhand der angeschlossenen Einwohnerwerte nach ATV-DVWK-A198 (2003); Bild 1 auf 9 festgelegt. Somit ergibt sich ein zulässiger täglicher Mischwasserzufluss zur Kläranlage von 653 m³/d.

20 GKU mbh Beurteilung der Kläranlagen der Gemeinde Lautertal (Vogelsberg) Wassermenge in m³/d Datum Gesamtzufluss Zufluss bei Trockenwetter (gleitendes Minimum) Schmutzwasser Abbildung 3-4: Darstellung der einzelner Zuflüsse zur Kläranlage Eichenrod Tabelle 3-2 stellt die gemessenen Gesamtzuflüsse sowie die errechneten Abflüsse zur Bestimmung des zulässigen Mischwasserzuflusses dar. Die täglich zufließende mittlere Abwassermenge Q d,am lag m Zeitraum 2010 bis 2012 bei etwa 439 m³/d. Der tägliche, mittlere Trockenwetterabfluss lag bei 247 m³/d. Tabelle 3-2: Zufluss zur Kläranlage Eichenrod von Parameter Einheit Gesamtabfluss Q d Ermittlung aus Betriebstagebuch Q d,am m³/d Q d,max m³/d Q d,85% m³/d Trockenwetterabfluss Q T (Ermittlung durch gleitendes Minimum) Q T,d,aM m³/d Q T,d,max m³/d Schmutzwasserabfluss Q S Ermittlung durch Frischwassergebrauch Q S,aM m³/d Fremdwasserabfluss Q F Q F,aM m³/d Mischwasserabfluss Q M

21 GKU mbh Beurteilung der Kläranlagen der Gemeinde Lautertal (Vogelsberg) 18 Q M m 3 /d Datengrundlage: Abwasseranfall nach Gemeindeangaben 2 f S,QM = 9 nach ATV-DVWK-A 198 (2003), Bild Frachtberechnung Die Bestimmung der Zulauffrachten zur Kläranlage Eichenrod erfolgte durch die Auswertung der Analysenergebnisse verschiedener Parameterkonzentrationen und der täglichen Durchflüsse aus dem Betriebstagebuch. Da eine genaue und für die Kläranlage repräsentative Bestimmung der Zulauffrachten mit dem angewandten Mess- und Probenahmekonzept einhergeht, ist eine statistische Auswertung der Probenahmentage in Abbildung 3-5 dargestellt. Insgesamt wurden 32 Stichproben gezogen. Es ist erkennbar, dass die Wochentage der Probenahme nicht repräsentativ für die Gesamtbelastung der Kläranlage sind, aber dennoch aufgrund des stark kommunal geprägten Abwassers für die weitere Berechnung verwendet werden sollen. So wurden beispielsweise an den Wochentagen Freitag, Samstag und Sonntag niemals Stichproben gezogen Anzahl der Probennahmen Montag Dienstag Mittwoch Donnerstag Freitag Samstag Sonntag Abbildung 3-5: Statistische Auswertung der Probenahmetage Aus den gezogenen Stichproben wurden die Parameter BSB 5, CSB, P ges, NH 4 und N ges,anorg analysiert. Abbildung 3-6 stellt die Unterschreitungshäufigkeit der BSB 5 - und CSB-Fracht bei Trockenwetter dar. Der Medianwert (50 %-Perzentilwert) und der 85 %- Perzentilwert liegen für die tägliche CSB-Fracht bei 80 und 120 kg/d. Für die tägliche BSB 5 -Fracht liegen Medianwert und 85 %-Perzentilwert bei 60 und 80 kg/d. Die

22 GKU mbh Beurteilung der Kläranlagen der Gemeinde Lautertal (Vogelsberg) 19 Mittelwerte lagen für die BSB 5 - und die CSB-Fracht bei 40 und 67 kg/d. Insgesamt konnten anhand des Betriebstagebuches nur 13 Frachten bei Trockenwetter errechnet werden, was die statistische Auswertung sehr unsicher werden lässt. Abbildung 3-7 stellt eine grafische Auswertung der Perzentilwerte aus der Frachtberechnung der Stickstoff- und Phosphorparameter dar. Die Medianwerte der täglich zufließenden P ges -, NH 4 - und N ges,anorg - Frachten betrugen 1,2; 5,5 und 5,7 kg/d. Die 85 %-Perzentilwerte betrugen im untersuchten Zeitraum 1,9; 7,4 und 7,5 kg/d. Auch hier ist die Problematik der geringen Messwerte vorhanden, so dass eine hohe Unsicherheit hinsichtlich der statistischen Auswertung gegeben ist. Tabelle 3-3 stellt weitere Berechnungsergebnisse im Zulauf zur Kläranlage Eichenrod dar. 100 Unterschreitungshäufigkeit bei Trockenwetter in % Fracht in kg/d BSB5 CSB Abbildung 3-6: Grafische Darstellung der Perzentilwerte der BSB 5 - und CSB-Frachten bei Trockenwetter der Jahre

23 GKU mbh Beurteilung der Kläranlagen der Gemeinde Lautertal (Vogelsberg) Unterschreitungshäufigkeit bei Trockenwetter in % Fracht in kg/d Pges NH4 Nges,anorg Abbildung 3-7: Grafische Darstellung der Frachtenperzentilwerte der Phosphor-, Ammonium- und Stickstofffraktionen bei Trockenwetter der Jahre

24 GKU mbh Beurteilung der Kläranlagen der Gemeinde Lautertal (Vogelsberg) 21 Tabelle 3-3: Frachten und Konzentrationen im Zulauf zur Kläranlage Eichenrod im Zeitraum von Parameter Einheit Stichprobe Frachtberechnung (85 %-Perzentilwert) bei Trockenwetter (angeschlossener Einwohnergleichwert) B d,csb kg/d 120 (1.000) B d,bsb5 kg/d 80 (1.333) B d,nh4-n kg/d 7,4 B d,no3-n kg/d 2,67 B d,no2-n kg/d 0,08 B d,nges,anorg kg/d 7,5 B d,pges kg/d 1,9 (1.056) B d,bsb5 / B d,csb - 0,67 B d,csb / B d,nh4-n 16,2 B d,csb / B d,pges - 63 Frachtberechnung bei einer Einwohnerzahl von 547 E und einer spezifischer Fracht nach ATV-DVWK-A 131, Tabelle 1 B d,csb kg/d 66 B d,bsb5 kg/d 33 B d,pges kg/d 0, Ablaufqualität Abbildung 3-8 bis Abbildung 3-10 zeigen die Ablaufkonzentrationen der abwasserrelevanten Parameter. Gleichzeitig sind in den Abbildungen die gesetzlichen Überwachungswerte eingetragen, welche die Kläranlage Eichenrod zu jeder Zeit einhalten muss. Der Überwachungswert für BSB 5 von 20 mg/l wurde im betrachteten Zeitraum einmal überschritten (Maximalkonzentration: 21 mg/l). Eine Überschreitung des Überwachungswertes für CSB wurde nicht festgestellt. Die CSB-Maximalkonzentration betrug dabei etwa 30 mg/l bei einem Überwachungswert von 40 mg/l. Da der Überwachungswert stets weit unterschritte wurde, könnte dieser um 20 % herabgesetzt werden, sodass man letztendlich einen CSB-Überwachungswert von 32 mg/l erhalten würde. Bezüglich des Parameters N ges,anorg wurden für den betrachteten Zeitraum keine Überschreitungen des Grenzwertes gemessen. Der P ges -Überwachungswert von 5 mg/l wurde nur einmal überschritten. Die Maximalablaufkonzentration lag dabei bei 3,7 mg/l.

25 GKU mbh Beurteilung der Kläranlagen der Gemeinde Lautertal (Vogelsberg) Ablaufkonzentration in mg/l Datum CSB-Ablaufkonzentration BSB5-Ablaufkonzentration CSB-Überwachungswert BSB5-Überwachungswert Abbildung 3-8: CSB- und BSB 5 - Ablaufkonzentrationen sowie die Überwachungswerte im Verlauf der Jahre Ablaufkonzentration in mg/l Datum Nges,anorg-Ablaufkonzentration NH4-Ablaufkonzentration Nges,anorg-Überwachungswert NH4-Überwachungswert Abbildung 3-9: Stickstoffkonzentrationen und Überwachungswerte im Ablauf der Kläranlage Eichenrod

26 GKU mbh Beurteilung der Kläranlagen der Gemeinde Lautertal (Vogelsberg) Ablaufkonzentration in mg/l Datum Pges-Ablaufkonzentration Pges-Überwachungswert Abbildung 3-10: Phosphorkonzentrationen im Ablauf der Kläranlage Eichenrod Betriebsparameter Im Rahmen der Energieanalyse fand eine ausführliche Auswertung der Betriebsparameter der Kläranlage Eichenrod statt. Die Auswertung der Betriebsparameter wurde durch eine Auswertung des Betriebstagebuches realisiert und soll in erster Linie die wesentlichen Rahmenbedingungen wiedergeben. Anhand der Auswertung kann teilweise qualitativ auf die Energieaufnahme geschlossen und dadurch bereits Ansätze zur Verbesserung der Energieeffizienz der Kläranlage gefunden werden. Abbildung 3-11 zeigt die Unterschreitungshäufigkeit des Schlammindexes der Kläranlage Eichenrod auf. Mit einem mittleren Wert von 115 ml/g sowie den minimalen und maximalen Werten von 63 und 178 ml/g ist eine hohe Schwankung zu verzeichnen. Durch eine Verringerung des Schlammindexes wäre eine erhöhte Betriebssicherheit der Kläranlage zu erwarten, da der Belebtschlamm in der Nachklärung besser und effektiver abgesetzt werden könnte. Ferner wäre es durch eine kompaktere Flocke möglich, den Rücklaufschlammstrom zu verringern und el. Energie einzusparen, wenn eine erhöhte Stoffkonzentration gepumpt werden könnte. Mögliche Ursachen für einen erhöhten Schlammindex könnte eine zu gering eingestellte Schlammbelastung sein. Durch eine verringerte Substratkonzentration haben fadenförmige Mikroorganismen einen Vorteil, der in einem vermehrten Wachstum dieser resultiert. Direkt proportional zur Schlammbelastung ist der TS-Gehalt einzuordnen. Bei einem geringen TS-Gehalt steigt die Schlammbelastung.

27 GKU mbh Beurteilung der Kläranlagen der Gemeinde Lautertal (Vogelsberg) Unterscheitungshäufigkeit in % Schlammindex in ml/g Schlammindext Abbildung 3-11: Unterschreitungshäufigkeit des Schlammindexes in den Jahren 2010 bis Trockensubstanzgehalt in g/l Datum TS-Gehalt Abbildung 3-12: Darstellung des Trockensubstanzgehaltes in den Jahren 2010 bis 2012

28 GKU mbh Beurteilung der Kläranlagen der Gemeinde Lautertal (Vogelsberg) 25 Der Trockensubstanzgehalt gibt die mittlere Konzentration der Belebtschlammmikroorganismen im Belebungsbecken an. Die Unterschreitungshäufigkeit des TS-Gehaltes ist in Abbildung 3-13 dargestellt. Ausgenommen von den 10 %-niedrigsten und 10 %-höchsten Werten des TS-Gehaltes schwankt dieser zwischen 3,2 und 7,5 g/l. Der Medianwert ist bei 4,8 g/l zu finden (Mittelwert 4,6 g/l). Ein Jahresverlauf des TS-Gehaltes ist dabei nicht zu erkennen. Laut der Aussage des Betriebspersonals befindet sich stets viel Schwimmschlamm im Nachklärbecken, was allerdings in den Wintermonaten keine Probleme bereitet. Aus energetischen Gesichtspunkten ist ein geringerer TS-Gehalt im Belebungsbecken günstiger, da dadurch spezifisch weniger Sauerstoff benötigt wird. Dies steht jedoch der Reinigungsleistung der Kläranlage und der eingestellten Schlammbelastung entgegen. Somit ist ein Mindesttrockensubstanzgehalt im Belebungsbecken einzustellen. Der Schwimmschlamm kann aus verschiedenen Gründen im Belebungsbecken der Kläranlage entstehen. Möglicherweise ist der Sauerstoffeintrag in das Belebungsbecken zu gering. Weiterhin ist eine zu geringe Schlammbelastung ebenfalls möglich, weshalb insgesamt fadenförmige Bakterien im Wachstum gefördert werden können. Es ist zukünftig darauf zu achten, dass der TS-Gehalt an die Belastungssituation angepasst wird. Sehr hohe TS- Konzentrationen sind zu vermeiden Unterscheitungshäufigkeit in % TS-Gehalt in g/l TS-Gehalt Abbildung 3-13: Unterschreitungshäufigkeit des TS-Gehaltes der Jahre 2010 bis 2012 Abbildung 3-14 stellt die gemessenen Sauerstoffkonzentrationen im Belebungsbecken der Kläranlage Eichenrod dar. Anhand der Grafik ist deutlich zu erkennen, dass zwischen den 10 und 90 % Perzentilwerten die gemessenen maximalen Sauerstoffkonzentrationen in den Belebungsbecken zwischen etwa 1,1 und 2,1 mg/l schwankten. Der Medianwert betrug im untersuchten Zeitraum 1,6 mg/l. Die hohen Sauerstoffkonzentrationen von über

29 GKU mbh Beurteilung der Kläranlagen der Gemeinde Lautertal (Vogelsberg) 26 5,1 mg/l im Belebungsbecken erscheinen aus energetischen Gesichtspunkten unvorteilhaft. Allerdings ist zu sagen, dass diese hohen Sauerstoffkonzentrationen vereinzelt innerhalb eines Monats aufgetreten sind und die oberen 10 % der Unterschreitungshäufigkeit darstellen. Daher werden diese Ausreißer nicht weiter betrachtet, auch wenn es hier wahrscheinlich zu einem übermäßig erhöhten Bedarf an el. Energie führte Unterscheitungshäufigkeit in % O2-Gehalt in mg/l O2-Gehalt Abbildung 3-14: Unterschreitungshäufigkeit der Sauerstoffkonzentration der Jahre 2010 bis 2012 Abbildung 3-15 stellt den täglichen el. Energiebedarf der Jahre 2010 bis 2012, die im Betriebstagebuch aufgeführt sind, grafisch dar. In diesem Zeitraum wurde ein mittlerer täglicher el. Energiebedarf von 167 kwh/d und ein maximaler Strombedarf von 464 kwh/d aufgezeichnet. Wird dieser Mittelwert hochgerechnet ergibt sich für die Kläranlage Eichenrod ein jährlicher el. Energiebedarf von kwh/a. Der Strombezug vom EVU ist innerhalb der untersuchten Jahre stetig gesunken, was in Tabelle 3-4 deutlich zu erkennen ist. Im Gesamtstrombezug konnten im Jahr 2012 im Vergleich zum Jahr % eingespart werden. Tabelle 3-4: el. Energiebedarf der Kläranlage Eichenrod El. Energiebedarf (BTB) in kwh/a

30 GKU mbh Beurteilung der Kläranlagen der Gemeinde Lautertal (Vogelsberg) 27 El. Energiebedarf (EVU) in kwh/a Differenz in kwh/a el. Energiebedarf in kwh/d Datum Stromverbrauch Abbildung 3-15: Darstellung des el. Energiebedarfs der Jahre der Kläranlage Eichenrod Einfluss des Fremdwassers auf die Ablaufqualität Aktuell liegt der Fremdwasseranteil der Kläranlage Eichenrod bei etwa 79 %. Dies führt unter anderem zu einer erheblichen Verdünnung des Abwasserzulaufs. Die mittlere CSB- Zulaufkonzentration bei Trockenwetter ist im untersuchten Zeitraum bei etwa 429 mg/l zu finden. Ausgehend von einer mittleren CSB-Ablaufkonzentration bei Trockenwetter von 17 mg/l, kann eine mittlere CSB-Eliminationsleistung von 96 % errechnet werden. Wird durch eine Verringerung des Fremdwasseranteils eine Verminderung der Verdünnung des Rohabwassers hervorgerufen, ist mit einer höheren CSB-Ablaufkonzentration zu rechnen, da überschlägig davon auszugehen ist, dass die CSB-Eliminationsleistung der Anlage konstant ist.

31 GKU mbh Beurteilung der Kläranlagen der Gemeinde Lautertal (Vogelsberg) Grunddaten: CSB-Eliminationsleistung: 96 % spez. Trinkwasserbedarf: 104 l/(ew*d) spez. Fracht: 120 g/(ew*d) CSB-Konzentration in mg/l Zielkorridorder Gesetzgebung Fremdwasseranteil in % CSB-Zulaufkonzentration CSB-Ablaufkonzentration CSB-Überwachungswert Abbildung 3-16: Abhängigkeit der CSB-Konzentration vom Fremdwasseranteil der Kläranlage Eichenrod Abbildung 3-16 stellt die grafische Auswertung der CSB-Konzentration in Abhängigkeit des Fremdwasseranteils dar. Deutlich zu erkennen ist, dass bei einem geringeren Fremdwasseranteil von einer höheren CSB-Zulaufkonzentration auszugehen ist. Dies wiederum führt bei einer gleichbleibenden CSB-Eliminationsleistung zu einer höheren mittleren CSB-Ablaufkonzentration. Da eine sehr gute CSB-Eliminationsleistung von 96 % zu verzeichnen ist, wird der Überwachungswert von 40 mg/l auch bei einem niedrigen Fremdwasseranteil eingehalten. Demnach könnte der Fremdwasseranteil auf unter 50 % minimiert werden, ohne die Reinigungsleistung zu stören oder den Überwachungswert zu überschreiten Überrechnung der Kläranlage Kommunales Abwasser Spezifischer Schmutzwasseranfall: qh = 53,00 l/(e*d) Stundenmittel für Schmutzwasser: 3,19 h/d Spezifischer Fremdwasseranfall: qf = 366,04 % Stundenmittel für Fremdwasser: 24,00 h/d Entwässerung im Mischsystem Faktor für Mischwasserzufluß: n = 3,44 Abwasserzufluß

32 GKU mbh Beurteilung der Kläranlagen der Gemeinde Lautertal (Vogelsberg) 29 m³/d m³/h l/s Schmutzwasser Qh 53,00 16,62 4,62 Fremdwasser Qf 194,00 8,08 2,25 Trockenwetter Qt 247,00 24,70 6,86 Regenwetter Qm 65,30 18,14 Die stündlichen Mengen sind mit den Stundenmitteln für Schmutzwasser und Fremdwasser berechnet. Abwasserverschmutzung g/(e*d) kg/d mg/l BSB5-Kommunal 80,00 80,00 323,89 TSo-Kommunal 80,00 80,00 323,89 TKN-Kommunal 10,00 10,00 40,49 NO3-Kommunal 2,67 2,67 10,81 NO3-Gesamt 2,67 10,81 P-Kommunal 1,90 1,90 7,69 Berechnungsverfahren - Berechnung der Biologie nach ATV A131 ( 2000) - Bemessung auf der Basis des BSB5 - Berechnung der Nachklärung nach ATV A131 Reinigungsverfahren - Belebungsverfahren - Simultane aerobe Schlammstabilisierung - Intermittierende Denitrifikation - Getrennte Umwälzung und Belüftung Gewählte Bauform - Vertikal durchströmtes Nachklärbecken - Ringförmig um die Nachklärung angeordnete Belebung Belebungsanlage mit intermittierender Denitrifikation Die Belebungsbecken werden mit simultaner Schlammstabilisierung bemessen. Die Belüftung wird intermittierend betrieben. Abwasserverschmutzung g/(e*d) kg/d mg/l BSB5-Kommunal 80,00 80,00 323,89 BSB5-Gesamt 80,00 323,89 TSo-Kommunal 80,00 80,00 323,89 TSo-Gesamt 80,00 323,89 TKN-Kommunal 10,00 10,00 40,49

33 GKU mbh Beurteilung der Kläranlagen der Gemeinde Lautertal (Vogelsberg) 30 TKN-Gesamt 10,00 40,49 NO3-Kommunal 2,67 2,67 10,81 NO3-Gesamt 2,67 10,81 P-Kommunal 1,90 1,90 7,69 P-Gesamt 1,90 7,69 Dimensionierung der Belebung Reaktionstemperatur: T = 12,00 C Sicherheitsfaktor: SF = 1,80 Erforderliches aerobes Schlammalter: ttsa = SF*3,4*1,103^(15-T) = 8,21 d Stickstoffbilanz kg/d mg/l TKN (Zulauf) 10,00 40,49 Nitrat-N (Zulauf) 2,67 10,81 N-Inkorporation (Biomasse) 3,20 12,96 Ammonium-N (Ablauf) 0,25 1,00 organisch-n (Ablauf) 0,49 2,00 Nitrat-N (Ablauf) 1,48 6,00 Denitrifizierter N-Anteil 7,25 29,34 Verhältnis denitrifiziertes Nitrat zu BSB5: NO3,D/BSB5 = 0,09 kg/kg Denitrifikationsverhältnis: VD/VBB = 0,30 Gesamtschlammalter: tts = 25,00 d Trockensubstanzkonzentration: TSBB = 5,40 kg/m³ Verhältnis zwischen TSo und BSB5 im Zulauf: 1,00 Geforderte Ablaufwerte Nitrat-N im Ablauf: Ammonium-N im Ablauf: Organisch-N im Ablauf: 6,00 mg/l 1,00 mg/l 2,00 mg/l Ergebnis der Bemessung Spezifische Überschußschlammproduktion (12 C): ÜSb = 0,885 kgts/kgbsb5 Schlammbelastung: BTS = 1 ÜSb*tTS = 0,05kgBSB5/(kg*d) Raumbelastung: BR = BTS * TSBB = 0,24kgBSB5/(m³*d)

34 GKU mbh Beurteilung der Kläranlagen der Gemeinde Lautertal (Vogelsberg) 31 Verhältnis Nitrifikationsvolumen zu Gesamtvolumen: VN/V = 0,698 Erforderliches Volumen: Vmin = 327,72 m³ Minimale Aufenthaltszeit Rücklaufverhältnis bei Trockenwetter: RV(Qt) = 1 Trockenwetterzufluß: Qtd = 247,00 m³/d trmin = VBBmin Qtd*(1+RV) = 0,663 d = 15,92 h Nachweis BR = BTS = 80,00 kgbsb5/d 329,49 m³ 0,243 kgbsb5/(m³*d) 5,40 kg/m³ = 0,243 kg/(m³*d) = 0,045 kg/(kg*d) Schlammalter: tts = 25,15 d Verhältnis Nitrifikationsvolumen zu Gesamtvolumen: VN/V = 0,698 Nitrifikationsvolumen: VN = 229,984 m³ Denitrifikationsvolumen: VD = 99,506 m³ Tatsächliche biologische Überschußschlammproduktion:UeS-BSB5 = 0,884kgTS/kgBSB5 Tatsächliche gesamte Überschußschlammproduktion: UeS-ges = 0,884 kgts/kgbsb5 Tatsächliche Ablaufwerte Nitrat-N im Ablauf: Ammonium-N im Ablauf: Organisch-N im Ablauf: 3,85 mg/l 1,00 mg/l 2,00 mg/l Nachweis für Winterbetrieb Tiefstes 2-Wochen-Mittel im Winter: 10,0 C Für die im Winter niedrigere Abwassertemperatur ist die Nitrifikation gewährleistet.

35 GKU mbh Beurteilung der Kläranlagen der Gemeinde Lautertal (Vogelsberg) 32 Erforderliches Schlammalter (Nitrifikation, SF = 1,2, VD/VBB = 0): 6,66 d Verhältnis zwischen Denitrifikationsvolumen und Gesamtvolumen (tts = 25,15 d, SF = 1,80): VD/VBB = 0,603 Sauerstoffbedarf / Intermittierende Denitrifikation Die Berechnung des Sauerstoffbedarfs erfolgt über eine Bilanzierung nach ATV A 131. Schlammalter: tts = 25,15 d Stoßfaktoren: fc = 1,10 fn = 1,50 Spezifischer Sauerstoffverbrauch für den Abbau der C-Verbindungen: OVC(10 C) OVC(12 C) OVC(20 C) = 1,22kgO2/kgBSB5 = 1,24kgO2/kgBSB5 = 1,32kgO2/kgBSB5 für den Abbau der N-Verbindungen: Denitrifikation: 4,3*(NO3ND - NO3No + NO3Ne) OVN-Nitri = BSB5 kgo2/kgbsb5 OVN-Deni = 2,9*NO3-ND BSB5 kgo2/kgbsb5 = 0,33 = 0,28 Nitrifikation: 4,3*(NO3-ND - NO3-No + NO3-Ne) OVN-Nitri = BSB5 kgo2/kgbsb5 = 0,33 TKN-Zulaufkonzentration: 40,49 mg/l Nitratzulaufkonzentration: NO3-No = 10,81 mg/l N-Inkorporation (0,040 kgn/kgbsb5): 12,96 mg/l Nitratablaufkonzentration: NO3-Ne = 3,85 mg/l Organisch-N im Ablauf: orgne = 2,00 mg/l Ammonium-N im Ablauf: NH4-Ne = 1,00 mg/l Denitrifizierter Stickstoffanteil aus TKN: NO3-ND = 20,68 mg/l

36 GKU mbh Beurteilung der Kläranlagen der Gemeinde Lautertal (Vogelsberg) Kläranlage Engelrod Beschreibung der Kläranlage Allgemeine Beschreibung Die Kläranlage Engelrod wurde im Jahr 1986 erbaut und ist für eine Belastung von 750 EW ausgelegt. Im Jahr 2011 waren 569 Einwohner angeschlossen. Die Anlage besteht aus 2 belüfteten Teichen und einem Schönungsteich. Da die Kläranlage keine mechanische Reinigungsstufe besitzt, befindet sich im ersten Teich ein Rückhalt für Grobstoffe und Fette. Das Abwasser durchläuft nacheinander die drei Teiche, bevor es in die Vorflut abgegeben wird Abbildung 3-17: Luftbild der Kläranlage Engelrod [Google Earth] 1 Betriebsgebäude 2 belüfteter Teich 1 3 belüfteter Teich 2 4 Schönungsteich Zustand der Kläranlage Das Betriebsgebäude befindet sich in einem guten Zustand. Allerdings wird angeraten den Rückhalt für Grobstoffe im ersten Teich zu erneuern. Grobstoffe werden nicht mehr einwandfrei zurückgehalten und das Betreten des Steges ist aus Sicherheitsgründen nicht mehr zu empfehlen. Weiterhin ist zu erwähnen, dass in dem Betriebsgebäude kein

37 GKU mbh Beurteilung der Kläranlagen der Gemeinde Lautertal (Vogelsberg) 34 Feuerlöscher vorhanden ist und das Erste-Hilfe-Material nur unzureichend (z.b. Augenspülflasche) Temperaturverteilung In Abbildung 3-18 und Tabelle 3-5 ist die Temperaturverteilung des Abwasserzulaufs der Jahre 2010 bis 2012 dargestellt. Es wurden Minimalwerte von 2 C und Maximalwerte von bis zu 22 C aufgezeichnet. Die tiefen Abwassertemperaturen treten vornehmlich im Februar auf und sind wahrscheinlich auf zufließendes Schmelzwasser zurückzuführen. Maximale Abwassertemperaturen traten hauptsächlich in den heißen Sommermonaten Juli und August auf. Bis auf vereinzelte Ausreißer ist der Jahresgang der Temperatur der Jahre 2010 bis 2012 als relativ ähnlich anzusehen. Tabelle 3-5: Temperaturminimal- und -maximalwerte des Zuflusses zur Kläranlage Engelrod Parameter Einheit T (Min) C T (Max) C Temperatur in C Datum Abwassertemperatur Abwassertemperatur 2-Wochen-Mittel Abbildung 3-18: Temperaturverteilung der Kläranlage Engelrod Hydraulische Auswertung Der Gesamtzufluss der Kläranlage Engelrod zeigt im jährlichen Verlauf eine hohe Schwankungsbreite (vgl. Tabelle 3-6 und Abbildung 3-19). Die Unterschreitungshäufigkeit

38 GKU mbh Beurteilung der Kläranlagen der Gemeinde Lautertal (Vogelsberg) 35 des Gesamtzuflusses und des Zuflusses bei Trockenwetter (gleitendes Minimum) der Kläranlage ist in Abbildung 3-19 dargestellt. Ausgehend von einem Medianwert bei Trockenwetter von etwa 293 m³/d ist der Zufluss bei Mischwasser etwa viermal so hoch und ist damit bei knapp m³/d zu finden. Der 85 %-Perzentilwert liegt bei Mischwasserzufluss bei m³/d und bei Trockenwetter bei etwa 664 m³/d. Der mittlere Trockenwetterzufluss wurde im untersuchten Zeitraum zu 248 m³/d ermittelt Unterscheitungshäufigkeit in % Durchfluss in m³/d Gesamtdurchfluss Gesamtzufluss bei Trockenwetter Abbildung 3-19: Grafische Darstellung der Perzentilwerte des Zuflusses zur Kläranlage Engelrod im Zeitraum von Eine grafische Auswertung des Jahresverlaufs des Gesamt- und Trockenwetterzuflusses sowie des durchschnittlichen Schmutzwasseranfalls gibt Abbildung Der dargestellte Schmutzwasserzufluss wurde anhand der angeschlossenen Einwohnerzahl von 569 Einwohnern (Stand: 2011) und einem gemittelten jährlichen Frischwassergebrauch der Jahre 2010 bis 2012 von m³/a auf etwa 123 l/(ew*d) abgeschätzt. Nach dem Arbeitsblatt ATV-DVWK-A198 (2003) wird der errechnete Wert von 123 l/(ew*d) mit 0,9 multipliziert, um den täglichen Schmutzwasserabfluss von 111 l/(ew*d) zu erhalten.

39 GKU mbh Beurteilung der Kläranlagen der Gemeinde Lautertal (Vogelsberg) Wassermenge in m³/d Datum Gesamtzufluss Zufluss bei Trockenwetter (gleitendes Minimum) Schmutzwasser Abbildung 3-20: Darstellung der einzelner Zuflüsse zur Kläranlage Engelrod Nach dem Arbeitsblatt ATV-DVWK-A198 (2003); Formel 8 ergibt sich der zulässige Mischwasserabfluss zur Kläranlage für die untersuchten Betriebsjahre aus Q M = f S,QM Q S,aM + Q F,aM. Der Wert für den Spitzenfaktor f S,QM zur Ermittlung des Mischwasserabflusses auf der Basis des mittleren jährlichen Schmutzwasserabflusses wurde anhand der angeschlossenen Einwohnerwerte nach ATV-DVWK-A198 (2003); Bild 1 auf 9 festgelegt. Somit ergibt sich ein zulässiger täglicher Mischwasserzufluss zur Kläranlage von 750 m³/d. In Tabelle 3-6 sind die gemessenen Gesamtzuflüsse sowie die errechneten Abflüsse zur Bestimmung des zulässigen Mischwasserzuflusses dargestellt. Die täglich zufließende mittlere Abwassermenge Q d,am liegt in den Jahren 2010 bis 2012 bei etwa 707 m³/d, wobei die maximale täglich ankommende Abwassermenge zu etwa m³/d ermittelt wurde. Ausgehend vom täglichen Gesamtabfluss wurde mittels des gleitenden Minimums der Trockenwetterabfluss bestimmt, der mit rund 246 m³/d der Kläranlage zufließt. Tabelle 3-6: Zufluss zur Kläranlage Engelrod von Parameter Einheit Gesamtabfluss Q d Ermittlung aus Betriebstagebuch Q d,am m³/d Q d,max m³/d Q d,85% m³/d Trockenwetterabfluss Q T (Ermittlung durch gleitendes Minimum)

40 GKU mbh Beurteilung der Kläranlagen der Gemeinde Lautertal (Vogelsberg) 37 Q T,d,aM m³/d Q T,d,max m³/d Schmutzwasserabfluss Q S Ermittlung durch Frischwassergebrauch Q S,aM m³/d Fremdwasserabfluss Q F Q F,aM m³/d Mischwasserabfluss Q M Q M m 3 /d Datengrundlage: Abwasseranfall nach Gemeindeangaben 2 f S,QM = 9 nach ATV-DVWK-A 198 (2003), Bild Frachtberechnung Die Bestimmung der Zulauffrachten zur Kläranlage Engelrod erfolgte durch die Auswertung der Analysenergebnisse verschiedener Parameterkonzentrationen und der täglichen Durchflüsse aus dem Betriebstagebuch. Da eine genaue und für die Kläranlage repräsentative Bestimmung der Zulauffrachten mit dem angewandten Mess- und Probenahmekonzept einhergeht, ist eine statistische Auswertung der Probenahmetage in Abbildung 3-21 dargestellt. Die Häufigkeit der Proben liegt hauptsächlich bei den Tagen Dienstag bis Donnerstag, wie es auch in Eichenrod der Fall ist. Die Beobachtung gestattet die Vermutung, dass die Belastungssituation im Durchschnitt eher überschätzt wird. Dennoch soll mit den nachstehenden Frachten weitergerechnet werden, da das Abwasser rein kommunaler Herkunft ist und deshalb der Wochengang nicht übermäßig ausfällt.

41 GKU mbh Beurteilung der Kläranlagen der Gemeinde Lautertal (Vogelsberg) Anzahl der Probennahmen Montag Dienstag Mittwoch Donnerstag Freitag Samstag Sonntag Abbildung 3-21: Statistische Auswertung der Probenahmetage der KA Engelrod In Abbildung 3-22 ist die Unterschreitungshäufigkeit der BSB 5 - und CSB-Fracht bei Trockenwetter dargestellt. Deutlich erkennbar ist die hohe Schwankungsbreite der CSB- Fracht, die zwischen den 10 % niedrigsten und den 10 % höchsten Werten von 18 kg/d und 65 kg/d schwankt. Der Medianwert (50 %-Perzentilwert) und der 85 %-Perzentilwert liegen für die tägliche CSB-Fracht bei 43 kg/d und 63 kg/d. Die täglich zufließende BSB 5 - Fracht schwankt bei Trockenwetter ähnlich zwischen 11 kg/d und 55 kg/d für die 10 % niedrigsten und 10 % höchsten Werte. Der Median- und 85 %-Perzentilwert liegen bei 35 und 40 kg/d. Die prozentuale Verteilung der Phosphor-, Ammonium- und Stickstofffraktionen bei Trockenwetter sind in Abbildung 3-23 dargestellt. Für die Ammonium- und Stickstofffraktionen ergibt sich ein ähnliches Bild. Die Phosphorfraktion weist vergleichsweise sehr niedrige Werte auf.

42 GKU mbh Beurteilung der Kläranlagen der Gemeinde Lautertal (Vogelsberg) Unterschreitungshäufigkeit bei Trockenwetter in % Fracht in kg/d BSB5 CSB Abbildung 3-22: Grafische Darstellung der Perzentilwerte der BSB 5 - und CSB-Frachten bei Trockenwetter der Jahre Unterschreitungshäufigkeit bei Trockenwetter in % Fracht in kg/d Pges NH4 Nges,anorg Abbildung 3-23: Grafische Darstellung der Frachtenperzentilwerte der Phosphor-, Ammonium und Stickstofffraktionen bei Trockenwetter der Jahre

43 GKU mbh Beurteilung der Kläranlagen der Gemeinde Lautertal (Vogelsberg) 40 Tabelle 3-7 gibt eine Zusammenfassung aller ermittelten Konzentrationen und Frachten des Betriebstagebuchs der Kläranlage Engelrod der Jahre Neben den ermittelten Werten sind zudem die berechneten Frachten angegeben, die anhand der einwohnerspezifischen Frachten in ATV-DVWK-A 131, Tabelle 1 ermittelt wurden. Tabelle 3-7: Frachten und Konzentrationen im Zulauf zur Kläranlage Engelrod im Zeitraum von Parameter Einheit Stichprobe Frachtberechnung (85 %-Perzentilwert) bei Trockenwetter (angeschlossener Einwohnergleichwert) B d,csb kg/d 63 (525) B d,bsb5 kg/d 40 (667) B d,nh4-n kg/d 5,6 B d,no3-n kg/d 2 B d,no2-n kg/d 0,22 B d,nges,anorg kg/d 6,2 B d,pges kg/d 1,17 (650) B d,bsb5 / B d,csb - 0,63 B d,csb / B d,nh4-n 11,25 B d,csb / B d,pges - 54 Frachtberechnung bei einer Einwohnerzahl von 569 E und einer spezifischer Fracht nach ATV-DVWK-A 131, Tabelle 1 B d,csb kg/d 68 B d,bsb5 kg/d 34 B d,pges kg/d 1, Ablaufqualität Abbildung 3-24 bis Abbildung 3-26 zeigen die Ablaufkonzentrationen aller relevanten Parameter. Gleichzeitig sind in den Abbildungen die gesetzlichen Überwachungswerte eingetragen, welche die Kläranlage Engelrod zu jeder Zeit einhalten muss. Hinsichtlich des Parameters CSB kam es nur einmal zu einer Überschreitung des Überwachungswertes, der bei 75 mg/l liegt. Der Überwachungswert von 25 mg/l des Parameters BSB 5 wurde vereinzelt überschritten. Die mittlere BSB 5 - und CSB- Ablaufkonzentration lag im untersuchten Zeitraum bei 14,3 und 41,3 mg/l. Die überwachten Stickstoff- und Phosphorfraktionen zeigen in Abbildung 3-25 und Abbildung 3-26 teilweise erhebliche Überschreitungen des gesetzlichen Überwachungswertes. Im Mittel wurden Ablaufkonzentrationen von 9,6 mg/l für die Ammoniumkonzentrationen und 10,4 mg/l für die gesamten anorganischen Stickstoffverbindungen gemessen. Zu beachten ist dabei, dass hinsichtlich der Stickstofffraktionen nur Ablaufkonzentrationen Geltung haben, die bei einer Abwassertemperatur von größer als 12 C gemessen wurden.

44 GKU mbh Beurteilung der Kläranlagen der Gemeinde Lautertal (Vogelsberg) Ablaufkonzentration in mg/l Datum CSB-Ablaufkonzentration BSB5-Ablaufkonzentration CSB-Überwachungswert BSB5-Überwachungswert Abbildung 3-24: CSB- und BSB 5 - Ablaufkonzentrationen sowie die Überwachungswerte im Verlauf der Jahre Ablaufkonzentration in mg/l Datum Nges,anorg-Ablaufkonzentration NH4-Ablaufkonzentration Nges,anorg-Überwachungswert Abbildung 3-25: N ges,anorg - und NH 4 - Ablaufkonzentrationen und Überwachungswerte der Kläranlage Engelrod

45 GKU mbh Beurteilung der Kläranlagen der Gemeinde Lautertal (Vogelsberg) 42 4,5 4 3,5 Ablaufkonzentration in mg/l 3 2,5 2 1,5 1 0, Datum Pges-Ablaufkonzentration Pges-Überwachungswert Abbildung 3-26: P ges -Ablaufkonzentrationen sowie die Überwachungswerte der Kläranlage Engelrod von Der Parameter P ges hatte in der gleichen Periode Ablaufkonzentrationen von bis zu 4,66 mg/l bei einem Überwachungswert von 4,2 mg/l verzeichnet. Die ermittelten Überschreitungen fanden 2011 und 2012 statt. Abbildung 3-27 zeigt den Sauerstoffgehalt in den Teichen 1 und 2 der Kläranlage Engelrod. Hier ist von einer deutlichen Überbelüftung auszugehen, obwohl die Belüfter nur etwa h/a in Betrieb sind. Vermutlich sind die hohen Fremdwasserzufluss für den hohen Sauerstoffeintrag verantwortlich.

46 GKU mbh Beurteilung der Kläranlagen der Gemeinde Lautertal (Vogelsberg) Unterschreitungshäufigkeit in % Sauerstoffgehalt in mg/l Sauerstoff Teich 1 Sauerstoff Teich 2 Abbildung 3-27: Sauerstoffgehalt der Teiche 1 und 2 der Kläranlage Engelrod Einfluss des Fremdwassers auf die Ablaufqualität Aktuell liegt der Fremdwasseranteil der Kläranlage Engelrod bei etwa 74 %. Dies führt unter anderem zu einer erheblichen Verdünnung des Abwasserzulaufs. Die mittlere CSB- Zulaufkonzentration bei Trockenwetter ist im untersuchten Zeitraum bei etwa 153 mg/l zu finden. Ausgehend von einer mittleren CSB-Ablaufkonzentration bei Trockenwetter von 47 mg/l, kann eine mittlere CSB-Eliminationsleistung von 69 % errechnet werden. Wird durch eine Verringerung des Fremdwasseranteils eine Verminderung der Verdünnung des Rohabwassers hervorgerufen, ist mit einer höheren CSB-Ablaufkonzentration zu rechnen, da überschlägig davon auszugehen ist, dass die CSB-Eliminationsleistung der Anlage konstant ist.

47 GKU mbh Beurteilung der Kläranlagen der Gemeinde Lautertal (Vogelsberg) Grunddaten: CSB-Eliminationsleistung: 69 % spez. Trinkwasserbedarf: 123 l/(ew*d) spez. Fracht: 120 g/(ew*d) CSB-Konzentration in mg/l Zielkorridor der Gesetzgebung Fremdwasseranteil in % CSB-Zulaufkonzentration CSB-Ablaufkonzentration CSB-Überwachungswert Abbildung 3-28: Abhängigkeit der CSB-Konzentration vom Fremdwasseranteil der Kläranlage Engelrod Abbildung 3-28 stellt die grafische Auswertung der CSB-Konzentration in Abhängigkeit des Fremdwasseranteils dar. Deutlich zu erkennen ist, dass bei einem geringeren Fremdwasseranteil von einer höheren CSB-Zulaufkonzentration auszugehen ist. Dies wiederum führt bei einer gleichbleibenden CSB-Eliminationsleistung zu einer höheren mittleren CSB-Ablaufkonzentration, die bei einer Verringerung des Fremdwasseranteils um 10 % bei etwa 62 mg/l zu finden ist. Aufgrund des Überwachungswertes von 75 mg/l ist der kritische Fremdwasseranfall, bei dem die Reinigungsleistung nicht mehr ausreicht, bei etwa 65 % zu finden. Aufgrund dessen ist davon auszugehen, dass die Anlage aktuell beinahe an der Belastungsgrenze betrieben wird und jede weitere Fremdwasserminimierung zu einer höheren Wahrscheinlichkeit einer Grenzwertüberschreitung bei Trockenwetter führt. 3.4 Kläranlage Meiches Beschreibung der Kläranlage Allgemeine Beschreibung Die Kläranlage Meiches wurde im Jahr 1992 erbaut und ist für eine Belastung von 550 EW ausgelegt. Im Jahr 2011 waren 476 Einwohner angeschlossen. Verfahrenstechnisch handelt es sich um eine kombinierte Teichkläranlage. Das zu reinigende Abwasser durchläuft zunächst einen Vorklärteich. Anschließend erfolgt die weitergehende Reinigung in einer Rotationstauchkörperanlage. Auf dem Biofilmreaktor sind die Mikroorganismen angesiedelt, welche die biologische Reinigung des Abwassers

48 GKU mbh Beurteilung der Kläranlagen der Gemeinde Lautertal (Vogelsberg) 45 durchführen. Der sogenannte biologische Rasen wird während der Abwasserbehandlung durch Rotationsbewegungen der installierten Scheiben periodisch in das Abwasser eingetaucht. In der eingetauchten Phase nehmen die sessilen Mikroorganismen die Abwasserinhaltsstoffe auf und oxidieren diese in der nicht eingetauchten Phase. Anschließend wird das Abwasser in die Nachklärung geleitet und daraufhin in den Schönungsteich, in dem sich der entstehende Überschussschlamm absetzen kann. Zuletzt gelangt das gereinigte Abwasser über den Ablauf in den Vorfluter Abbildung 3-29: Luftbild der Kläranlage Meiches [Google Earth] 1 Betriebsgebäude 2 Vorklärteich 3 Rotationstauchkörperanlage 4 Nachklärbecken 5 Schönungsteich Zustand der Kläranlage Das Betriebsgebäude befindet sich in einem guten Zustand. Allerdings wird angeraten den Rückhalt für Grobstoffe im Vorklärteich zu erneuern. Grobstoffe werden nicht mehr einwandfrei zurückgehalten und das Betreten des Steges ist aus Sicherheitsgründen nicht

49 GKU mbh Beurteilung der Kläranlagen der Gemeinde Lautertal (Vogelsberg) 46 mehr zu empfehlen. Weiterhin ist zu erwähnen, dass in dem Betriebsgebäude kein Feuerlöscher vorhanden ist und das Erste-Hilfe-Material nur unzureichend (z.b. Augenspülflasche). Gitterrostabdeckungen sind stets geschlossen zu halten, da nur so ein Hineinstürzen vermieden werden kann Temperaturverteilung Tabelle 3-8 und Abbildung 3-30 stellen die Temperaturverteilung des Abwasserzulaufs für die Jahre 2010 bis 2012 dar. Die Minimal- und die Maximaltemperatur lagen im untersuchten Zeitraum bei 6 bzw. 17 C. Die tiefen Abwassertemperaturen treten vornehmlich im Februar auf und sind wahrscheinlich auf zufließendes Schmelzwasser zurückzuführen. Maximale Abwassertemperaturen traten hauptsächlich in den heißen Sommermonaten Juli und August auf. Bis auf vereinzelte Ausreißer ist der Jahresgang der Temperatur der Jahre 2010 bis 2012 als relativ ähnlich anzusehen. Tabelle 3-8: Min- und Maximalwerte der Zulauftemperatur zur Kläranlage Meiches Parameter Einheit T (Min) C T (Max) C Temperatur in C Datum Abwassertemperatur Abwassertemperatur 2-Wochen-Mittel Abbildung 3-30: Temperaturverteilung der Jahre 2010 bis 2012 der Kläranlage Meiches

50 GKU mbh Beurteilung der Kläranlagen der Gemeinde Lautertal (Vogelsberg) Hydraulische Auswertung Abbildung 3-31 stellt die Unterschreitungshäufigkeit des Gesamtwasserzuflusses und des Gesamtzuflusses bei Trockenwetter (gleitendes Minimum) dar. Abbildung 3-32 zeigt eine graphische Auswertung des Jahresverlaufs der Gesamt- und Trockenwetterzuflüsse sowie den in diesem Zeitraum durchschnittlichen Schmutzwasseranfall. Der Gesamtzufluss der Kläranlage Meiches zeigt im Jahresverlauf eine hohe Schwankungsbreite (vgl. Abbildung 3-31 und Abbildung 3-32). Der Medianwert bei Trockenwetter liegt bei 243 m³/d, der Medianwert bei Mischwasser liegt hingegen bei einem Wert von knapp 532 m³/d. Der Maximalzufluss für Trockenwetter liegt bei 818 m³/d und für Mischwasser bei 822 m³/d Unterscheitungshäufigkeit in % Durchfluss in m³/d Gesamtdurchfluss Gesamtzufluss bei Trockenwetter Abbildung 3-31: Darstellung der Perzentilwerte des Zuflusses zur Kläranlage Meiches Der in Abbildung 3-32 dargestellte Schmutzwasserzufluss wurde anhand der angeschlossenen Einwohnerzahl von 476 Einwohnern (Stand: 2011) und einem gemittelten jährlichen Frischwassergebrauch der Jahre 2010 bis 2012 von m³/a auf etwa 95 l/(ew*d) abgeschätzt. Nach dem Arbeitsblatt ATV-DVWK-A198 (2003) wird der errechnete Wert von 95 l/(ew*d) mit 0,9 multipliziert, um den täglichen Schmutzwasserabfluss von 85 l/(ew*d) zu erhalten. Nach dem Arbeitsblatt ATV-DVWK-A198 (2003); Formel 8 ergibt sich der zulässige Mischwasserabfluss zur Kläranlage für die untersuchten Betriebsjahre aus Q M = f S,QM Q S,aM + Q F,aM. Der Wert für den Spitzenfaktor f S,QM zur Ermittlung des Mischwasserabflusses auf der Basis des mittleren jährlichen Schmutzwasserabflusses wurde anhand der angeschlossenen Einwohnerwerte nach ATV-DVWK-A198 (2003); Bild

51 GKU mbh Beurteilung der Kläranlagen der Gemeinde Lautertal (Vogelsberg) 48 1 auf 9 festgelegt. Somit ergibt sich ein zulässiger täglicher Mischwasserzufluss zur Kläranlage von 553 m³/d Wassermenge in m³/d Datum Gesamtzufluss Zufluss bei Trockenwetter (gleitendes Minimum) Schmutzwasser Abbildung 3-32: Darstellung der einzelner Zuflüsse zur Kläranlage Meiches Tabelle 3-9 stellt die gemessenen Gesamtzuflüsse sowie die errechneten Abflüsse zur Bestimmung des zulässigen Mischwasserzuflusses dar. Die täglich zufließende mittlere Abwassermenge Q d,am liegt im Zeitraum 2010 bis 2012 bei etwa 404 m³/d. Der tägliche mittlere Trockenwetterabfluss liegt bei ca. 227 m³/d. Tabelle 3-9: Zufluss zur Kläranlage Meiches von Parameter Einheit Gesamtabfluss Q d Ermittlung aus Betriebstagebuch Q d,am m³/d Q d,max m³/d Q d,85% m³/d Trockenwetterabfluss Q T (Ermittlung durch gleitendes Minimum) Q T,d,aM m³/d Q T,d,max m³/d Schmutzwasserabfluss Q S Ermittlung durch Frischwassergebrauch Q S,aM m³/d Fremdwasserabfluss Q F

52 GKU mbh Beurteilung der Kläranlagen der Gemeinde Lautertal (Vogelsberg) 49 Q F,aM m³/d Mischwasserabfluss Q M Q M m 3 /d Datengrundlage: Abwassermenge nach Gemeindeangaben 2 f S,QM = 9 nach ATV-DVWK-A 198 (2003), Bild Frachtberechnung Die Bestimmung der Zulauffrachten zur Kläranlage Meiches erfolgte durch die Auswertung der Analysenergebnisse verschiedener Parameterkonzentrationen und täglichen Durchflüsse aus dem Betriebstagebuch. Da eine genaue und für die Kläranlage repräsentative Bestimmung der Zulauffrachten mit dem angewandten Mess- und Probenahmekonzept einhergeht, ist eine statistische Auswertung der Probenahmetage in Abbildung 3-33 dargestellt. Insgesamt wurden 36 Stichproben gezogen. Es wurde keine Probe für die Belastungssituation am Wochenende gezogen. Die durchgeführte Beprobung lässt vermuten, dass die Belastungssituation überschätzt werden kann, aber aufgrund des stark kommunal geprägten Abwasserzulaufs wohl eher der realistischen Belastung gleichkommt Anzahl der Probennahmen Montag Dienstag Mittwoch Donnerstag Freitag Samstag Sonntag Abbildung 3-33: Statistische Auswertung der Probenahmetage Aus den gezogenen Stichproben im Zulauf zur Kläranlage wurden die Parameter BSB 5, CSB, P ges, NH 4 und N ges,anorg analysiert. Abbildung 3-34 stellt die Unterschreitungshäufigkeit der BSB 5- und CSB-Fracht bei Trockenwetter dar. Der Medianwert (50 %-Perzentilwert) und der 85 %-Perzentilwert liegen für die tägliche CSB-

53 GKU mbh Beurteilung der Kläranlagen der Gemeinde Lautertal (Vogelsberg) 50 Fracht bei 80 und 111 kg/d. Für die tägliche BSB 5 -Fracht liegen Medianwert (50 %- Perzentilwert) und 85 %-Perzentilwert bei 45 und 71 kg/d. Der 85 %-Perzentilwert des Parameters CSB würde rechnerisch einen Einwohnerwert von 925 EW ergeben. Durch den stark ländlich geprägten Charakter des Einzugsgebietes und der praktisch nicht vorhanden Industrie weicht der rechnerische Wert sehr stark vom tatsächlichen Einwohnerwert von 476 (Stand: 2011) ab. Ursache sind zum einen die geringe Anzahl der Proben bei Trockenwetter von nur 16, welche die statistische Auswertung sehr unsicher machen und weiterhin die sehr hohe Schwankungsbreite der Werte. 100 Unterschreitungshäufigkeit bei Trockenwetter in % Fracht in kg/d BSB5 CSB Abbildung 3-34: Grafische Darstellung der Perzentilwerte der BSB 5 - und CSB-Frachten bei Trockenwetter der Jahre Abbildung 3-35 stellt eine grafische Auswertung der Perzentilwerte aus der statistischen Frachtberechnung der Phosphor-, Ammonium und Stickstoffparameter dar. Insgesamt standen im untersuchten Zeitraum 16 Proben bei Trockenwetter zur statistischen Auswertung zur Verfügung. Für die P ges -Fracht kann ein Einwohnergleichwert von 867 EW errechnet werden. Eine zusammenfassende Darstellung aller errechneten Frachten sowie weiterer Kenngrößen, welche die Kläranlage charakterisieren, sind in Tabelle 3-10 dargestellt.

54 GKU mbh Beurteilung der Kläranlagen der Gemeinde Lautertal (Vogelsberg) Unterschreitungshäufigkeit bei Trockenwetter in % Fracht in kg/d Pges NH4 Nges,anorg Abbildung 3-35: Grafische Darstellung der Frachtenperzentilwerte der Phosphor-, Ammonium und Stickstofffraktionen bei Trockenwetter der Jahre Tabelle 3-10: Frachten und Konzentrationen im Zulauf zur Kläranlage Meiches im Zeitraum von Parameter Einheit Stichprobe Frachtberechnung (85 %-Perzentilwert) bei Trockenwetter (angeschlossener Einwohnergleichwert) B d,csb kg/d 111 (925) B d,bsb5 kg/d 71 (1183) B d,nh4-n kg/d 8 B d,pges kg/d 1,56 (867) B d,bsb5 / B d,csb - 0,64 B d,csb / B d,nh4-14 B d,csb / B d,pges - 71 Frachtberechnung bei einer Einwohnerzahl von 476 E und einer spezifischer Fracht nach ATV-DVWK-A 131, Tabelle 1 B d,csb kg/d 57 B d,bsb5 kg/d 29 B d,pges kg/d 0,86

55 GKU mbh Beurteilung der Kläranlagen der Gemeinde Lautertal (Vogelsberg) Ablaufqualität Abbildung 3-36 bis Abbildung 3-38 zeigen die Ablaufkonzentrationen aller überwachungsrelevanten Parameter. Gleichzeitig sind in den Abbildungen die gesetzlichen Überwachungswerte eingetragen, welche die Kläranlage Meiches zu jeder Zeit einhalten muss. Der Überwachungswert für BSB 5 von 15 mg/l wurde im betrachteten Zeitraum zweimal überschritten. Die Maximalwerte für die Überschreitung des Überwachungswertes von BSB 5 waren 16 mg/l und 20 mg/l. Die Auswertung ergab mittlere Ablaufkonzentrationen hinsichtlich des BSB 5 und CSB von 7 und 28 mg/l. Auch hier ist eine Herabsetzung des Überwachungswertes auf 56 mg/l möglich, ohne dass dieser zukünftig überschritten wird Ablaufkonzentration in mg/l Datum CSB-Ablaufkonzentration BSB5-Ablaufkonzentration CSB-Überwachungswert BSB5-Überwachungswert Abbildung 3-36: CSB- und BSB 5 -Ablaufkonzentrationen sowie die Überwachungswerte im Verlauf der Jahre Bezüglich des Parameters N ges,anorg wurden in allen Jahren des betrachteten Zeitraums Überschreitungen des Überwachungswertes gemessen. Der Maximalwert lag hierbei bei 22,6 mg/l bei einem einzuhaltenden Überwachungswert von 18 mg/l. Dies gilt nicht für den Parameter NH 4. Hier lagen alle Werte deutlich unter dem Überwachungswert von 5 mg/l bei Abwassertemperaturen von größer als 12 C. Die mittleren Ablaufkonzentrationen der Parameter NH 4 und N ges,anorg lagen bei 0,5 und 13,4 mg/l.

56 GKU mbh Beurteilung der Kläranlagen der Gemeinde Lautertal (Vogelsberg) Ablaufkonzentration in mg/l Datum Nges,anorg-Ablaufkonzentration NH4-Ablaufkonzentration Nges,anorg-Überwachungswert NH4-Überwachungswert Abbildung 3-37: NH 4 und N ges,anorg -Ablaufkonzentrationen der Kläranlage Meiches 6 5 Ablaufkonzentration in mg/l Datum Pges-Ablaufkonzentration Pges-Überwachungswert Abbildung 3-38: P ges -Ablaufkonzentrationen der Kläranlage Meiches Die P ges -Ablaufkonzentrationen wurden ebenfalls mehrfach überschritten (vgl. Abbildung 3-38). Die P ges -Ablaufkonzentration erreichte bis zu 4,85 mg/l bei einem einzuhaltenden Überwachungswert von 4 mg/l.

57 GKU mbh Beurteilung der Kläranlagen der Gemeinde Lautertal (Vogelsberg) Einfluss des Fremdwassers auf die Ablaufqualität Aktuell liegt der Fremdwasseranteil der Kläranlage Meiches bei etwa 82 %. Dies führt unter anderem zu einer erheblichen Verdünnung des Abwasserzulaufs. Die mittlere CSB- Zulaufkonzentration bei Trockenwetter ist im untersuchten Zeitraum bei etwa 251 mg/l zu finden. Ausgehend von einer mittleren CSB-Ablaufkonzentration bei Trockenwetter von 30 mg/l, kann eine mittlere CSB-Eliminationsleistung von 88 % errechnet werden. Wird durch eine Verringerung des Fremdwasseranteils eine Verminderung der Verdünnung des Rohabwassers hervorgerufen, ist mit einer höheren CSB-Ablaufkonzentration zu rechnen, da überschlägig davon auszugehen ist, dass die CSB-Eliminationsleistung der Anlage konstant ist Grunddaten: CSB-Eliminationsleistung: 88 % spez. Trinkwasserbedarf: 95 l/(ew*d) spez. Fracht: 120 g/(ew*d) CSB-Konzentration in mg/l Zielkorridorder Gesetzgebung Fremdwasseranteil in % CSB-Zulaufkonzentration CSB-Ablaufkonzentration CSB-Überwachungswert Abbildung 3-39: Abhängigkeit der CSB-Konzentration vom Fremdwasseranteil der Kläranlage Meiches Abbildung 3-39 stellt die grafische Auswertung der CSB-Konzentration in Abhängigkeit des Fremdwasseranteils dar. Deutlich zu erkennen ist, dass bei einem geringeren Fremdwasseranteil von einer höheren CSB-Zulaufkonzentration auszugehen ist. Dies wiederum führt bei einer gleichbleibenden CSB-Eliminationsleistung zu einer höheren mittleren CSB-Ablaufkonzentration, die bei einer Verringerung des Fremdwasseranteils auf 60 % bei etwa 62 mg/l zu finden ist. Aufgrund eines Überwachungswertes von 70 mg/l ist der kritische Fremdwasseranfall, bei dem die Reinigungsleistung nicht mehr ausreicht, bei etwa 55 % zu finden. Demnach wird die Anlage aktuell noch nicht an der Belastungsgrenze betrieben, wobei jede weitere Fremdwasserminimierung zu einer höheren Wahrscheinlichkeit einer Grenzwertüberschreitung bei Trockenwetter führt.

58 GKU mbh Beurteilung der Kläranlagen der Gemeinde Lautertal (Vogelsberg) Kläranlage Dirlammen Beschreibung der Kläranlage Allgemeine Beschreibung Die Kläranlage Dirlammen wurde im Jahr 1987 erbaut und ist für eine Belastung von 500 Einwohnerwerten ausgelegt. Im Jahr 2011 waren 418 Einwohner angeschlossen. Die Anlage besteht aus 2 belüfteten Teichen und einem Schönungsteich. Da die Kläranlage keine mechanische Reinigungsstufe besitzt, befindet sich im ersten Teich ein Rückhalt für Grobstoffe und Fette. Das Abwasser durchläuft nacheinander die drei Teiche, bevor es in die Vorflut abgegeben wird Abbildung 3-40: Luftbild der Kläranlage Dirlammen [Google Earth] 1 Betriebsgebäude 2 belüfteter Teich 1 3 belüfteter Teich 2 4 Schönungsteich

59 GKU mbh Beurteilung der Kläranlagen der Gemeinde Lautertal (Vogelsberg) 56 Zustand der Kläranlage Das Betriebsgebäude befindet sich in einem guten Zustand. Allerdings wird angeraten den Rückhalt für Grobstoffe im ersten Teich zu erneuern. Grobstoffe werden nicht mehr einwandfrei zurückgehalten und das Betreten des Steges ist aus Sicherheitsgründen nicht mehr zu empfehlen. Weiterhin ist zu erwähnen, dass in dem Betriebsgebäude kein Feuerlöscher vorhanden ist und das Erste-Hilfe-Material nur unzureichend (z.b. Augenspülflasche) Temperaturverteilung Die Temperaturverteilung ist in Abbildung 3-41 dargestellt. Es kann von einem jahreszeitlichen Verlauf gesprochen werden, dessen Minimalwerte auf etwa 3 C in den Wintermonaten abfallen und auf etwa 22 C in den Sommermonaten ansteigen (vgl. Tabelle 3-11). Tabelle 3-11: Min- und Maximalwerte der Zulauftemperatur zur Kläranlage Dirlammen Parameter Einheit T (Min) C T (Max) C Temperatur in C Datum Abwassertemperatur Abwassertemperatur 2-Wochen-Mittel Abbildung 3-41: Temperaturverteilung des Zuflusses der Kläranlage Dirlammen

60 GKU mbh Beurteilung der Kläranlagen der Gemeinde Lautertal (Vogelsberg) Hydraulische Auswertung Abbildung 3-42 stellt die Unterschreitungshäufigkeit des Gesamtwasserzuflusses und des Gesamtzuflusses bei Trockenwetter (gleitendes Minimum) dar. Abbildung 3-43 zeigt eine graphische Auswertung des Jahresverlaufs der Gesamt- und Trockenwetterzuflüsse sowie den in diesem Zeitraum durchschnittlichen Schmutzwasseranfall. Der Gesamtzufluss der Kläranlage Dirlammen zeigt im Jahresverlauf eine hohe Schwankungsbreite. Der Medianwert bei Trockenwetter liegt bei 297 m³/d, der Medianwert bei Mischwasser liegt mit einem Wert von m³/d mehr als viermal so hoch. Der Maximalzufluss liegt für Trockenwetter bei circa m³/d und für Mischwasser bei m³/d. Abbildung 3-42: Grafische Darstellung der Perzentilwerte des Zuflusses zur Kläranlage Dirlammen im Zeitraum von Der in Abbildung 3-43 dargestellte Schmutzwasserzufluss wurde anhand der angeschlossenen Einwohnerzahl von 418 Einwohnern (Stand: 2011) und einem gemittelten jährlichen Frischwassergebrauch der Jahre 2010 bis 2012 von m³/a auf etwa 134 l/(ew*d) abgeschätzt. Nach dem Arbeitsblatt ATV-DVWK-A198 (2003) wird der errechnete Wert von 134 l/(ew*d) mit 0,9 multipliziert, um den täglichen Schmutzwasserabfluss von 121 l/(ew*d) zu erhalten. Nach dem Arbeitsblatt ATV-DVWK-A198 (2003); Formel 8 ergibt sich der zulässige Mischwasserabfluss zur Kläranlage für die untersuchten Betriebsjahre aus Q M = f S,QM Q S,aM + Q F,aM. Der Wert für den Spitzenfaktor f S,QM zur Ermittlung des Mischwasserabflusses auf der Basis des mittleren jährlichen Schmutzwasserabflusses

61 GKU mbh Beurteilung der Kläranlagen der Gemeinde Lautertal (Vogelsberg) 58 wurde anhand der angeschlossenen Einwohnerwerte nach ATV-DVWK-A198 (2003); Bild 1 auf 9 festgelegt. Somit ergibt sich ein zulässiger täglicher Mischwasserzufluss zur Kläranlage von 601 m³/d Wassermenge in m³/d Datum Gesamtzufluss Zufluss bei Trockenwetter (gleitendes Minimum) Schmutzwasser Abbildung 3-43: Darstellung der einzelnen Zuflüsse zur Kläranlage Dirlammen Tabelle 3-12 stellt die gemessenen Gesamtzuflüsse sowie die errechneten Abflüsse zur Bestimmung des zulässigen Mischwasserzuflusses dar. Die täglich zufließende mittlere Abwassermenge Q d,am liegt im Zeitraum 2010 bis 2012 bei etwa 608 m³/d. Tabelle 3-12: Zufluss zur Kläranlage Dirlammen von Parameter Einheit Gesamtabfluss Q d Ermittlung aus Betriebstagebuch Q d,am m³/d Q d,max m³/d Q d,85% m³/d Trockenwetterabfluss Q T (Ermittlung durch gleitendes Minimum) Q T,d,aM m³/d Q T,d,max m³/d Schmutzwasserabfluss Q S Ermittlung durch Frischwassergebrauch Q S,aM m³/d Fremdwasserabfluss Q F

62 GKU mbh Beurteilung der Kläranlagen der Gemeinde Lautertal (Vogelsberg) 59 Q F,aM m³/d Mischwasserabfluss Q M Q M m 3 /d Datengrundlage: Abwassermenge nach Gemeindeangaben 2 f S,QM = 9 nach ATV-DVWK-A 198 (2003), Bild Frachtberechnung Die Berechnung der maßgebenden Fracht erfolgte anhand der Zulaufkonzentrationsmessungen und der zugehörigen täglichen Abwassermenge bei Trockenwetter. Insgesamt wurden 36 Proben im Zeitraum von im Zulauf zur Kläranlage Dirlammen genommen. Es wurde keine Probe für die Belastungssituation am Wochenende gezogen. Die durchgeführte Beprobung wird auch hier an den gleichen Tagen wie für die anderen Kläranlagen durchgeführt und lässt vermuten, dass die Belastungssituation überschätzt werden kann, aber aufgrund des stark kommunal geprägten Abwasserzulaufs wohl eher der realistischen Belastung gleichkommt Anzahl der Probennahmen Montag Dienstag Mittwoch Donnerstag Freitag Samstag Sonntag Abbildung 3-44: Statistische Auswertung der Probenahmetage der KA Dirlammen Aus den gezogenen Stichproben wurden die Parameter BSB 5, CSB, P ges, NH 4 und N ges,anorg analysiert. Abbildung 3-45 stellt die Unterschreitungshäufigkeit der BSB 5 - und CSB-Fracht bei Trockenwetter dar. Der Medianwert (50 %-Perzentilwert) und der 85 %- Perzentilwert liegen für die tägliche CSB-Fracht bei 55 und 84 kg/d. Für die tägliche BSB 5 - Fracht liegen Medianwert (50 %-Perzentilwert) und 85 %-Perzentilwert bei 37 und 52 kg/d.

63 GKU mbh Beurteilung der Kläranlagen der Gemeinde Lautertal (Vogelsberg) Unterschreitungshäufigkeit bei Trockenwetter in % Fracht in kg/d BSB5 CSB Abbildung 3-45: Grafische Darstellung der Perzentilwerte der BSB 5 - und CSB-Frachten bei Trockenwetter der Kläranlage Dirlammen im Zeitraum Abbildung 3-46 stellt eine grafische Auswertung der Perzentilwerte aus der Frachtberechnung der Phosphor-, Ammonium und Stickstoffparameter dar. Die 85 %- Perzentilwerte der täglich zufließenden NH 4 -, und P ges -Frachten betrugen im untersuchten Zeitraum 5,6 und 1,38 kg/d und liegen über der tatsächlich angeschlossenen Einwohnerzahl von etwa 418 EW.

64 GKU mbh Beurteilung der Kläranlagen der Gemeinde Lautertal (Vogelsberg) Unterschreitungshäufigkeit bei Trockenwetter in % Fracht in kg/d Pges NH4 Nges,anorg Abbildung 3-46: Grafische Darstellung der Frachtenperzentilwerte der Phosphor-, Ammonium und Stickstofffraktionen bei Trockenwetter der Jahre Tabelle 3-13 stellt weitere Berechnungsergebnisse für Frachten und Konzentrationen im Zulauf zur Kläranlage dar.

65 GKU mbh Beurteilung der Kläranlagen der Gemeinde Lautertal (Vogelsberg) 62 Tabelle 3-13: Frachten im Zulauf zur KA Dirlammen im Zeitraum von Parameter Einheit Stichprobe Frachtberechnung (85 %-Perzentilwert) bei Trockenwetter (angeschlossener Einwohnergleichwert) B d,csb kg/d 84 (700) B d,bsb5 kg/d 52 (867) B d,nh4-n kg/d 5,6 B d,pges kg/d 1,38 (767) B d,bsb5 / B d,csb - 0,62 B d,csb / B d,nh4-15 B d,csb / B d,pges - 61 Frachtberechnung bei einer Einwohnerzahl von 418 E und einer spezifischer Fracht nach ATV-DVWK-A 131, Tabelle 1 B d,csb kg/d 50 B d,bsb5 kg/d 25 B d,pges kg/d 0, Ablaufqualität Abbildung 3-47 bis Abbildung 3-49 zeigen die Ablaufkonzentrationen wichtiger abwasserrelevanter Parameter. Gleichzeitig sind in den Abbildungen die gesetzlichen Überwachungswerte eingetragen, welche die Kläranlage Dirlammen zu jeder Zeit einhalten muss. Der Überwachungswert für BSB 5 wurde im gesamter betrachteten Zeitraum des Öfteren überschritten (Maximalkonzentration: 32 mg/l; Überwachungswert: 20 mg/l). Überschreitungen des Überwachungswerts für den Parameter CSB wurden nicht festgestellt. Die ermittelte maximale CSB-Ablaufkonzentration von 95 mg/l und lag somit unter dem Überwachungswert von 100 mg/l. Hier ist Handlungsbedarf gegeben, da der Überwachungswert bereits sehr hoch ist und dennoch nur knapp unterschritten wird. Die BSB 5 - und CSB-Mittelwerte im Ablauf der Kläranlage betrugen im untersuchten Zeitraum 16 und 51 mg/l und liegen dabei stets unter dem Überwachungswert. Aufgrund der Überschreitungen des BSB 5 -Überwachungswertes, sei hier ein Hochsetzen des Überwachungswertes auf z.b. 35 mg/l ratsam, um zukünftig eine Einhaltung gewährleisten zu können.

66 GKU mbh Beurteilung der Kläranlagen der Gemeinde Lautertal (Vogelsberg) Ablaufkonzentration in mg/l Datum CSB-Ablaufkonzentration BSB5-Ablaufkonzentration CSB-Überwachungswert BSB5-Überwachungswert Abbildung 3-47: CSB- und BSB 5 -Ablaufkonzentrationen sowie die Überwachungswerte im Verlauf der Jahre der Kläranlage Dirlammen Bezüglich der analysierten Stickstofffraktionen N ges,anorg und NH 4 wurde im betrachteten Zeitraum eine Überschreitungen des Überwachungswertes gemessen, die bei Abwassertemperaturen von größer als 12 C aufgezeichnet wurden. Die N ges,anorg - Maximalablaufkonzentration von 35 mg/l wurde im Sommer 2010 aufgezeichnet. Gleichzeitig wurde die maximale Ammoniumablaufkonzentration von 34 mg/l gemessen. Für den Parameter Ammonium wurde eine mittlere Ablaufkonzentration von 11,6 mg/l und für den Parameter N ges,anorg von 12,5 mg/l aufgezeichnet. In den darauffolgenden Jahren kam es zu keinen weiteren Überwachungswertüberschreitungen der Stickstofffraktionen. Die Ablaufkonzentration des Parameters P ges lag im untersuchten Zeitraum stets unterhalb des Überwachungswertes. Es wurden mittlere und maximale Ablaufkonzentrationen von 2,5 und 5,2 mg/l bei einem Überwachungswert von 7 mg/l aufgezeichnet. Aufgrund der guten Ablaufwerte könnte der Überwachungswert herabgesetzt werden, sodass dieser dann bei z.b. 5,5 mg/l liegen würde.

67 GKU mbh Beurteilung der Kläranlagen der Gemeinde Lautertal (Vogelsberg) Ablaufkonzentration in mg/l Datum Nges,anorg-Ablaufkonzentration NH4-Ablaufkonzentration Nges,anorg-Überwachungswert Abbildung 3-48: Ausgewählte Stickstoffkonzentrationen im Ablauf der KA Dirlammen 8 7 Ablaufkonzentration in mg/l Datum Pges-Ablaufkonzentration Pges-Überwachungswert Abbildung 3-49: P ges -Ablaufkonzentrationen und Überwachungswert der KA Dirlammen

68 GKU mbh Beurteilung der Kläranlagen der Gemeinde Lautertal (Vogelsberg) Einfluss des Fremdwassers auf die Ablaufqualität Aktuell liegt der Fremdwasseranteil der Kläranlage Dirlammen bei etwa 73 %. Dies führt unter anderem zu einer erheblichen Verdünnung des Abwasserzulaufs. Die mittlere CSB- Zulaufkonzentration bei Trockenwetter ist im untersuchten Zeitraum bei etwa 197 mg/l zu finden. Ausgehend von einer mittleren CSB-Ablaufkonzentration bei Trockenwetter von 68 mg/l, kann eine mittlere CSB-Eliminationsleistung von 66 % errechnet werden. Wird durch eine Verringerung des Fremdwasseranteils eine Verminderung der Verdünnung des Rohabwassers hervorgerufen, ist mit einer höheren CSB-Ablaufkonzentration zu rechnen, da überschlägig davon auszugehen ist, dass die CSB-Eliminationsleistung der Anlage konstant ist Grunddaten: CSB-Eliminationsleistung: 66 % spez. Trinkwasserbedarf: 134 l/(ew*d) spez. Fracht: 120 g/(ew*d) CSB-Konzentration in mg/l Zielkorridorder Gesetzgebung Fremdwasseranteil in % CSB-Zulaufkonzentration CSB-Ablaufkonzentration CSB-Überwachungswert Abbildung 3-50: Abhängigkeit der CSB-Konzentration vom Fremdwasseranteil der Kläranlage Dirlammen Abbildung 3-50 stellt die grafische Auswertung der CSB-Konzentration in Abhängigkeit des Fremdwasseranteils dar. Deutlich zu erkennen ist, dass bei einem geringeren Fremdwasseranteil von einer höheren CSB-Zulaufkonzentration auszugehen ist. Dies wiederum führt bei einer gleichbleibenden CSB-Eliminationsleistung zu einer höheren mittleren CSB-Ablaufkonzentration, die bei einer Verringerung des Fremdwasseranteils um 10 % bei etwa 79 mg/l zu finden ist. Auf der Kläranlage Dirlammen liegt der Überwachungswert bereits bei 100 mg/l und es ist eine schlechte Reinigungsleistung zu verzeichnen. Demnach ist der kritische Fremdwasseranfall, bei dem die Reinigungsleistung nicht mehr erreicht werden kann, bereits bei 64 % zu finden. Aufgrund dessen ist davon auszugehen, dass die Anlage aktuell beinahe an der Belastungsgrenze betrieben wird und jede weitere Fremdwasserminimierung zu einer höheren Wahrscheinlichkeit einer Grenzwertüberschreitung bei Trockenwetter führt.

69 GKU mbh Beurteilung der Kläranlagen der Gemeinde Lautertal (Vogelsberg) Kläranlage Hopfmannsfeld Beschreibung der Kläranlage Allgemeine Beschreibung Die Kläranlage Hopfmannsfeld wurde im Jahr 1995 erbaut und hat eine Ausbaugröße von 400 EW. Im Jahr 2011 waren 288 Einwohner angeschlossen. Verfahrenstechnisch handelt es sich um eine kombinierte Teichkläranlage. Das zu reinigende Abwasser durchläuft zunächst einen Vorklärteich. Anschließend erfolgt die weitergehende Reinigung in einer Rotationstauchkörperanlage. Auf dem Biofilmreaktor sind die Mikroorganismen angesiedelt, welche die biologische Reinigung des Abwassers durchführen. Der sogenannte biologische Rasen wird während der Abwasserbehandlung durch Rotationsbewegungen der installierten Scheiben periodisch in das Abwasser eingetaucht. In der eingetauchten Phase nehmen die sessilen Mikroorganismen die Abwasserinhaltsstoffe auf und oxidieren diese in der nicht eingetauchten Phase. Anschließend wird das Abwasser in die Nachklärung geleitet und daraufhin in den Schönungsteich, in dem sich der entstehende Überschussschlamm absetzen kann. Zuletzt gelangt das gereinigte Abwasser über den Ablauf in den Vorfluter Abbildung 3-51: Luftbild der Kläranlage Hopfmannsfeld [Google Earth] 1 Betriebsgebäude und Rechenhaus

70 GKU mbh Beurteilung der Kläranlagen der Gemeinde Lautertal (Vogelsberg) 67 2 Vorklärteich 3 Rotationstauchkörperanlage 4 Nachklärbecken 5 Schönungsteich Zustand der Kläranlage Das Betriebsgebäude befindet sich in einem guten Zustand. Allerdings wird angeraten den Rückhalt für Grobstoffe im Vorklärteich zu erneuern. Grobstoffe werden nicht mehr einwandfrei zurückgehalten und das Betreten des Steges ist aus Sicherheitsgründen nicht mehr zu empfehlen. Weiterhin ist zu erwähnen, dass in dem Betriebsgebäude kein Feuerlöscher vorhanden ist und das Erste-Hilfe-Material nur unzureichend (z.b. Augenspülflasche). Gitterrostabdeckungen sind stets geschlossen zu halten, da nur so ein Hineinstürzen vermieden werden kann Temperaturverteilung Tabelle 3-14 und Abbildung 3-52 stellen die Temperaturverteilung des Abwasserzulaufs für die Jahre 2010 bis 2012 dar. Tabelle 3-14: Min- und Maximalwerte der Temperatur im Zulauf zur Kläranlage Parameter Einheit T (Min) C T (Max) C

71 GKU mbh Beurteilung der Kläranlagen der Gemeinde Lautertal (Vogelsberg) Temperatur in C Datum Abwassertemperatur Abwassertemperatur 2-Wochen-Mittel Abbildung 3-52: Temperaturverteilung der Kläranlage Hopfmannsfeld Hydraulische Auswertung Abbildung 3-53 stellt die Unterschreitungshäufigkeit des Gesamtwasserzuflusses und des Gesamtzuflusses bei Trockenwetter (gleitendes Minimum) dar. Abbildung 3-54 zeigt eine graphische Auswertung des Jahresverlaufs der Gesamt- und Trockenwetterzuflüsse sowie den in diesem Zeitraum durchschnittlichen Schmutzwasseranfall. Der Gesamtzufluss der Kläranlage Hopfmannsfeld zeigt im Jahresverlauf eine hohe Schwankungsbreite. Der Medianwert bei Trockenwetter liegt bei 24 m³/d und der Medianwert bei Mischwasser liegt mit einem Wert von 334 m³/d. Der Maximalzufluss liegt für Trockenwetter bei ca. 134 m³/d und für Mischwasser bei 718 m³/d.

72 GKU mbh Beurteilung der Kläranlagen der Gemeinde Lautertal (Vogelsberg) Unterscheitungshäufigkeit in % Durchfluss in m³/d Gesamtdurchfluss Gesamtzufluss bei Trockenwetter Abbildung 3-53: Grafische Darstellung der Perzentilwerte des Zuflusses zur Kläranlage Hopfmannsfeld im Zeitraum von Der in Abbildung 3-54 dargestellte Schmutzwasserzufluss wurde anhand der angeschlossenen Einwohnerzahl von 288 Einwohnern (Stand: 2011) und einem gemittelten jährlichen Frischwassergebrauch der Jahre 2010 bis 2012 von m³/a auf etwa 96 l/(ew*d) abgeschätzt. Nach dem Arbeitsblatt ATV-DVWK-A198 (2003) wird der errechnete Wert von 96 l/(ew*d) mit 0,9 multipliziert, um den täglichen Schmutzwasserabfluss von 86 l/(ew*d) zu erhalten. Nach dem Arbeitsblatt ATV-DVWK-A198 (2003); Formel 8 ergibt sich der zulässige Mischwasserabfluss zur Kläranlage für die untersuchten Betriebsjahre aus Q M = f S,QM Q S,aM + Q F,aM. Der Wert für den Spitzenfaktor f S,QM zur Ermittlung des Mischwasserabflusses auf der Basis des mittleren jährlichen Schmutzwasserabflusses wurde anhand der angeschlossenen Einwohnerwerte nach ATV-DVWK-A198 (2003); Bild 1 auf 9 festgelegt. Somit ergibt sich ein zulässiger täglicher Mischwasserzufluss zur Kläranlage von 225 m³/d.

73 GKU mbh Beurteilung der Kläranlagen der Gemeinde Lautertal (Vogelsberg) 70 Abbildung 3-54: Darstellung der einzelnen Zuflüsse zur Kläranlage Hopfmannsfeld Tabelle 3-15 stellt die gemessenen Gesamtzuflüsse sowie die errechneten Abflüsse zur Bestimmung des zulässigen Mischwasserzuflusses dar. Die täglich zufließende mittlere Abwassermenge Q d,am liegt im Zeitraum 2010 bis 2012 bei etwa 137 m³/d. Tabelle 3-15: Zufluss zur Kläranlage Hopfmannsfeld von Parameter Einheit Gesamtabfluss Q d Ermittlung aus Betriebstagebuch Q d,am m³/d Q d,max m³/d Q d,85% m³/d Trockenwetterabfluss Q T (Ermittlung durch gleitendes Minimum) Q T,d,aM m³/d Q T,d,max m³/d Schmutzwasserabfluss Q S Ermittlung durch Frischwassergebrauch Q S,aM m³/d Fremdwasserabfluss Q F Q F,aM m³/d Mischwasserabfluss Q M Q M m 3 /d

74 GKU mbh Beurteilung der Kläranlagen der Gemeinde Lautertal (Vogelsberg) 71 1 Datengrundlage: Abwassermenge nach Gemeindeangaben 2 f S,QM = 9 nach ATV-DVWK-A 198 (2003), Bild Frachtberechnung Die Berechnung der maßgebenden Fracht erfolgte anhand der Zulaufkonzentrationsmessungen und der zugehörigen täglichen Abwassermenge bei Trockenwetter. Insgesamt wurden 36 Proben im Zeitraum von im Zulauf zur Kläranlage Hopfmannsfeld genommen. Es wurde keine Probe für die Belastungssituation am Wochenende gezogen. Die durchgeführte Beprobung lässt vermuten, dass die Belastungssituation überschätzt werden kann, aber aufgrund des stark kommunal geprägten Abwasserzulaufs wohl eher der realistischen Belastung gleichkommt Anzahl der Probennahmen Montag Dienstag Mittwoch Donnerstag Freitag Samstag Sonntag Abbildung 3-55: Statistische Auswertung der Probenahmetage der KA Hopfmannsfeld Aus den gezogenen Stichproben wurden die Parameter BSB 5, CSB, P ges, NH 4 N ges,anorg und analysiert. Abbildung 3-56 stellt die Unterschreitungshäufigkeit der BSB 5 - und CSB- Fracht bei Trockenwetter dar. Der Medianwert (50 %-Perzentilwert) und der 85 %- Perzentilwert liegen für die tägliche CSB-Fracht bei 17 und 19 kg/d. Für die tägliche BSB 5 - Fracht liegen Medianwert (50 %-Perzentilwert) und 85 %-Perzentilwert bei 11 und 15 kg/d.

75 GKU mbh Beurteilung der Kläranlagen der Gemeinde Lautertal (Vogelsberg) Unterschreitungshäufigkeit bei Trockenwetter in % Fracht in kg/d BSB5 CSB Abbildung 3-56: Grafische Darstellung der Perzentilwerte der BSB 5 - und CSB-Frachten bei Trockenwetter der Kläranlage Hopfmannsfeld im Zeitraum Abbildung 3-57 stellt eine grafische Auswertung der Perzentilwerte aus der Frachtberechnung der Phosphor-, Ammonium- und Stickstoffparameter dar. Die 85 %- Perzentilwerte der täglich zufließenden NH 4 -, und P ges -Frachten betrugen im untersuchten Zeitraum 1,4 und 0,25 kg/d und liegen weit unter der tatsächlich angeschlossenen Einwohnerzahl von etwa 288 EW.

76 GKU mbh Beurteilung der Kläranlagen der Gemeinde Lautertal (Vogelsberg) Unterschreitungshäufigkeit bei Trockenwetter in % ,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6 1,8 2 Fracht in kg/d Pges NH4 Nges,anorg Abbildung 3-57: Grafische Darstellung der Frachtenperzentilwerte der Phosphor-, Ammonium und Stickstofffraktionen bei Trockenwetter der Jahre Tabelle 3-16 stellt weitere Berechnungsergebnisse für Frachten und Konzentrationen im Zulauf zur Kläranlage dar.

77 GKU mbh Beurteilung der Kläranlagen der Gemeinde Lautertal (Vogelsberg) 74 Tabelle 3-16: Frachten im Zulauf zur KA Hopfmannsfeld im Zeitraum von Parameter Einheit Stichprobe Frachtberechnung (85 %-Perzentilwert) bei Trockenwetter (angeschlossener Einwohnergleichwert) B d,csb kg/d 19 (158) B d,bsb5 kg/d 15 (250) B d,nh4-n kg/d 1,4 B d,pges kg/d 0,25 (139) B d,bsb5 / B d,csb - 0,79 B d,csb / B d,nh4-14 B d,csb / B d,pges - 76 Frachtberechnung bei einer Einwohnerzahl von 288 E und einer spezifischer Fracht nach ATV-DVWK-A 131, Tabelle 1 B d,csb kg/d 35 B d,bsb5 kg/d 17 B d,pges kg/d 0, Ablaufqualität Abbildung 3-58 bis Abbildung 3-60 zeigen die Ablaufkonzentrationen wichtiger abwasserrelevanter Parameter. Gleichzeitig sind in den Abbildungen die gesetzlichen Überwachungswerte eingetragen, welche die Kläranlage Hopfmannsfeld zu jeder Zeit einhalten muss. Der Überwachungswert für BSB 5 wurde im gesamter betrachteten Zeitraum vereinzelt überschritten (Maximalkonzentration: 66 mg/l; Überwachungswert: 20 mg/l). Überschreitungen des Überwachungswerts für den Parameter CSB wurden nicht festgestellt. Die ermittelte maximale CSB-Ablaufkonzentration von 69 mg/l unterschritt den Überwachungswert von 80 mg/l. Die BSB 5 - und CSB-Mittelwerte im Ablauf der Kläranlage betrugen im untersuchten Zeitraum 12 und 43 mg/l und liegen dabei unterhalb der Überwachungswerte.

78 GKU mbh Beurteilung der Kläranlagen der Gemeinde Lautertal (Vogelsberg) Ablaufkonzentration in mg/l Datum CSB-Ablaufkonzentration BSB5-Ablaufkonzentration CSB-Überwachungswert BSB5-Überwachungswert Abbildung 3-58: CSB- und BSB 5 -Ablaufkonzentrationen sowie die Überwachungswerte im Verlauf der Jahre der Kläranlage Hopfmannsfeld Bezüglich der analysierten Stickstofffraktionen N ges,anorg und NH 4 wurden im betrachteten Zeitraum erhebliche Überschreitungen des Überwachungswertes gemessen, die bei Abwassertemperaturen von größer als 12 C aufgezeichnet wurden, wobei die Abwassertemperaturen überwiegend unter 12 C lagen. Die N ges,anorg - Maximalablaufkonzentration von 34 mg/l wurde im Februar 2012 aufgezeichnet. Gleichzeitig wurde die Ammoniumablaufkonzentration von 26 mg/l gemessen. Für den Parameter Ammonium wurde eine mittlere Ablaufkonzentration von 4,9 mg/l und für den Parameter N ges,anorg von 16,7 mg/l aufgezeichnet. Da es in den vergangenen Jahren häufig zu Überwachungswertüberschreitungen der Stickstofffraktionen kam, ist Handlungsbedarf gegeben. Die Ablaufkonzentration des Parameters P ges lag im untersuchten Zeitraum vereinzelt oberhalb des Überwachungswertes bzw. konnte dieser generell nur knapp eingehalten werden. Es wurden mittlere- und maximale Ablaufkonzentrationen von 3,8 und 6,9 mg/l bei einem Überwachungswert von 5 mg/l aufgezeichnet. Hier ist eine Ertüchtigung notwendig, um zukünftig ein sicheres Einhalten des Überwachungswertes gewährleisten zu können.

79 GKU mbh Beurteilung der Kläranlagen der Gemeinde Lautertal (Vogelsberg) Ablaufkonzentration in mg/l Datum Nges,anorg-Ablaufkonzentration NH4-Ablaufkonzentration Nges,anorg-Überwachungswert NH4-Überwachungswert Abbildung 3-59: Ausgewählte Stickstoffkonzentrationen im Ablauf der KA Hopfmannsfeld 8 7 Ablaufkonzentration in mg/l Datum Pges-Ablaufkonzentration Pges-Überwachungswert Abbildung 3-60: P ges -Ablaufkonzentrationen und Überwachungswert der KA Hopfmannsfeld

80 GKU mbh Beurteilung der Kläranlagen der Gemeinde Lautertal (Vogelsberg) Kläranlage Eichelhain Beschreibung der Kläranlage Allgemeine Beschreibung Die Kläranlage Eichelhain wurde im Jahr 1990 erbaut und hat eine Ausbaugröße von 300 EW. Im Jahr 2011 waren 241 Einwohner angeschlossen. Die Anlage besteht aus 2 belüfteten Teichen und einem Schönungsteich. Da die Kläranlage keine mechanische Reinigungsstufe besitzt, befindet sich im ersten Teich ein Rückhalt für Grobstoffe und Fette. Das Abwasser durchläuft nacheinander die drei Teiche, bevor es in die Vorflut abgegeben wird Abbildung 3-61: Luftbild der Kläranlage Eichelhain [Google Earth] 1 Betriebsgebäude 2 belüfteter Teich 1 3 belüfteter Teich 2 4 Schönungsteich Zustand der Kläranlage Das Betriebsgebäude befindet sich in einem guten Zustand. Allerdings wird angeraten den Rückhalt für Grobstoffe im ersten Teich zu erneuern. Grobstoffe werden nicht mehr einwandfrei zurückgehalten und das Betreten des Steges ist aus Sicherheitsgründen nicht mehr zu empfehlen. Weiterhin ist zu erwähnen, dass in dem Betriebsgebäude kein Feuerlöscher vorhanden ist und das Erste-Hilfe-Material nur unzureichend (z.b. Augenspülflasche).

81 GKU mbh Beurteilung der Kläranlagen der Gemeinde Lautertal (Vogelsberg) Temperaturverteilung Tabelle 3-17 stellt die Minimal- und Maximaltemperatur des Abwasserzulaufs für die Jahre 2010 bis 2012 dar. Es kann von einem jahreszeitlichen Verlauf gesprochen werden, dessen Minimalwerte auf etwa 3 C in den Wintermonaten abfallen und auf etwa 18 C in den Sommermonaten ansteigen. Tabelle 3-17: Min- und Maximalwerte des Zuflusses zur Kläranlage Eichelhain Parameter Einheit T (Min) C T (Max) C Temperatur in C Datum Abwassertemperatur Abwassertemperatur 2-Wochen-Mittel Abbildung 3-62: Temperaturverteilung der Kläranlage Eichelhain Hydraulische Auswertung Abbildung 3-63 stellt die Unterschreitungshäufigkeit des Gesamtwasserzuflusses und des Gesamtzuflusses bei Trockenwetter (gleitendes Minimum) dar. Abbildung 3-64 zeigt eine graphische Auswertung des Jahresverlaufs der Gesamt- und Trockenwetterzuflüsse sowie den in diesem Zeitraum durchschnittlichen Schmutzwasseranfall. Der Gesamtzufluss der Kläranlage Eichelhain zeigt im Jahresverlauf eine hohe Schwankungsbreite. Der Medianwert bei Trockenwetter liegt bei 50,5 m³/d, der

82 GKU mbh Beurteilung der Kläranlagen der Gemeinde Lautertal (Vogelsberg) 79 Medianwert bei Mischwasser hingegen bei einem Wert von 669 m³/d. Der Maximalzufluss liegt für Trockenwetter bei etwa 897 m³/d und für Mischwasser bei m³/d Unterscheitungshäufigkeit in % Durchfluss in m³/d Gesamtdurchfluss Gesamtzufluss bei Trockenwetter Abbildung 3-63: Grafische Darstellung der Perzentilwerte des Zuflusses zur Kläranlage Eichelhain im Zeitraum Der in Abbildung 3-64 dargestellte Schmutzwasserzufluss wurde anhand der angeschlossenen Einwohnerzahl von 241 Einwohnern (Stand: 2011) und einem gemittelten jährlichen Frischwassergebrauch der Jahre 2010 bis 2012 von m³/a auf etwa 98 l/(ew*d) abgeschätzt. Nach dem Arbeitsblatt ATV-DVWK-A198 (2003) wird der errechnete Wert von 98 l/(ew*d) mit 0,9 multipliziert, um den täglichen Schmutzwasserabfluss von 88 l/(ew*d) zu erhalten. Nach dem Arbeitsblatt ATV-DVWK-A198 (2003); Formel 8 ergibt sich der zulässige Mischwasserabfluss zur Kläranlage für die untersuchten Betriebsjahre aus Q M = f S,QM Q S,aM + Q F,aM. Der Wert für den Spitzenfaktor f S,QM zur Ermittlung des Mischwasserabflusses auf der Basis des mittleren jährlichen Schmutzwasserabflusses wurde anhand der angeschlossenen Einwohnerwerte nach ATV-DVWK-A198 (2003); Bild 1 auf 9 festgelegt. Somit ergibt sich ein zulässiger täglicher Mischwasserzufluss zur Kläranlage von 410 m³/d.

83 GKU mbh Beurteilung der Kläranlagen der Gemeinde Lautertal (Vogelsberg) Wassermenge in m³/d Datum Gesamtzufluss Zufluss bei Trockenwetter (gleitendes Minimum) Schmutzwasser Abbildung 3-64: Darstellung der einzelnen Zuflüsse zur Kläranlage Eichelhain Tabelle 3-18 stellt die gemessenen Gesamtzuflüsse sowie die errechneten Abflüsse zur Bestimmung des zulässigen Mischwasserzuflusses dar. Die täglich zufließende mittlere Abwassermenge Q d,am liegt im Zeitraum 2010 bis 2012 bei etwa 414 m³/d. Tabelle 3-18: Zufluss zur Kläranlage Eichelhain von Parameter Einheit Gesamtabfluss Q d Ermittlung aus Betriebstagebuch Q d,am m³/d Q d,max m³/d Q d,85% m³/d Trockenwetterabfluss Q T (Ermittlung durch gleitendes Minimum) Q T,d,aM m³/d Q T,d,max m³/d Schmutzwasserabfluss Q S Ermittlung durch Frischwassergebrauch Q S,aM m³/d Fremdwasserabfluss Q F Q F,aM m³/d Mischwasserabfluss Q M Q M m 3 /d

84 GKU mbh Beurteilung der Kläranlagen der Gemeinde Lautertal (Vogelsberg) 81 1 Datengrundlage: Abwassermenge nach Gemeindeangaben 2 f S,QM = 9 nach ATV-DVWK-A 198 (2003), Bild Frachtberechnung Die Berechnung der maßgebenden Fracht erfolgte anhand der Zulaufkonzentrationsmessungen und der zugehörigen täglichen Abwassermenge bei Trockenwetter. Insgesamt wurden 36 Proben im Zeitraum von im Zulauf zur Kläranlage Hopfmannsfeld genommen. Es wurde keine Probe für die Belastungssituation am Wochenende gezogen. Die durchgeführte Beprobung lässt vermuten, dass die Belastungssituation überschätzt werden kann, aber aufgrund des stark kommunal geprägten Abwasserzulaufs wohl eher der realistischen Belastung gleichkommt Anzahl der Probennahmen Montag Dienstag Mittwoch Donnerstag Freitag Samstag Sonntag Abbildung 3-65: Statistische Auswertung der Probenahmetage der KA Eichelhain Aus den gezogenen Stichproben wurden die Parameter BSB 5, CSB, P ges, NH 4 und N ges, anorg analysiert. Abbildung 3-66 stellt die Unterschreitungshäufigkeit der BSB 5 - und CSB- Fracht bei Trockenwetter dar. Der Medianwert (50 %-Perzentilwert) und der 85 %- Perzentilwert liegen für die tägliche CSB-Fracht bei 24 und 32 kg/d. Für die tägliche BSB 5 - Fracht liegen Medianwert (50 %-Perzentilwert) und 85 %-Perzentilwert bei 13,5 und 15 kg/d.

85 GKU mbh Beurteilung der Kläranlagen der Gemeinde Lautertal (Vogelsberg) Unterschreitungshäufigkeit bei Trockenwetter in % Fracht in kg/d BSB5 CSB Abbildung 3-66: Grafische Darstellung der Perzentilwerte der BSB 5 - und CSB-Frachten bei Trockenwetter der Kläranlage Eichelhain im Zeitraum Abbildung 3-67 stellt eine grafische Auswertung der Perzentilwerte aus der Frachtberechnung der Phosphor-, Ammonium- und Stickstoffparameter dar. Die 85 %- Perzentilwerte der täglich zufließenden NH 4 -, und P ges -Frachten betrugen im untersuchten Zeitraum 3,3 und 0,68 kg/d und spiegeln annähernd die tatsächlich angeschlossenen Einwohnerzahl von etwa 241 EW wider.

86 GKU mbh Beurteilung der Kläranlagen der Gemeinde Lautertal (Vogelsberg) Unterschreitungshäufigkeit bei Trockenwetter in % ,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 Fracht in kg/d Pges NH4 Nges,anorg Abbildung 3-67: Grafische Darstellung der Frachtenperzentilwerte der Phosphor-, Ammonium und Stickstofffraktionen bei Trockenwetter der Jahre Tabelle 3-19 stellt weitere Berechnungsergebnisse für Frachten und Konzentrationen im Zulauf zur Kläranlage dar.

87 GKU mbh Beurteilung der Kläranlagen der Gemeinde Lautertal (Vogelsberg) 84 Tabelle 3-19: Frachten im Zulauf zur KA Eichelhain im Zeitraum von Parameter Einheit Stichprobe Frachtberechnung (85 %-Perzentilwert) bei Trockenwetter (angeschlossener Einwohnergleichwert) B d,csb kg/d 32 (267) B d,bsb5 kg/d 15 (250) B d,nh4-n kg/d 3,3 B d,pges kg/d 0,68 (378) B d,bsb5 / B d,csb - 0,47 B d,csb / B d,nh4-9,7 B d,csb / B d,pges - 47 Frachtberechnung bei einer Einwohnerzahl von 241 E und einer spezifischer Fracht nach ATV-DVWK-A 131, Tabelle 1 B d,csb kg/d 29 B d,bsb5 kg/d 14,5 B d,pges kg/d 0, Ablaufqualität Abbildung 3-68 bis Abbildung 3-70 zeigen die Ablaufkonzentrationen wichtiger abwasserrelevanter Parameter. Gleichzeitig sind in den Abbildungen die gesetzlichen Überwachungswerte eingetragen, welche die Kläranlage Eichelhain zu jeder Zeit einhalten muss. Der Überwachungswert für BSB 5 wurde im gesamten betrachteten Zeitraum einmal überschritten (Maximalkonzentration: 30 mg/l; Überwachungswert: 25 mg/l). Überschreitungen des Überwachungswerts für den Parameter CSB wurde ebenfalls festgestellt. Die dabei ermittelte maximale CSB-Ablaufkonzentration von 73 mg/l überschritt den Überwachungswert von 60 mg/l deutlich. Die BSB 5 - und CSB-Mittelwerte im Ablauf der Kläranlage betrugen im untersuchten Zeitraum 11,8 und 31,8 mg/l und liegen deutlich unterhalb der Überwachungswerte.

88 GKU mbh Beurteilung der Kläranlagen der Gemeinde Lautertal (Vogelsberg) Ablaufkonzentration in mg/l Datum CSB-Ablaufkonzentration BSB5-Ablaufkonzentration CSB-Überwachungswert BSB5-Überwachungswert Abbildung 3-68: CSB- und BSB 5 -Ablaufkonzentrationen sowie die Überwachungswerte im Verlauf der Jahre der Kläranlage Eichelhain Bezüglich der analysierten Stickstofffraktionen N ges,anorg und NH 4 wurde eine Überschreitung des Überwachungswertes gemessen, die bei Abwassertemperaturen von größer als 12 C aufgezeichnet wurde. Die N ges,anorg -Maximalablaufkonzentration von 17,5 mg/l wurde im Herbst 2012 aufgezeichnet. Gleichzeitig wurde die Ammoniumablaufkonzentration von 17,2 mg/l gemessen. Für den Parameter Ammonium wurde eine mittlere Ablaufkonzentration von 6,6 mg/l und für den Parameter N ges,anorg von 7,4 mg/l aufgezeichnet. In dem betrachteten Zeitraum kam es sonst zu keinen Überwachungswertüberschreitungen der Stickstofffraktionen. Die Ablaufkonzentration des Parameters P ges lag im untersuchten Zeitraum stets unterhalb des Überwachungswertes. Es wurden mittlere- und maximale Ablaufkonzentrationen von 1,3 und 2,75 mg/l bei einem Überwachungswert von 3 mg/l aufgezeichnet.

89 GKU mbh Beurteilung der Kläranlagen der Gemeinde Lautertal (Vogelsberg) Ablaufkonzentration in mg/l Datum Nges,anorg-Ablaufkonzentration NH4-Ablaufkonzentration Nges,anorg-Überwachungswert Abbildung 3-69: Ausgewählte Stickstoffkonzentrationen im Ablauf der KA Eichelhain 3,5 3 Ablaufkonzentration in mg/l 2,5 2 1,5 1 0, Datum Pges-Ablaufkonzentration Pges-Überwachungswert Abbildung 3-70: P ges -Ablaufkonzentrationen und Überwachungswert der KA Eichelhain

90 GKU mbh Beurteilung der Kläranlagen der Gemeinde Lautertal (Vogelsberg) Einfluss des Fremdwassers auf die Ablaufqualität Aktuell liegt der Fremdwasseranteil der Kläranlage Eichelhain bei etwa 91 %. Dies führt unter anderem zu einer erheblichen Verdünnung des Abwasserzulaufs. Die mittlere CSB- Zulaufkonzentration bei Trockenwetter ist im untersuchten Zeitraum bei etwa 152 mg/l zu finden. Ausgehend von einer mittleren CSB-Ablaufkonzentration bei Trockenwetter von 37 mg/l, kann eine mittlere CSB-Eliminationsleistung von 76 % errechnet werden. Wird durch eine Verringerung des Fremdwasseranteils eine Verminderung der Verdünnung des Rohabwassers hervorgerufen, ist mit einer höheren CSB-Ablaufkonzentration zu rechnen, da überschlägig davon auszugehen ist, dass die CSB-Eliminationsleistung der Anlage konstant ist Grunddaten: CSB-Eliminationsleistung: 76 % spez. Trinkwasserbedarf: 98 l/(ew*d) spez. Fracht: 120 g/(ew*d) CSB-Konzentration in mg/l Zielkorridor der Gesetzgebung Fremdwasseranteil in % CSB-Zulaufkonzentration CSB-Ablaufkonzentration CSB-Überwachungswert Abbildung 3-71: Abhängigkeit der CSB-Konzentration vom Fremdwasseranteil der Kläranlage Eichelhain Abbildung 3-71 stellt die grafische Auswertung der CSB-Konzentration in Abhängigkeit des Fremdwasseranteils dar. Deutlich zu erkennen ist, dass bei einem geringeren Fremdwasseranteil von einer höheren CSB-Zulaufkonzentration auszugehen ist. Dies wiederum führt bei einer gleichbleibenden CSB-Eliminationsleistung zu einer höheren mittleren CSB-Ablaufkonzentration. Die Kläranlage Eichelhain wird anscheinend bereits an der Belastungsgrenze betrieben, da bei einem Überwachungswert von 60 mg/l der kritische Fremdwasseranfall, bei dem die Reinigungsleistung nicht mehr erreicht werden kann, bereits bei 83 % zu finden ist. Jede weitere Fremdwasserminimierung führt zu einer höheren Wahrscheinlichkeit einer Grenzwertüberschreitung bei Trockenwetter.

91 GKU mbh Beurteilung der energetischen IST-Situation 88 4 Beurteilung der energetischen IST-Situation 4.1 Potenzialanalyse Der Bedarf an elektrischer Energie aller Kläranlagen der Gemeinde Lautertal ist zusammenfassend in Tabelle 4-1 dargestellt. Im betrachteten Zeitraum der Jahre 2010 bis 2012 wurde ein mittlerer tatsächlicher elektrischer Energiebedarf aller Kläranlagen von kwh/a aufgezeichnet. Durch den Vergleich mit den im Arbeitsblatt DWA-A 216 ermittelten Zielwerten ergeben sich theoretische prozentuale Einsparpotenziale einzelner Kläranlagen zwischen 2 und 60 %. Insgesamt könnte eine el. Energieeinsparung bei Betrachtung aller Kläranlagen von kwh/a erreicht werden, was monetär ausgedrückt eine Kosteneinsparung von etwa /a (el. Energiepreis = 0,2 /kwh) ergibt. Die in Tabelle 4-1 dargestellten theoretischen Einsparpotenziale sind sehr stark von den jeweiligen Randbedingungen einer Kläranlage abhängig und können nicht immer definitiv erzielt werden. Wie die Verteilung des el. Energiebedarfs in Abhängigkeit von der Größenklasse einer Kläranlage verteilt ist, wird zudem in Tabelle 4-1 grafisch dargestellt. Tabelle 4-1: Übersicht des elektrischen- und spezifischen Energiebedarfs Parameter Einheit Eichenrod Engelrod Meiches Dirlammen Hopfmannsfeld Eichelhain Elektrischer Energiebedarf (Mittel ) kwh/a Einwohnerzahl (2011) E Ausbaugröße EW Größenklasse CSB-Fracht kg/d Einwohnerwert nach CSB-Fracht Einwohnerwert nach CSB-Fracht für die weitere Berechnung Spezifischer Energiebedarf EW EW kwh/(ew*a) Toleranzwerte 2 kwh/(ew*a) Zielwerte 2 kwh/(ew*a) Einsparung zum Zielwert %

92 GKU mbh Beurteilung der energetischen IST-Situation 89 Einsparung zum Zielwert Einsparung zum Zielwert kwh/a /a Einwohner aus Eichenrod, 257 Einwohner aus Hörgenau 2 nach Baumann und Roth (2008) 3 Der spez. Energiebedarf liegt bereits unter dem Zielwert, weswegen theoretisch kein Einsparpotenzial gegeben ist. Abbildung 4-1: Spezifischer Gesamtstromverbrauch e ges [kwh/(e*a)] von Kläranlagen differenziert nach Größenklassen (Arbeitsblatt DWA-A 216) 4.2 Energieanalyse Um die Ansatzpunkte auf den Kläranlagen zur Senkung des elektrischen Energiebedarfs zu eruieren, wurden im Rahmen der Energieeffizienzanalyse Strommessungen im laufenden Betrieb der Kläranlagen eines einzelnen Aggregates oder auch einer Gruppe durchgeführt, um die Verbraucher mit einem hohen jährlichen Energiebedarf zu identifizieren. Insgesamt wurde so ein jährlicher elektrischer Energiebedarf von kwh/a ermittelt. Tabelle 4-2 bis Tabelle 4-7 zeigen die Ergebnisse der Strommessungen aller Kläranlagen der Gemeinde Lautertal auf. Nach dem Arbeitsblatt ATV-A 216 wurde für die Ermittlung der CO 2 -Emissionen ein Wert von 565 g CO 2 /kwh angegeben, der auch für die Berechnung in den folgenden Tabellen verwendet wurde. Kläranlage Eichenrod Die Ergebnisse der Strommessung der Aggregate der Kläranlage Eichenrod sind in Tabelle 4-2 zusammenfassend dargestellt. Mit Hilfe der Energiebilanz wurde ein jährlicher

93 GKU mbh Beurteilung der energetischen IST-Situation 90 elektrischer Energiebedarf von kwh/a ermittelt und weist bereits Einsparungen im Vergleich zu den vergangenen drei Jahren auf. Ein Großteil des el. Gesamtenergiebedarfs der Kläranlage ist auf die Gebläse zurück zu führen. Bei einem el. Energiebedarf von kwh/a ergibt sich ein spezifischer el. Energiebedarf von 32 kwh/(ew*a). Nach Angabe von Baumann und Roth (2008) wird ein spezifischer el. Energiebedarf für die Belüftung von 12 kwh/(ew*a) angenommen. Somit ergibt sich eine Einsparung von 20 kwh/(ew*a). Hochgerechnet ist somit ein Einsparpotenzial von kwh/a bzw. 61 % gegeben. Durch den Einsatz einer Plattenbelüftung mit Impulsbelüftung kann die Einsparung realisiert werden. Beim Einsatz einer Plattenbelüftung mit Impulsbelüftung kann außerdem der Einsatz des Rührwerkes entfallen. Das heißt, dass zusätzlich kwh/a eingespart werden können. Das Rührwerk im Belebungsbecken hat eine el. Energieaufnahme von kwh/a bei einer durchschnittlichen Leistungsaufnahme von W und einem Beckenvolumen von 245 m³. Dies ergibt einen spezifischen Wert von 11,4 W/m³, welcher bezüglich der Angabe von Baumann und Roth (2008) von 4 2,5 W/m³ deutlich erhöht ist. Somit ist ein Einsparpotenzial von 7,4 W/m³ gegeben, was einer jährlichen Einsparung von kwh/a entspricht. Das Rücklaufschlammpumpwerk besteht aus Pumpe 1 und 2 und hat eine el. Energieaufnahme von etwa kwh/a. Aufgrund der fehlenden Durchflussmessung in der Rücklaufschlammleitung kann an dieser Stelle keine Bilanzierung erstellt werden. Durch eine bedarfsgerechte Regelung und Erneuerung der Pumpe kann von einer Energieersparnis von mindestens 30 % ausgegangen werden. Damit könnten jährlich kwh/a eingespart werden. Zu Beginn der Studie wurde das Sandfanggebläse aufgrund eines defekten Laufrades erneuert. Die Stromaufnahme ergab eine el. Energieaufnahme von kwh/a bei einer Leistungsaufnahme von W und einer Laufzeit von etwa h/a. Der Zielwert nach DWA (2013) liegt bei 8 12 W/m³ (10 W/m³ zur weiteren Berechnung). Somit könnte mit dem derzeitigen Seitenkanalverdichter ein Sandfangvolumen von 135 m³ belüftet werden. Tatsächlich hat der Sandfang ein Volumen von etwa 10 m³. Demnach ist der Seitenkanalverdichter deutlich überdimensioniert. Es ist eine Energieeinsparung von bis zu kwh/a möglich. Das Rührwerk im Regenüberlaufbecken hat eine el. Energieaufnahme von etwa kwh/a bei einer durchschnittlichen Leistungsaufnahme von W und einem Beckenvolumen von 400 m³. Dies ergibt einen spezifischen Wert von 3,3 W/m³, welcher bezüglich der Angabe von Baumann und Roth (2008) von 4 2,5 W/m³ beinahe optimal ist. Somit ist diesbezüglich kein Einsparpotenzial gegeben.

94 GKU mbh Beurteilung der energetischen IST-Situation 91 Tabelle 4-2: Ergebnisse der Strommessung der Aggregate von Eichenrod Messung Laufzeit Berechnung Aggregat I 1 [A] I 2 [A] I 3 [A] t [h/a] Ermittlung P [W] W [kwh/a] Kosten [ ] Emissionen [kg CO2/a] Siebschnecke 1,9 1,8 1,8 500 A Sandfangpumpe 4,7 4,8 4,8 23 B Sandfanggebläse 2,6 2,5 2, A Rührwerk Belebungsbecken 5,4 5,4 5, A Gebläse 1 8,7 8,8 8, A Gebläse 2 (FU) 6,4 6,5 6, A Rücklaufschlammpumpe 1 Rücklaufschlammpumpe 2 2,3 2,4 2, B ,2 2,2 2, B Ventilator Gebläse 1 0, A Ventilator Gebläse 2 0, A Überschussschlammpu mpe Rührwerk Schlammspeicher Kompressor Differenzdruckmesser 4,3 3,9 3,8 108 B A S Bedien-Panell SPS 0, S Auslesegerät Schaltschrank Rührwerk Regenrückhaltebecken 0, S A Summe B = Betriebsstunden aus Betriebstagebuch A = Annahme S = Systemvorgabe Kläranlage Engelrod Tabelle 4-3 zeigt die Ergebnisse der Strommessungen der Aggregate der Kläranlage Engelrod. Es konnte ein el. Gesamtenergiebedarf von kwh/a ermittelt werden, der beinahe dem el. Energiebedarf von kwh/a im Jahr 2012 entspricht. Vergleicht man allerdings diese mit den Jahren 2010 ( kwh/a) und 2011 ( kwh/a), so lassen sich Abweichungen von 19 bis 48 % feststellen. Die hohen Unterschiede des el.

95 GKU mbh Beurteilung der energetischen IST-Situation 92 Energiebedarfs bezüglich der vergangenen drei Jahre und der ermittelten Werte, sind auf die stark schwankenden Laufzeiten der Gebläse zurück zu führen. Beinahe der gesamte Anteil des Energiebedarfs der Kläranlage ist auf die Gebläse zurück zu führen. Bei einem el. Energiebedarf von kwh/a ergibt sich ein spezifischer el. Energiebedarf von 34 kwh/(ew*a). Nach Angabe von Baumann und Roth (2008) wird ein spezifischer el. Energiebedarf für die Belüftung von 12 kwh/(ew*a) angenommen. Somit ergibt sich eine Einsparung von 22 kwh/(ew*a). Hochgerechnet ist somit ein Einsparpotenzial von kwh/a bzw. 65 % gegeben. Diese Einsparung kann durch den Einsatz von Platten- bzw. Tellerbelüftern erreicht werden. Tabelle 4-3: Ergebnisse der Strommessung der Aggregate von Engelrod Messung Laufzeit Berechnung Aggregat I 1 [A] I 2 [A] I 3 [A] t [h/a] Ermittlung P [W] W [kwh/a] Kosten [ ] Emissionen [kg CO2/a] Verdichter 1 6,0 5,8 5, B Verdichter 2 5,8 5,7 5, B Bedien-Panell SPS 0, S Summe Kläranlage Meiches Die Ergebnisse der Strommessung der Kläranlage Meiches sind in Tabelle 4-4 dargestellt. Der errechnete el. Gesamtenergiebedarf liegt mit insgesamt kwh/a etwa 5 % oberhalb des abgerechneten mittleren el. Energiebedarfs der Jahre 2010 bis 2012 von kwh/a. Zur Reduzierung des el. Energiebedarfs, der derzeit bei kwh/a liegt, kann man an den Scheibentauchkörpern Frequenzumformer anbringen. Dies wird bereits auf der Kläranlage Hopfmannsfeld angewandt und führte zu Einsparungen von etwa 10 %. Abbildung 4-2 zeigt die Leistungsaufnahme des Scheibentauchkörpers in Hopfmannsfeld. Die verminderte Leistung, die sich durch die Reduzierung der Herzzahl des Frequenzumformers ergibt, ist deutlich zu erkennen. Bezogen auf die Kläranlage Meiches werden die Einsparungen auf bis kwh/a geschätzt. Da für eine genaue Bilanzierung des el. Energiebedarfs der Rücklaufschlammpumpe die Wassermengen fehlen, wird bei einer bedarfsgerechten Regelung und Erneuerung der Pumpe von einer Energieersparnis von ca. 30 % ausgegangen. Somit könnte sich eine jährliche Einsparung des el. Energiebedarfs von etwa 609 kwh/a ergeben.

96 GKU mbh Beurteilung der energetischen IST-Situation Leistungsaufnahme in W Herzzahl des Frequenzumformers in Hz Leistungsaufnahme Scheibentauchkörper Abbildung 4-2: Leistungsaufnahme des Scheibentauchkörpers der Kläranlage Hopfmannsfeld Tabelle 4-4: Ergebnisse der Strommessung der Aggregate von Meiches Messung Laufzeit Berechnung Aggregat I 1 [A] I 2 [A] I 3 [A] t [h/a] Ermittlung P [W] W [kwh/a] Kosten [ ] Emissionen [kg CO2/a] Scheibentauchkörper 1 3,7 3,7 3, B Scheibentauchkörper 2 1,9 2,0 1, B Rücklaufschlammpumpe 6,6 6,6 6,6 592 B Summe Kläranlage Dirlammen Ausgehend von den gemessenen Werten nach Tabelle 4-5 wurde ein el. Energiebedarf von kwh/a ermittelt, dessen größter Anteil auf die beiden Verdichter mit kwh/a fällt. Der Mittlere el. Energiebedarf der vergangenen drei Jahre lag bei kwh/a, wobei kein gleichmäßiger Bedarf über die letzten drei Jahre festzustellen ist. Auch hier ist beinahe der gesamte Anteil des Energiebedarfs der Kläranlage ist auf die Gebläse zurück zu führen. Bei einem el. Energiebedarf von kwh/a ergibt sich ein spezifischer el. Energiebedarf von 20 kwh/(ew*a). Nach Angabe von Baumann und Roth

97 GKU mbh Beurteilung der energetischen IST-Situation 94 (2008) wird ein spezifischer el. Energiebedarf für die Belüftung von 12 kwh/(ew*a) angenommen. Somit ergibt sich eine Einsparung von 8 kwh/(ew*a). Hochgerechnet ist somit ein Einsparpotenzial von kwh/a bzw. 41 % gegeben. Diese Einsparung kann durch den Einsatz neuer Gebläse erreicht werden. Tabelle 4-5: Ergebnisse der Strommessung der Aggregate von Dirlammen Messung Laufzeit Berechnung Aggregat I 1 [A] I 2 [A] I 3 [A] t [h/a] Ermittlung P [W] W [kwh/a] Kosten [ ] Emissionen [kg CO2/a] Verdichter 1 2,9 2,9 2, B Verdichter 2 2,8 2,7 2, B Heizung A Summe Kläranlage Hopfmannsfeld Die Ergebnisse der Strommessungen auf der Kläranlage Hopfmannsfeld ergaben eine bilanzierte Gesamtenergieaufnahme von kwh/a (vgl. Tabelle 4-6). Betrachtet man zudem die vergangenen drei Jahre, ist eine kontinuierliche Abnahme des el. Energiebedarfs festzustellen. Dies ist auf den bereits vorhanden Frequenzumformer am Scheibentauchkörper zurückzuführen. Der Scheibentauchkörper läuft in den Wintermonaten stets auf verminderter Leistung, was eine Reduzierung des el. Energiebedarf um etwa 900 kwh/a ausmacht. Tabelle 4-6: Ergebnisse der Strommessung der Aggregate von Hopfmannsfeld Messung Laufzeit Berechnung Aggregat I 1 [A] I 2 [A] I 3 [A] t [h/a] Ermittlung P [W] W [kwh/a] Kosten [ ] Emissionen [kg CO2/a] Scheibentauchkörper bei 35 Hz Scheibentauchkörper bei 50 Hz 1,5 1,3 1, A ,2 2,1 2, A Rechen 1,6 1,6 1,6 61 A Presse Rechengut 2,2 2,1 2,2 61 A Rücklaufschlammpumpe 5,1 5,0 5,0 283 B

98 GKU mbh Beurteilung der energetischen IST-Situation 95 Heizung A Summe Kläranlage Eichelhain Die Kläranlage Eichelhain wurde hinsichtlich ihrer Stromaufnahme untersucht, dessen Ergebnisse in Tabelle 4-7 dargestellt sind. Die gemessene und bilanzierte el. Energieaufnahme von kwh/a weicht stark von der tatsächlichen el. Energieaufnahme von 2012 mit kwh/a und von 2010 und 2011 mit einer mittleren el. Energieaufnahme von kwh/a ab. Ähnlich zur Kläranlage Dirlammen fällt hier der größte Anteil am el. Gesamtenergiebedarf auf die Gebläse. Bei einem el. Energiebedarf von kwh/a ergibt sich ein spezifischer el. Energiebedarf von 15 kwh/(ew*a). Nach Angabe von Baumann und Roth (2008) wird ein spezifischer el. Energiebedarf für die Belüftung von 12 kwh/(ew*a) angenommen. Somit ergibt sich eine Einsparung von 3 kwh/(ew*a). Hochgerechnet ist somit ein Einsparpotenzial von 900 kwh/a bzw. 20 % gegeben. Diese Einsparung kann durch den Austausch der alten Motoren durch neue, effizientere Motoren an den Oberflächenbelüftern erreicht werden. Tabelle 4-7: Ergebnisse der Strommessung der Aggregate von Eichelhain Messung Laufzeit Berechnung Aggregat I 1 [A] I 2 [A] I 3 [A] t [h/a] Ermittlung P [W] W [kwh/a] Kosten [ ] Emissionen [kg CO2/a] Gebläse 1 2,5 2,5 2, B Gebläse 2 2,8 2,7 2, B Summe

99 GKU mbh Maßnahmenkatalog und Wirtschaftlichkeitsbetrachtung 96 5 Maßnahmenkatalog und Wirtschaftlichkeitsbetrachtung 5.1 Einführung Die Durchführung einer Kostenvergleichsrechnung evaluiert die Wirtschaftlichkeit einer Maßnahme und lässt den wirtschaftlichen Vergleich verschiedener Maßnahmen untereinander zu. In der Praxis werden generell nur Maßnahmen realisiert, wenn sie sich wirtschaftlich darstellen lassen. Dabei werden die aufzubringenden Investitionskosten sowie die anfallenden Betriebskosten eruiert und mittels finanzmathematischen Hilfsmitteln ausgewertet. Die Beurteilung der Wirtschaftlichkeit wird anhand der Leitlinien zur Durchführung dynamischer Kostenvergleichsrechnungen nach LAWA (2005) durchgeführt. Die Annahmen, die in der vorliegenden Studie für alle Berechnungen getroffen wurden sowie die berechneten jährlichen Kapitalkosten, sind in Tabelle 5-1 dargestellt. Tabelle 5-1: Verwendeter Zinssatz und Nutzungsdauer diverser Bauteile Parameter Einheit Wert Zinssatz % 3 Nutzungsdauer Bauwerk a 25 Sandfanggebläse a 10 Belüfterelemente a 10 Rücklaufschlammpumpen a 10 Drehkolbengebläse a 10 Rechenanlage a 10 MSR-Technik a 10 Photovoltaik a 20 Die Investitionskosten werden in der vorliegenden Studie mittels des Kapitalwiedergewinnungsfaktors (auch Annuitätenfaktor) KFAKR auf Jahreskapitalkosten berechnet. Formel 5-1 gibt dazu Hinweise. KFAKR ( i; n) n i (1 i) n (1 i) 1 Formel 5-1 mit: i = Zinssatz n = Nutzungsdauer

100 GKU mbh Maßnahmenkatalog und Wirtschaftlichkeitsbetrachtung 97 Neben den abzuschreibenden Investitionskosten müssen auch die Betriebskosten ermittelt werden. Diese setzen sich aus möglichen elektrischen Energiekosten, Betriebsmittelkosten oder auch Wartungskosten der Aggregate zusammen. Die jährlich umgerechneten Investitionskosten und die anfallenden Betriebskosten werden im Anschluss mit dem monetären Nutzen ins Verhältnis gesetzt, um die Wirtschaftlichkeit überschlägig darstellen zu können. Sofern das Kosten-Nutzen-Verhältnis einer Maßnahme kleiner als 1 ist, kann von einer wirtschaftlichen Maßnahme gesprochen werden. Bei Verhältnissen von größer als 1 wird die Maßnahme als unwirtschaftlich deklariert und ist nur bei besonderem Interesse realisierbar. Ferner wird in dieser Studie die folgende Deklaration der Maßnahmen und die entsprechende Farbgebung verwendet: Verhältnis < 0,3 Verhältnis 0,3 < x < 0,7 Verhältnis 0,7 < x < 1 Verhältnis > 1 Sofortmaßnahmen (S) Kurzfristige Maßnahmen (K) Langfristige Maßnahmen (L) Abhängige Maßnahmen (A) 5.2 Kläranlage Eichenrod Einsatz einer flächigen Belüftung im Belebungsbecken mit Impulsbelüftung Die Installation von Plattenbelüftern im gesamten Belebungsbecken bringt ein hohes Einsparpotenzial mit sich. Durch die großflächige Belüftung mit Impulsbelüftung sind keine Rührwerke mehr notwendig. Die Dimensionierung der neuen Belüftung und Gebläse erfolgt anhand des Medianwertes der zufließenden BSB 5 -Fracht. Das Belebungsbecken ist 3,50 m tief. Gefordert wird ein spezifischer Sauerstoffeintrag in Reinwasser von 25 go 2 /(Nm³*m ET ) was für einen sehr effizienten Sauerstoffeintrag und einem geringen Druckverlust durch eine geringe Belüfterbeaufschlagung sorgen soll. Die Auslegung ist in der folgenden Tabelle dargestellt: Tabelle 5-2: Auslegung der Belüftung für die Kläranlage Eichenrod Parameter Einheit Wert BSB 5 in BB kg/d 60 Umrechnungsfaktor 2,5 kg O 2 / 1 kg BSB 5 Alpha-Wert - 0,65 Belüftungsdauer h/d 16 Stündlicher Sauerstoffverbrauch (OV_h) kgo 2 /h 14,42 1 Einblastiefe m ET 3,50 Spezifische Sauerstoffausnutzung in Reinwasser go 2 /(Nm³*m ET ) 25 spez. O 2 -Eintrag in Reinwasser go 2 /Nm³ 87,5

101 GKU mbh Maßnahmenkatalog und Wirtschaftlichkeitsbetrachtung 98 erforderliche Luftmenge gesamt Nm³/h 164,8 erforderliche Luftmenge gesamt Nm³/min 2,75 Mindestens aufzubringender Gebläsedruck bar 0,43 2 Kupplungsleistung aller Gebläse kw 2,95 3 Betriebsstunden der Gebläse h/a el. Energiebedarf der Gebläse kwh/a =, [ ], [ ] 2 Gebläsedruck min = Durckverlust durch die Wasserstandshöhe (hier: 0,35 bar) + Druckverlust der Platten (hier: 0,03 bar) + Rohreibungsverluste (hier: 0,05 bar) 3 Auslegung nach KAESER Kompressoren 4 Unter der Annahme von 10 % Verlust durch die Motorleistung Anhand der Berechnungen ergibt sich ein jährlicher Energiebedarf bei Einsatz einer neuen dimensionierten Druckbelüftung und Gebläsen von kwh/a. Der derzeitige Energiebedarf der Gebläse 1 und 2 liegt insgesamt bei kwh/a. Dadurch ergibt sich eine Einsparung von kwh/a, was monetär 812 /a entspricht. Dadurch, dass durch die Impulsbelüftung der Betrieb des Rührwerks entfällt, werden dadurch zusätzlich kwh/a eingespart. Insgesamt können durch die Maßnahme kwh/a eingespart werden. Die Maßnahme ist aufgrund des Kosten/Nutzen-Faktors als eine kurzfristige Maßnahme einzustufen. Position Menge Einheit Spez. Kosten (brutto) Kosten Kosten der Maßnahme Membran-Plattenbelüfter (EPDM) nach Angebot inkl. Bodenmontage für 2 Becken 1 pschl Gebläse nach Angebot 1 Stück Nutzen der Maßnahme Summe Energieeinsparung kwh/a 0,2 /kwh 812 /a Energieeinsparung durch Betriebsoptimierung (Außerbetriebnahme der Rührwerke) kwh/a 0,2 /kwh /a Berechnung Kosten/Nutzen Summe /a

102 GKU mbh Maßnahmenkatalog und Wirtschaftlichkeitsbetrachtung 99 n 10 i (1 i) 0,03 (1 0,03) KFAKR ( i; n) n 10 (1 i) 1 (1 0,03) 1 Jährliche Kapitalkosten (KFAKR*Gesamtkosten) 0, /a Kosten/Nutzen 0,58 Im gleichen Zusammenhang ist vermutlich der geringe Sauerstoffeintrag für die erhöhte Schwimmschlammproduktion verantwortlich. Durch einen erhöhten Sauerstoffeintrag durch optimierte Belüfterelemente ist mit einem Rückgang von Schwimmschlamm zu rechnen. Die Erneuerung der Belüftung kann ggf. mit der Abwasserabgabe verrechnet werden. Dies ist zu prüfen. Optimierung der Rücklaufschlammpumpen Die aktuellen Rücklaufschlammpumpen besitzen eine Leistungsaufnahme von W und W. Neue Pumpen erfordern eine Leistung von etwa 0,7 kw. Würde man eine neue Rücklaufschlammpumpe einbauen, würde man bei einer jährlichen Laufzeit von ca h/a etwa kwh/a einsparen. Die Maßnahme ist aufgrund des Kosten/Nutzen- Faktors als eine kurzfristige Maßnahme einzustufen. Position Menge Einheit Spez. Kosten (brutto) Kosten Kosten der Maßnahme Neue Rücklaufschlammpumpe 1 Stück Summe Nutzen der Maßnahme Energieeinsparung kwh/a 0,2 /kwh 300 /a n i (1 i) 0,03 (1 0,03) KFAKR ( i; n) n 10 (1 i) 1 (1 0,03) 1 Jährliche Kapitalkosten (KFAKR*Gesamtkosten) Berechnung Kosten/Nutzen 10 Summe 300 /a 0, /a Kosten/Nutzen 0,55

103 GKU mbh Maßnahmenkatalog und Wirtschaftlichkeitsbetrachtung 100 Steuerung des Rührwerkes im RÜB mittels Höhenstandsmessung Das Rührwerk im Regenüberlaufbecken der Kläranlage Eichenrod läuft derzeit füllstandunabhängig, sobald sich Regenwasser darin befindet. Mit Hilfe einer Steuerung des Rührwerkes über eine Höhenstandsmessung kann die Laufzeit des Rührwerkes reduziert werden, woraus sich Einsparungen des el. Energiebedarfs ergeben. Eine mögliche Einstellung der Einschaltfrequenz wäre z.b. bei einem Füllstand bis 30 %. Derzeit läuft das Rührwerk etwa h/a. Bei Einführung einer Steuerung könnten die Betriebsstunden auf etwa h/a reduziert werden, woraus sich Einsparungen von etwa kwh/a ergeben. Gleiches gilt für das RÜB in Hörgenau. Die Maßnahme ist aufgrund des Kosten/Nutzen-Faktors als eine kurzfristige Maßnahme einzustufen. Position Menge Einheit Spez. Kosten (brutto) Kosten Kosten der Maßnahme Neue Steuerung nach Angebot 1 Pschl Summe Nutzen der Maßnahme Energieeinsparung kwh/a 0,2 /kwh 374 /a n 10 i (1 i) 0,03 (1 0,03) KFAKR ( i; n) n 10 (1 i) 1 (1 0,03) 1 Jährliche Kapitalkosten (KFAKR*Gesamtkosten) Berechnung Kosten/Nutzen Summe 374 /a 0, /a Kosten/Nutzen 0,41 Seitenkanalverdichter Der Seitenkanalverdichter wurde zu Beginn der Studie ausgetauscht. Die Leistungsaufnahme ergab jedoch, dass dieser deutlich überdimensioniert ist. Aufgrund der energetischen Einsparmöglichkeit, sollte ein neuer Seitenkanalverdichter eingebaut werden.

104 GKU mbh Maßnahmenkatalog und Wirtschaftlichkeitsbetrachtung 101 Technische Auslegung eines neues Sandfanggebläses Die technische Auslegung eines neuen Sandfanggebläses wird wie folgt durchgeführt: Volumen Sandfang: 10 m³ Spezifischer Lufteintrag (Bemessung): 0,5 1,3 m³luft/(m³beckenvolumen*h) (Quelle: Sandfänge Anforderungen, Systeme und Bemessung, Arbeitsbericht des DWA- Fachausschusses KA-5 Absetzverfahren, KA, 2008 (55), Nr. 5, 2008) --> gewählt: 1 m³luft/(m³beckenvolumen*h) Luftmenge: 1 m³luft/(m³beckenvolume*h) * 10 m³beckenvolumen = 10 m³/h Delta p: 300 mbar Wassersäule + 15 mbar Druckverlust (Leitung + Belüfterelemente) = 315 mbar Daraus ergibt sich folgende Wirtschaftlichkeitsberechnung: Position Menge Einheit Spez. Kosten (brutto) Kosten Kosten der Maßnahme Neuer Verdichter 1 Stück Summe 600 Nutzen der Maßnahme Energieeinsparung kwh/a 0,2 /kwh /a n 10 i (1 i) 0,03 (1 0,03) KFAKR ( i; n) n 10 (1 i) 1 (1 0,03) 1 Jährliche Kapitalkosten (KFAKR*Gesamtkosten) Berechnung Kosten/Nutzen Summe /a 0, /a Kosten/Nutzen 0,05 Obwohl der Seitenkanalverdichter erst kürzlich ausgetauscht wurde, sollte ein neuer Verdichter angeschafft werden. Denn aufgrund des sehr guten Kosten/Nutzen-Verhältnisses amortisiert sich das neue Gebläse innerhalb eines Jahres.

105 GKU mbh Maßnahmenkatalog und Wirtschaftlichkeitsbetrachtung 102 Neues Klärschlammkonzept Ab 2015 sind die Anforderungen der Klärschlammverordnung und der Düngemittelverordnung gleichermaßen einzuhalten. Demzufolge darf der Klärschlamm der Kläranlage Eichenrod, der erhöhte Nickelwerte aufweist, nicht mehr auf dem Feld ausgebracht werden. Daraus ergibt sich folgende Möglichkeit, wie der Klärschlamm zukünftig behandelt werden kann. Wirtschaftlich sinnvoll ist es, den Klärschlamm auf eine größere Anlage zu fahren und über diese Entsorgung zu lassen. Denn eine zentralisierte Schlammbehandlung ist stets wirtschaftlich sinnvoller als eine separate Behandlung einzelner Anlagen. Aufgrund der geringen Entfernung bietet sich die Kläranlage Lauterbach an. Für die Gemeinde Lautertal würden lediglich die Transport- und Entsorgungskosten anfallen, wobei derzeit bereits Entsorgungskosten für die landwirtschaftliche Ausbringung anfallen. Optimierung der Reinigungsleistung der Kläranlage hinsichtlich des Parameters CSB Werden die Optimierungsmaßnahmen auf der Kläranlage Eichenrod umgesetzt, kann eine verbesserte Reinigungsleistung erreicht werden, was zu einer Reduktion der Abwasserabgabe führen würde. Demnach könnte man den CSB-Überwachungswert um 20 % senken, wodurch sich folgende Abwasserabgabe für diesen Parameter ergibt: Tabelle 5-3: Reduzierung der Abwasserabgabe für die Kläranlage Eichenrod Parameter CSB in mg/l CSB in mg/l Differenz ÜW in mg/l JSM in m³/a (2011) Fracht in t/a Schadeinheiten (SE) pro kg Kosten pro SE (vermindert) Abwasserabgabe , , ,40 /a , ,90 930,80 /a 250,60 /a Durch eine Optimierung der Kläranlage wäre eine Reduktion der Abwasserabgabe in Höhe von 250,60 /a möglich. Durch die nachgewiesene Reduzierung und Einhaltung des Parameters CSB ist generell eine Rückverrechnung der Abwasserabgabe möglich. 5.3 Kläranlage Engelrod Optimierung der Belüftung in den beiden Teichen Die beiden momentan installierten Verdichter, die für die Belüftung der Teiche sorgen, haben insgesamt eine Leistungsaufnahme von kwh/a. Durch Optimierung und Erneuerung der Belüfterelemente (Einsatz von Plattenbelüftern) und der Gebläse kann eine Energieeinsparung von kwh/a erzielt werden. Die Auslegung der neuen Belüftung ist in der folgenden Tabelle dargestellt:

106 GKU mbh Maßnahmenkatalog und Wirtschaftlichkeitsbetrachtung 103 Tabelle 5-4: Auslegung der Belüftung für die Kläranlage Engelrod Parameter Einheit Wert BSB 5 in BB kg/d 30 Umrechnungsfaktor 2,5 kg O 2 / 1 kg BSB 5 Alpha-Wert - 0,65 Belüftungsdauer h/d 16 Stündlicher Sauerstoffverbrauch (OV_h) kgo 2 /h 14,42 1 Einblastiefe m ET 2,50 Spezifische Sauerstoffausnutzung in Reinwasser go 2 /(Nm³*m ET ) 25 spez. O 2 -Eintrag in Reinwasser go 2 /Nm³ 62,5 erforderliche Luftmenge gesamt Nm³/h 230,7 erforderliche Luftmenge gesamt Nm³/min 3,85 Mindestens aufzubringender Gebläsedruck bar 0, Kupplungsleistung aller Gebläse kw 3 3 Betriebsstunden der Gebläse h/a el. Energiebedarf der Gebläse kwh/a =, [ ], [ ] 2 Gebläsedruck min = Durckverlust durch die Wasserstandshöhe (hier: 0,25 bar) + Druckverlust der Platten (hier: 0,025 bar) + Rohreibungsverluste (hier: 0,0375 bar) 3 Auslegung nach KAESER Kompressoren 4 Unter der Annahme von 10 % Verlust durch die Motorleistung Der el. Energiebedarf wird auf 2 Gebläse aufgeteilt. Dafür wird empfohlen einen neuen Verdichter anzuschaffen und den Seitenkanalverdichter der Kläranlage Eichenrod zu verwenden. Die Maßnahme ist aufgrund des Kosten/Nutzen-Faktors als eine abhängige Maßnahme einzustufen. Position Menge Einheit Spez. Kosten (brutto) Kosten Kosten der Maßnahme Heraushebbare Plattenbelüfter für 2 Teiche 2 pschl neuer Verdichter als Sandfanggebläse für Eichenrod 1 Stück

107 GKU mbh Maßnahmenkatalog und Wirtschaftlichkeitsbetrachtung Verdichter (Kläranlage Eichenrod) 1 Stück 0 0 Nutzen der Maßnahme Summe Energieeinsparung kwh/a 0,2 /kwh 353 /a n 10 i (1 i) 0,03 (1 0,03) KFAKR ( i; n) n 10 (1 i) 1 (1 0,03) 1 Jährliche Kapitalkosten (KFAKR*Gesamtkosten) Berechnung Kosten/Nutzen Summe 353 /a 0, /a Kosten/Nutzen 2, Kläranlage Meiches Einsatz von Frequenzumformern am Scheibentauchkörper Wie auf der Kläranlage Hopfmannsfeld, sollte auch am Scheibentauchkörper auf der Kläranlage Meiches ein Frequenzumformer angebracht werden. Hier sind 2 FU notwendig. Aufgrund der Erfahrung, die beim Einsatz eines FU auf der Kläranlage Hopfmannsfeld gemacht wurde, ist eine Energieeinsparung von bis zu kwh/a zu erwarten. Die Maßnahme ist aufgrund des Kosten/Nutzen-Faktors als eine kurzfristige Maßnahme einzustufen. Position Menge Einheit Spez. Kosten (brutto) Kosten Kosten der Maßnahme 2 Frequenzumrichter inkl. Einbau, Anschluss und Einstellungen 1 Pschl Summe Nutzen der Maßnahme Energieeinsparungen kwh/a 0,2 /kwh 400 /a Berechnung Kosten/Nutzen n 10 i (1 i) 0,03 (1 0,03) KFAKR ( i; n) n 10 (1 i) 1 (1 0,03) 1 Summe 400 /a 0,11723

108 GKU mbh Maßnahmenkatalog und Wirtschaftlichkeitsbetrachtung 105 Jährliche Kapitalkosten (KFAKR*Gesamtkosten) 141 /a Kosten/Nutzen 0,35 Optimierung der Rücklaufschlammpumpe Die aktuelle Rücklaufschlammpumpe besitzt eine Leistungsaufnahme von W. Durch den Einsatz einer neuen Pumpe und einer Laufzeit von etwa 600 h/a wird die Energieeinsparung auf kwh/a geschätzt. Die Maßnahme ist aufgrund des Kosten/Nutzen-Faktors als eine kurzfristige Maßnahme einzustufen. Position Menge Einheit Spez. Kosten (brutto) Kosten Kosten der Maßnahme Neue Rücklaufschlammpumpe 1 Stück Summe Nutzen der Maßnahme Energieeinsparung kwh/a 0,2 /kwh 300 /a n i (1 i) 0,03 (1 0,03) KFAKR ( i; n) n 10 (1 i) 1 (1 0,03) 1 Jährliche Kapitalkosten (KFAKR*Gesamtkosten) Berechnung Kosten/Nutzen 10 Summe 300 /a 0, /a Kosten/Nutzen 0,55 Reduzierung des Parameters CSB Würde man den CSB-Überwachungswert um 20 % senken, würde sich eine verminderte Abwasserabgabe ergeben. Es wäre eine Reduktion in Höhe von 286,40 /a möglich. Tabelle 5-5: Reduzierung der Abwasserabgabe für die Kläranlage Meiches Parameter CSB in mg/l CSB in mg/l ÜW in mg/l JSM in m³/a (2011) Fracht in t/a Schadeinheiten (SE) pro kg Kosten pro SE (vermindert) Abwasserabgabe , , ,80 /a , , ,40 /a

109 GKU mbh Maßnahmenkatalog und Wirtschaftlichkeitsbetrachtung 106 Differenz 286,40 /a 5.5 Kläranlage Dirlammen Beseitigung von Grobstoffen mittels eines Rechens Zur Beseitigung der Grobstoffe wird der Einbau eines Rechens empfohlen. Aufgrund der Tatsache, dass der Einbau des Rechens gesetzlich vorgegeben ist, ergeben sich keine direkten Einsparungen des el. Energieverbrauchs. Es kann aber durchaus angenommen werden, dass das Entfernen der Grobstoffe eine effizienteren Lufteintrag in den belüfteten Teichen mit sich bringt, da diese mit Hilfe des Rechens weniger verstopfen. Dadurch kann möglicherweise die Reinigungsleistung verbessert werden. Allerdings müssen auch zusätzliche Kosten berücksichtigt werden, die durch die Beseitigung des anfallenden Rechengutes verursacht werden. Im Anhang befindet sich ein Richtpreisangebot eines Harken-Umlaufrechens der Fa. HUBER. Die Investitionskosten belaufen sich dabei auf (Brutto) inklusive Elektrischer Schalt- und Steueranlagen sowie Lieferung und Montage. Optimierung der Belüftung in den beiden Teichen Die beiden momentan installierten Verdichter, die für die Belüftung der Teiche sorgen, haben insgesamt eine Leistungsaufnahme von kwh/a. Durch Optimierung und Erneuerung der Belüfterelemente (Einsatz von Plattenbelüftern) und der Gebläse kann keine Energieeinsparung erzielt werden. Die Auslegung der neuen Belüftung ist in der folgenden Tabelle dargestellt: Tabelle 5-6: Auslegung der Belüftung für die Kläranlage Dirlammen Parameter Einheit Wert BSB 5 in BB kg/d 42 Umrechnungsfaktor 2,5 kg O 2 / 1 kg BSB 5 Alpha-Wert - 0,65 Belüftungsdauer h/d 16 Stündlicher Sauerstoffverbrauch (OV_h) kgo 2 /h 10,10 1 Einblastiefe m ET 2,50 Spezifische Sauerstoffausnutzung in Reinwasser go 2 /(Nm³*m ET ) 25 spez. O 2 -Eintrag in Reinwasser go 2 /Nm³ 62,5 erforderliche Luftmenge gesamt Nm³/h 161,60 erforderliche Luftmenge gesamt Nm³/min 2,69 Mindestens aufzubringender Gebläsedruck bar 0, Kupplungsleistung aller Gebläse kw 2,2 3

110 GKU mbh Maßnahmenkatalog und Wirtschaftlichkeitsbetrachtung 107 Betriebsstunden der Gebläse h/a el. Energiebedarf der Gebläse kwh/a =, [ ], [ ] 2 Gebläsedruck min = Durckverlust durch die Wasserstandshöhe (hier: 0,25 bar) + Druckverlust der Platten (hier: 0,025 bar) + Rohreibungsverluste (hier: 0,0375 bar) 3 Auslegung nach KAESER Kompressoren 4 Unter der Annahme von 10 % Verlust durch die Motorleistung Die Wirtschaftlichkeitsbetrachtung ist folgend dargestellt: Position Menge Einheit Spez. Kosten (brutto) Kosten Kosten der Maßnahme Heraushebbare Plattenbelüfter für 2 Teiche 2 pschl neuer Verdichter 1 Stück Verdichter (Kläranlage Eichenrod) 1 Stück 0 0 Summe Energiemehrbedarf kwh/a 0,2 /kwh /a Berechnung Kosten/Nutzen n 10 i (1 i) 0,03 (1 0,03) KFAKR ( i; n) n 10 (1 i) 1 (1 0,03) 1 Jährliche Kapitalkosten (KFAKR*Gesamtkosten) Kosten/Nutzen 0, /a - Aufgrund des ermittelten Energiemehrbedarfs ergibt sich kein Nutzen für diese Maßnahme, wodurch die Maßnahme unwirtschaftlich wird und nicht empfehlenswert ist. Allerdings basieren die Ergebnisse auf Kennwerten und Hochrechnungen. Prinzipiell ist eine Erneuerung von Belüftern nach einem Zeitraum von etwa 5-7 Jahren immer empfehlenswert. Maßnahme: Sauerstoffmessung installieren und Überbelüftung vermindern.

111 GKU mbh Maßnahmenkatalog und Wirtschaftlichkeitsbetrachtung 108 Reduzierung des Parameters P ges Würde man den P ges -Überwachungswert um 20 % senken, würde sich eine verminderte Abwasserabgabe ergeben. Es wäre eine Reduktion in Höhe von 751,80 /a möglich. Tabelle 5-7: Reduzierung der Abwasserabgabe für die Kläranlage Dirlammen Parameter ÜW in mg/l JSM in m³/a (2011) Fracht in kg/a Schadeinheiten (SE) pro kg Kosten pro SE (vermindert) Abwasserabgabe P ges in mg/l , , ,30 /a P ges in mg/l 5, , , ,50 /a Differenz 751,80 /a 5.6 Kläranlage Hopfmannsfeld Optimierung der Rücklaufschlammpumpe Die aktuelle Rücklaufschlammpumpe besitzt eine Leistungsaufnahme von W. Durch den Einsatz einer neuen Pumpe und einer Laufzeit von etwa 300 h/a wird die Energieeinsparung auf 500 kwh/a geschätzt. Die Maßnahme ist aufgrund des Kosten/Nutzen-Faktors als eine abhängige Maßnahme einzustufen. Position Menge Einheit Spez. Kosten (brutto) Kosten Kosten der Maßnahme Neue Rücklaufschlammpumpe 1 Stück Summe Nutzen der Maßnahme Energieeinsparung 500 kwh/a 0,2 /kwh 100 /a n i (1 i) 0,03 (1 0,03) KFAKR ( i; n) n 10 (1 i) 1 (1 0,03) 1 Jährliche Kapitalkosten (KFAKR*Gesamtkosten) Berechnung Kosten/Nutzen 10 Summe 100 /a 0, /a Kosten/Nutzen 1,64

112 GKU mbh Maßnahmenkatalog und Wirtschaftlichkeitsbetrachtung Kläranlage Eichelhain Beseitigung von Grobstoffen mittels einer Siebanlage Zur Beseitigung der Grobstoffe wird der Einbau einer Siebanlage empfohlen. Aufgrund der Tatsache, dass der Einbau des Rechens gesetzlich vorgegeben ist, ergeben sich keine direkten Einsparungen des el. Energieverbrauchs. Es kann aber durchaus angenommen werden, dass das Entfernen der Grobstoffe eine effizienteren Lufteintrag in den belüfteten Teichen mit sich bringt, da diese mit Hilfe des Rechens weniger verstopfen. Dadurch kann möglicherweise die Reinigungsleistung verbessert werden. Allerdings müssen auch zusätzliche Kosten berücksichtigt werden, die durch die Beseitigung des anfallenden Rechengutes verursacht werden. Im Anhang befindet sich ein Richtpreisangebot einer Rotamat-Siebanlage der Fa. HUBER. Die Investitionskosten belaufen sich dabei auf (Brutto) inklusive Elektrischer Schalt- und Steueranlagen sowie Lieferung und Montage. Optimierung der Belüftung in den beiden Teichen Der Einsatz einer Druckbelüftung kann unter Umständen zielführend sein. Ab einer Wassertiefe zwischen 2 3 Meter kann eine Druckbelüftung gegenüber einer Oberflächenbelüftung wirtschaftlich sein. Die Teiche auf der Kläranlage Eichelhain sind 2,50 m tief. Die Umsetzung kann mit schwimmenden Belüfterelementen der Fa. Supratec erfolgen. Die Maßnahme ist aufgrund des Kosten/Nutzen-Faktors als eine abhängige Maßnahme einzustufen. Position Menge Einheit Spez. Kosten (brutto) Kosten Kosten der Maßnahme Neue Druckbelüftung 2 Stück Neuer Verdichter 1 Stück Summe Nutzen der Maßnahme Energieeinsparung kwh/a 0,2 /kwh 800 /a n i (1 i) 0,03 (1 0,03) KFAKR ( i; n) n 10 (1 i) 1 (1 0,03) 1 Jährliche Kapitalkosten (KFAKR*Gesamtkosten) Berechnung Kosten/Nutzen 10 Summe 800 /a 0, /a Kosten/Nutzen 1,52

113 GKU mbh Maßnahmenkatalog und Wirtschaftlichkeitsbetrachtung Zukunftskonzept: Stilllegung der Kläranlagen Engelrod und Eichelhain und Weiterleitung des Abwassers An dieser Stelle soll nur kurz auf das Thema Stilllegung der Kläranlagen Engelrod und Eichelhain eingegangen werden, da dies in einer separaten Studie genauer betrachtet wird. Bei den Angaben zu Kosteneinsparungen handelt es sich um Abschätzungen, die erst nach genauerer Betrachtung konkret ermittelt werden können Kläranlage Engelrod Eine generelle Möglichkeit in der Energie- und Kosteneinsparung liegt in der Weiterleitung des Abwassers der Kläranlage Engelrod zur Kläranlage Hopfmannsfeld. Diese Maßnahme erfordert jedoch die Berücksichtigung der folgenden Punkte: - Überprüfung, ob der Hauptsammler zur Kläranlage Hopfmannsfeld durch den Anschluss nicht überlastet wird. - Optimierung der Kläranlage Hopfmannsfeld hinsichtlich hydraulischer und stofflicher Belastung, um eine Überfrachtung auszuschließen. - Betrachtung der Mehrkosten, die der Kläranlage Hopfmannsfeld entstehen. Dem gegenüber stehen die folgenden Vorteile: - Geringere Personalkosten, da der Betrieb der KA entfällt. - Keine Analysekosten für die KA Engelrod. - Geringere Abwasserabgabe für die KA Engelrod. Für das Jahr 2011 wurde eine Abwasserabgabe von 9.218,50 gezahlt, die teilweise eingespart werden können. Die Abwasserabgabe der Kläranlage Hopfmannsfeld würde aufgrund der gestiegenen Fracht steigen. Es ist von einer Einsparung von etwa 40 % also /a auszugehen. - Verringerte Energiekosten. Bei einer erforderlichen el. Energiemenge von kwh/a im Jahr 2012 können etwa 70 % eingespart werden, was bei einem el. Energiepreis von 0,2 /kwh etwa /a entspricht. Es ist von einer zukünftigen Energiepreiserhöhung auszugehen. Somit erhöhen sich ebenfalls die eingesparten Energiekosten. - Becken der KA Engelrod kann als Stauraum für Regenrückhaltemaßnahmen verwendet werden kein kostenintensiver Bau von Regenbecken notwendig. - Sonstige anteilige Kosten, die mit dem Betrieb der Kläranlage verbunden sind, wie z.b. Fahrtkosten zur Kläranlage Kläranlage Eichelhain Eine generelle Möglichkeit in der Energie- und Kosteneinsparung liegt in der Weiterleitung des Abwassers der Kläranlage Eichelhain zur Kläranlage Eichenrod. Diese Maßnahme erfordert jedoch die Berücksichtigung der folgenden Punkte:

114 GKU mbh Maßnahmenkatalog und Wirtschaftlichkeitsbetrachtung Überprüfung, ob der Hauptsammler zur Kläranlage Eichenrod durch den Anschluss nicht überlastet wird. - Optimierung der Kläranlage Eichenrod hinsichtlich hydraulischer und stofflicher Belastung, um eine Überfrachtung auszuschließen. - Betrachtung der Mehrkosten, die der Kläranlage Eichenrod entstehen. Dem gegenüber stehen die folgenden Vorteile: - Geringere Personalkosten, da der Betrieb der KA entfällt. - Keine Analysekosten für die KA Eichelhain. - Geringere Abwasserabgabe für die KA Eichelhain. Für das Jahr 2011 wurde eine Abwasserabgabe von 4.546,60 gezahlt, die teilweise eingespart werden können. Die Abwasserabgabe der Kläranlage Eichenrod würde aufgrund der gestiegenen Fracht steigen. Es ist von einer Einsparung von etwa 40 % also /a auszugehen. - Verringerte Energiekosten. Bei einer erforderlichen el. Energiemenge von kwh/a im Jahr 2012 können etwa 70 % eingespart werden, was bei einem el. Energiepreis von 0,2 /kwh etwa 786 /a entspricht. Es ist von einer zukünftigen Energiepreiserhöhung auszugehen. Somit erhöhen sich ebenfalls die eingesparten Energiekosten. - Becken der KA Eichelhain kann als Stauraum für Regenrückhaltemaßnahmen verwendet werden kein kostenintensiver Bau von Regenbecken notwendig. - Sonstige anteilige Kosten, die mit dem Betrieb der Kläranlage verbunden sind, wie z.b. Fahrtkosten zur Kläranlage 5.9 Zusammenfassung der Wirtschaftlichkeitsbetrachtung Die in den Wirtschaftlichkeitsbetrachtungen ermittelten Kosten-Nutzen-Verhältnisse jeder Maßnahme sind in Tabelle 5-8 zusammenfassend dargestellt. Dabei gilt es zu beachten, dass die Maßnahmen mit einem Kosten-Nutzen-Verhältnis von kleiner als 0,3 als Sofortmaßnahme deklariert sind, die zeitnah umgesetzt werden sollten. Maßnahmen mit einem Kosten-Nutzen-Verhältnis zwischen 0,3 und 0,7 sind kurzfristig zu realisierende Maßnahmen, während Maßnahmen mit einem Kosten-Nutzen-Verhältnis zwischen 0,7 und 1 als langfristige Maßnahmen dargestellt werden. Unwirtschaftliche Maßnahmen mit einem Kosten-Nutzen-Verhältnis von größer als 1 sind nur bei besonderem Interesse umsetzbar. Der überwiegende Teil der identifizierten Maßnahmen der Kläranlagen der Gemeinde Lautertal wurde als langfristig bzw. unwirtschaftlich eingestuft. Die Wirtschaftlichkeitsberechnungen sind jedoch statisch und unterliegen keinerlei Schwankungen. Wird von einer el. Energiepreissteigerung ausgegangen, so wie es in den letzten Jahren der Fall war, können einzelne Maßnahmen unter Umständen ein besseres Kosten-Nutzen-Verhältnis aufweisen.

115 GKU mbh Maßnahmenkatalog und Wirtschaftlichkeitsbetrachtung 112 Tabelle 5-8: Zusammenfassung der Wirtschaftlichkeitsbetrachtung Maßnahme Investitions kosten KFAKR Jährliche Kapitalkosten Jährliche Betriebskosten Energieeinsparung Betriebskosteneinsparung Kosten/ Nutzen KA Eichenrod Plattenbelüftung mit Impulsbelüftung Optimierung Rücklaufschlamm pumpen Steuerung des Rührwerkes im RÜB , , , , , ,41 Neuer Verdichter 600 0, ,05 KA Engelrod Optimierung der Belüftung , ,32 KA Meiches Einsatz von FU am Scheibentauchkör per Optimierung der Rücklaufschlamm pumpe , , , ,55 KA Dirlammen Optimierung der Belüftung , KA Hopfmannsfeld Optimierung der Rücklaufschlamm pumpe , ,64 KA Eichelhain Optimierung der Belüftung , ,52 Eine grafische Übersicht über die Maßnahmen gibt Abbildung 5-1. Es ist zu erkennen, dass den hohen Investitionskosten geringe Kosteneinsparungen entgegen stehen. Für die Sofort- und kurzfristigen Maßnahmen würde eine Investitionssumme von anfallen, mit der jährliche monetäre Einsparung von etwa /a erzielt werden können. Somit wäre über beide erwähnten Maßnahmen eine Amortisationszeit von etwa 4 Jahren gegeben. Langfristige und Abhängige Maßnahmen sind hingegen nur dann umzusetzen, wenn anderweitige Notwendigkeit besteht, z.b. durch gesetzliche Auflagen.

116 GKU mbh Maßnahmenkatalog und Wirtschaftlichkeitsbetrachtung Investitionskosten jährliche Gesamteinsparung (monetär) Sofortmaßnahmen Sofort- und kurzfristige Maßnahmen langfristige Maßnahmen alle Maßnahmen Abbildung 5-1: Übersicht der Investitionskosten und der jährlichen monetären Gesamteinsparung unterteilt in Maßnahmengruppen

117 GKU mbh Literaturverzeichnis Literaturverzeichnis Pehnt, M., Energieeffizienz Ein Lehr- und Handbuch, Springer Verlag, Heidelberg, 2010 DIN EN ISO 50001, Energiemanagementsysteme Anforderungen mit Anleitung zur Anwendung (ISO 50001:2011); Deutsche Fassung EN ISO 50001:2011 Kroiss, H., Perspektiven der Klärschlammverwertung Ziele und Inhalte einer Novelle der Klärschlammverordnung, Vortrag, Bonn, 2006 Pinnekamp, J., Wasserwirtschaft und Energie, Vortrag E-World, Essen, 2007 Mitsdörfer, R., Christ, O.: Möglichkeiten zur Nutzung der Abwärme aus der Abwasserbehandlung, Gewässerschutz Wasser Abwasser, Band 223, Seite 6/1-6/15, Aachen, 2011 Thöle, D., Grünebaum, T., Schmitt, F., Lorenz, G., Energie- und CO2-Bilanz eines Wasserverbandes, Korrespondenz Abwasser, Abfall, 58 Nr. 6, Seite 542, 2011 Hessisches Ministerium für Umwelt, Energie, Landwirtschaft und Verbraucherschutz, Arbeitshilfe zur Verbesserung der Energieeffizienz von Abwasserbehandlungsanlagen Anforderungen an die Planung und Durchführung, 2011 ATV-Handbuch. Klärschlamm. 4.Aufl ATV-Handbuch Ernst und Sohn, 1996 Google Maps, Stand: Preisdatenbank der Tankstelle ARAL, d=58642, Stand: Renault, Stand: LAWA, Leitlinien zur Durchführung dynamischer Kostenvergleichsrechnungen 7. Auflage, (LAWA), Bund/Länder-Arbeitsgemeinsschaft Wasser, Berlin, 2005 Hartwig, P., Rosenwinkel, K.-H., Möglichkeiten zur Verbesserung der Energiebilanz einer Kläranlage am Beispiel der Kläranlage Rheda-Wiedenbrück, Korrespondenz Abwasser, Abfall, 58, Nr. 6, 2011 DWA Regelwerk, Arbeitsblatt DWA-A 202 Chemisch-physikalische Verfahren zur Elimination von Phosphor aus Abwasser, 2011 ATV-DVWK-Regelwerk, ATV-DVWK-A 131 Bemessung von einstufigen Belebungsanlagen, 2000 Haberkern, B., Maier, W., Schneider, U., Steigerung der Energieeffizienz auf kommunalen Kläranlagen, in: Umweltbundesamt Texte 11/08, 2008

118 GKU mbh Anhang Anhang 7.1 Angebot Harken-Umlaufrechen der Fa. HUBER für KA Dirlammen

119 GKU mbh Anhang 116

120 GKU mbh Anhang 117

121 GKU mbh Anhang 118

122 GKU mbh Anhang 119

123 GKU mbh Anhang 120

124 GKU mbh Anhang 121

125 GKU mbh Anhang 122

126 GKU mbh Anhang Angebot Rotamat-Siebanlage der Fa. HUBER für KA Eichelhain

127 GKU mbh Anhang 124

128 GKU mbh Anhang 125

129 GKU mbh Anhang 126