Technische Lösungen zur Vermeidung von Geruch und Korrosion mit ersten Ergebnissen einer Testreihe von Gegenmaßnahmen M.

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1 Technische Lösungen zur Vermeidung von Geruch und Korrosion mit ersten Ergebnissen einer Testreihe von Gegenmaßnahmen M. Barjenbruch Institut für Bauingenieurwesen FG Siedlungswasserwirtschaft, TU Berlin

2 Gestern Heute Morgen

3 Gestern Heute Morgen

4 Geruch und Korrosion im Kanalnetz Einführung Geruchsbelästigungen Geruchsbildung wird direkt vom Bürger wahrgenommen führt zu häufigen Beschwerden beim Abwasserentsorger 95% von befragten Betreibern hatten Probleme mit Geruch 75% Probleme mit Korrosion Schwefelsäurekorrosion an Rohrleitungen, Schächten und Sonderbauwerken Hohe Folgekosten durch Instandhaltung oder Ersatz Kurz und mittelfristige Behebung der Schäden ca. 45 Mrd. Negativer Einfluss auf die Abwasserreinigung Verschlechterung des biologischen Abbaus, Blähschlammbildung Arbeitsschutzprobleme Gefährdung des Personals bei Arbeiten im Kanal

5 Schwefelwasserstoff stinkt nicht nur

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7 Geruchsstoffe und deren Entstehung Primäre Osmogene: Einleitung über das Abwasser in die Kanalisation Häusliches Abwasser (bei Zwischenspeicherung z.b. Sammelgruben, Fette) gewerbliches und industrielles Abwasser, branchentypische Gerüche (z.b. Schlachthof, Fischverarbeitung, Papierfabrik). begrenzt in Entwässerungssatzung (z.b. T 35 C; SO mg/l, H 2 S 2 mg/l) Sekundäre Osmogene bilden sich erst in der Abwasseranlage aerober Abbau; von Eiweißen, flüchtigen Fettsäuren, Alkoholen etc. anaerobe Verhältnisse; Freisetzung von Schwefelverbindungen besondere Bedeutung des Schwefelumsatzes Geruchsprobleme dort, wo Freisetzung erfolgt.

8 Problematische Orte des Entstehens von Geruchsbelästigungen in der Kanalisation Orte, an denen Abwässer mit geruchsintensiven Stoffen direkt eingeleitet wird (Industrie; Gewerbe); Indirekteinleiterkontrolle Freigefällekanäle mit geringem Gefälle, geringer Teilfüllung und langen Aufenthaltszeiten Stellen mit starken Turbulenzen (Richtungs- oder Gefällewechsel; Absturzbauwerke etc.), wenn dort anaerobes Abwasser zufließt. Sammelbehälter (Saugräume) in Pumpstationen Dükerober- und unterhäupter, Rückstaubecken Ausmündungen von Druckleitungen

9 Biogene Schwefelsäure Korrosion (BSK) bei O 2 < 0,1 mg/l anaerob Ablagerungen können auch Geruchsprobleme verursachen!

10 Messung von Geruchsstoffen Analytische Messungen und sensorische Messungen Bestimmung von Einzelstoffen z.b. Ammoniak, Buttersäure, Skatol, Benzol i.d.r aufwendig Messung der Schwefelfraktionen (Leitparameters H 2 S) Sulfid-Gehalt im Abwasser Stichproben, Dauerproben (Ggf. Konservierung) oder kontinuierlich Analyse z.b. nach DIN oder Schnelltestmessung Abwasserabluft (Schacht oder Kanal) Messung der Momentankonzentration (Prüfröhrchen;Chip-Mess-System) Kontinuierliche Messungen; Tragbare Mess- und Warngeräte (ggf. mit Gaspumpe) Geruchstoffkonzentration, Geruchsstoffsemissionspotential

11 Beispiel einer H 2 S-Messung Elektrochemischer Sensor Messbereich: 0-999,9 ppm H 2 S ppm H 2 S Datenlogger bis Werte Intervall 1 s bis 1 h spritzwassergeschütz

12 Abweichungen H 2 S-Messung Drifterscheinungen bei allen eingesetzten Sensoren Abweichungen festgestellt welchem System vertrauen?

13 Definition: Korrosion Unter Korrosion versteht man alle Reaktionen an nicht metallischen und metallischen Bau- und Werkstoffen mit ihrer Umgebung, die durch chemische, elektrochemische oder mikrobiologische Vorgänge zu einer Beeinträchtigung des Bau/Werkstoffes führen. Angriff auf die Bauwerke: von der Außenseite durch Stoffe im Boden- und Grundwasser von Inhaltsstoffen im Abwasser benetzten Bereich Inhaltsstoffe der Kanalluft oder biogene Säurebildung (BSK) oberhalb des Wasserspiegels; insbesondere die BSK kann gravierende Folgen haben, Werkstoffwahl: Weniger gefährdete Bau- und Werkstoffe sind: Steinzeug, Kanalklinker, hochlegierte Stähle und Kunststoffe. Hochverdichteter Beton oder Beschichtung Neu: verglaste Betonrohre In der Regel lässt sich Korrosion niemals vollständig verhindern!

14 Betonkorrosion R&D-Projekt der SINTEF (Norwegen)

15 SOM S17 Fugenmörtel zerstört Schwefelablagerungen starke Eisenkorrosion

16 Freispiegelkanal Ermittlung des Geruchs- u. Korrosionspotentials Abschätzende Berechnung der Sulfidbildung Faustregel: Begrenzung des benetzten Rohrumfangs auf 15% Korrosionskennwert nach Pomeroy Druckrohrleitung: Z p < 5.000; kleiner Sulfidgehalt keine Korrosion Z p < ; starke Turbulenz mittlere Korrosion Z p < ; starke Turbulenz starke Korrosion Autor ATV-DVWK 116 Pomeroy Boon, Lister Thistlethwayte Hadjianghelou US-EPA Nielsen, Hvitved-Jacobsen, Raunkjaer Berechnungsgrundlage Fließzeit, Durchmesser BSB 5, Temperatur, Fließzeit, Durchmesser CSB, Temperatur, Fließzeit, Durchmesser BSB 5, Sulfatgehalt, Temperatur, Fließzeit, Durchmesser, Fließgeschwindigkeit Temperatur, Fließzeit, Durchmesser BSB 5, Temperatur, Fließzeit, Durchmesser CSB, Temperatur, Fließzeit, Durchmesser

17 Vergleich der theoretischen Ansätze mit gemessenen Werten Calculated Conc. of Hydrogen Sulfide [mg/l] Linear (US EPA) Linear (Thistlethwayte) Linear (Nielsen) Linear (ATV) Linear (Pomeroy) Linear (Hadjianghelou) Linear (Boon/Lister) y = 0,40x + 39,6 R2 = 0,03 y = 3,5x + 63 R2 = 0,25 y = 1,5x + 74 R2 = 0,04 y = 8,9x + 94 R2 = 0,19 y = 2,38x + 36 R2 = 0,15 y = 0,75x + 9,1 R2 = 0,10 y = -0,07x + 6,6 R2 = 0, Measured Conc. of Hydrogen Sulfide [mg/l]

18 Maßnahmen zur Geruchsvermeidung im Kanalnetz Planerische Möglichkeiten Betriebstechnische Möglichkeiten Dosierung von chemisch/biologisch wirksamen Stoffen

19 Maßnahmen zur Geruchsvermeidung im Kanalnetz Planerische Möglichkeiten Fachgerechte Entlüftung der Hausinstallation Reduzierung der Emissionsquellen Bau geschlossener Abwassertransportsysteme Vakuumentwässerung Druckentwässerung pneumatische Abwasserförderung Integration geruchsverhindernder Maßnahmen

20 Betriebstechnische Maßnahmen Am Pumpwerk Druckluftspülung/Nachblasstationen (Kompressoren) Abwasserbelüftung mit Luftsauerstoff Abbau von BSB5 mit STK Abluftbehandlung Amorphe Schüttung Fremdwasserzugabe In der Kanalisation Kanalreinigung/Molchen gezielte Ausstrippung (Biofilter/Chemowäscher) technische Abwasserbelüftung Konstruktive Sauerstoffanreicherung Filtereinsätze Reduzierung von Rohrquerschnitten

21 Zugabe chemisch/biologisch wirksamer Stoffe Dosierung von Fällmitteln Eisensalze Wasserwerksschlamm Kombination Wasserstoffperoxyd Dosierung von Oxidationsmitteln Kaliumpermanganat Nitratlösung (Nutriox) Techn. Sauerstoff/Thiox-Verfahren Dosierung zur ph-wert-regulatoren Kalk, Kalkmilch od.natronlauge Natronlauge +Fällmittel Dosierung von biolog. Wirkstoffen Biokatalysatoren/Hemmstoffe Mikroorganismen Geruchskorrigentien maskierende o. kompensierende Mittel

22 Hemmstoff bei Kanalreinigung (Clean Product) Produkt: AS FL Spezial + Geruchsadsorber Ziel: Entfernung des Biofilms Schutzfilmbildung zur Verhinderung Wirkung Hemmstoff der Neubildung + Kanalreinigung des Biofilms Geruchs- und Korrosionsminimierung Anwendung Einstau und Einwirkung in den Kanalabschnitt (ca. 2h) Ca l/m³ (Kanalvolumen) Wirkung bis > 10 mon. (Winter- und Sommerzeit)

23 Zellstimulator POCO H 2 S-Gehalte in der Kanalluft am DUS der Teststrecke Naturprodukt aus Pflanzenextrakten und Naturkräutern Zellstimulator für Mikroorganismen im aeroben/anaeroben Bereich Wirkungsweise: biologisch enzymatisch Einsatzmengen: 0,3 bis 0,5 l/m³ Abwasser H 2 S-Gehalte am DUS ohne Maßnahmen H 2 S-Gehalte am DUS bei Zugabe von POCO H2S - Gehalt [ppm] 60 H2S - Gehalt [ppm] Donnerstag Sonnabend Montag Mittwoch Wochentag 0 Di Do Sa Mo Mi Fr So Di Do Sa So Wochentag

24 Projektziele ODOCO-2 Planung, Ausschreibung, Aufbau einer Versuchsanlage Inbetriebnahme Testreihe zur Erprobung von 1 Gegenmaßnahme inkl. Untersuchungen zur Korrosion von Werkstoffen Herstellerunabhängige Dosierstrategien von Produkten zur Vermeidung von Geruch und Korrosion Gewinnung von Grundlagendaten zur besseren Beschreibung der Prozesse (Einfluss der Temperatur, ph-wert, Aufenthaltszeit etc.) Verringerung der Produktmengen Verringerung der Kosten Effektivere Geruchsvermeidung Entwicklung von Methoden zur Übertragbarkeit der Ergebnisse auf verschiedene Anwendungsfälle in Berlin Untersuchung von Schädigungsverläufen an Werkstoffen Erprobung von Sensortechnik zum Aufbau eines Überwachungs- und Vorhersagesystems für das Auftreten von Geruch und Korrosion

25 Skizze der Kanalforschungsanlage BWB Abluft Chemikaliendosierung Frischluft / andere Gase Schacht Rohrmaterialien Rezirkulation Pumpwerk Probennahmevorrichtung Kanal Optionale Schikane Beschichtungsmaterialien Rohrfermenter Onlinesensoren Stand: 11/2010

26 Kanalforschungsanlage Gezielte Steuerung von Inhaltsstoffen Beanspruchungen Alter des Abwassers Abwassertemperaturen Verwirbelungen im Abwasser

27 Die Versuchsanlage der BWB im Bau Standort Sonnenallee 2 Abwasserrohre DN 400 mit echtem städtischen Abwasser

28 Fermenter gezielter Alterung

29 Abwassermessstrecke In Situ-Messung von z.b.: Temperaturen Über UV-Vis CSB-Wert Feststoffe Redoxpotential Leitfähigkeit / ph-wert des Abwassers In der Anlage H 2 S-Konzentration im Gasraum ph-wert im Biofilm der Wandung

30 Laboranalytik CSB: mg/l, mg/l AFS: mg/l, 365 mg/l N ges : 49,1 94,9 mg/l, 65,4 mg/l SO 2-4 : mg/l, 151 mg/l

31 Ergebnisse Tracermessungen Versuchsstrecke Versuchsstrecke, 50% Füllstand Wassermessstrecke Wassermessstrecke, 50 % Füllstand Verweilzeit [s] Verweilzeit [min] Durchfluss [m³/h] Gefälle 0,1 % 5

32 Untersuchung 1. Gegenmaßnahme Dosierung von CaNO 3 Eigene Dosierpumpe beigestellt Konstante, permanente Dosierung keine Regelung vorhanden Dosiermenge 0,054 l/m³ basierend auf BWB-Kenndaten

33 Ergebnisse H 2 S-Messung, ohne Dosierung Konzentration [ppm] Durchfluss [m³/h] H2S_Extox H2S_OdaLog Q_Strecke1 Sollwert Sollwert: H2S < 10 ppm Datum mittlere H 2 S-Konzentration: 52,7 ppm

34 Ergebnisse H 2 S-Messung, mit Dosierung 0,054 l CaNO3/m³ Konzentration [ppm] Durchfluss [m³/h] H2S_Extox H2S_OdaLog Q_Strecke2 [m³/h] Sollwert Sollwert: H2S < 10 ppm Datum mittlere H 2 S-Konzentration: 12,7 ppm

35 Qualitätssicherung Materialeinlagerung (MPA 2011) Öffnungsklappe Vollmaterialien Auskleidungen Beschichtungen Rohrabschnitte und Schächte

36 Beispiel: Einlagerungsversuche 3 Monate Standardbeton SRB 85/35 Rieck,2011

37 Ergebnisse Biofilmuntersuchungen / Zehrungsmessungen Biofilmentwicklung nach 1,5 Monaten Schwach ausgeprägter Biofilm im Scheitelbereich Ablagerungen/Biofilm in der Wasserwechselzone

38 Zehrungsmessungen 8 7 O 2 -Konzentration [mg/l] Probe Rohrsohle Probe Rohrseite Zeit [s]

39 Zusammenfassung Ursachen für vermehrtes Auftreten von Geruch und Korrosion ist i.d.r. die größere Verweilzeit im Netz Erläuterung verschiedener Maßnahmen zur Geruchs- und Korrosionsvermeidung in Kanälen. Vorstellung der neuen Kanalforschungsanlage der BWB Verweilzeit in Druckleitung möglichst kleiner 2 h Schon bei kleinen Dosierungen von Nitrat Absenkung der H 2 S-Gehalte Standardbeton hat schon nach 3 Monaten Korrosionserscheinungen Allgemeine Empfehlung für die Praxis Beachtung der Problematik bereits in der Planungsphase Erprobung einer auf die spezifischen Verhältnisse angepassten Lösung

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42 Fachgerechter Pumpwerksbau Zuluft Abluft Abwasserzuläufe in Sammelbehältern von Abwasserpumpwerken O 2 Tubulenzen zeitweise benetzte Sielhaut ständig benetzte Sielhaut A aerobes Abwasser Abwasserzufluss Abwasserzufluss HS 2 Einschalt- Wasserspiegel Ausschalt- Wasserspiegel Abwasserzufluss Einschalt- Wasserspiegel Turbulenzen Ausschalt- Wasserspiegel B anaerobes Abwasser Einschalt- Wasserspiegel Ausschalt- Wasserspiegel unteres Rohrende ständig untergetaucht

43 Auswertung fachgerechter Pumpwerksbau PW Verchen PW KA Bornitz Ausgang fa Pu fa Pu normiert Ausgang fa Pu fa Pu normiert T C 18,6 8,6 18,6 17,2 8,5 17,2 H 2 S [ppm] Minimum 0,0 0,0 0,0 0,0 2,4 7,0 Mittel 144,3 0,9 1,6 218,8 16,3 29,2 Maximum 536,1 8,0 17,9 950,3 105,9 198,7 fa Pu: fachgerechter Pumpwerksbau fa Pu normiert : fachgerechter Pumpwerksbau bezogen auf das Sommerlevel

44 Systemdarstellung (Skizze) des Formverschlusssystems Formverschlusssystem FVAK Formverschlusssystem FVA Formverschlusssystem FVK (bei rück- und überstaugefährdeten Schächten)

45 Formverschlusssystem Wirkungsweise Starke Reduzierung bzw. Eindämmung von Geruch aus den Kanalschächten Reduzierung bzw. Eindämmung von Betonkorrosion in den Kanalschächten bis zum Sohlbereich Beibehaltung einer bestimmten Luftzirkulation in jedem Kanalschacht Aufbau des Dämpfungssystems ermöglicht zusätzlich die Ansiedlung von Geruchsstoff abbauenden Mikroorganismen Im Systemeinsatz umfangreiche Entlastung des Kanalnetzes Ungehinderter Regenablauf auch bei Mischwasserkanälen möglich Rückstau in Schächten wird nicht behindert Einbau und Wartung problemloser Ein- und Ausbau in weniger als 1 Minute sehr leicht (ca. 7 kg) sehr wartungsarm

46 Molchen der Druckrohrleitung Bei Zugabe von Leca (Blähton; 8-12 mm) Einbringen mittels Kanalsaugwagen ca. 2 m 3 wassergesättigtes Leca mit ca. 3 m 3 Wasser eingesaugt keine Pausen; ständig Wasser nachfüllen Füllung des gesamten Querschnitts mit Leca Kombination mit Tensiden Ziel kompakter Pfropfen Unterschiedliche Molche

47 Praktische Versuche Leca-Molchung TS mg/l Leca Versuche TS (Filter) Leca-Molchung als mechanische Reinigung 73 kg Sielhaut (TS), das heißt ca kg Biomasse. Das bedeutet, dass eine Schichtdicke von ungefähr 0,86 mm in der Rohrleitung war. Leca 1 Leca 2 Leca 3 Leca ,96 kg Sie lhaut KUGPIA 2005 Probe

48 Glass / Ceramics

49 Übersicht Calciumnitrat Leitungstyp Länge Dosiermenge Verbrauch Kosten je m³ Abwasser Fundstelle m kg/m³ l/m³ /m³ DL DL DL DL Freigefälle Freigefälle ,32 0,226 0,077 Kugpia S. 34ff ,38 0,263 0,090 Kugpia S. 39ff Druckrohrleitung: 0,35 0,244 0,083 Kugpia S ,15 0,103 0,035 Kugpia S. 40ff Dosiermenge: 0,14 kg/m³ bis 0,35 kg/m³ 0,20 0,142 0,049 Kosten: 3 ct/m³ bis 52 ct/m³ Kugpia S. 42 0,07-13 BWB-Veröffentlichung Freigefällekanal: 0, Dosiermenge: 0,06 kg/m³ 0,71 bis Heilmann, 2,4 kg/m³ Kosten: 1 ct/m³ 0,0341 bis 52 ct/m³ Friedrich, Joachimsthal 0,36 Barjenbruch ,36 0,02-0,52 LAWA ,010 0,012 Frey 0,03-0,5 Bischof, Eurawasser in Joachimsthal 0,01-2,5 BWB-Veröffentlichung 0,06 2,4 0,02-0,52 Ott 2004,

50 Übersicht Eisenverbindungen Druckleitungen Eisen(II)Chlorid Eisen(II) Eisen(III) Verbindung Eisen(II)Chlorid Eisen(II)Chlorid Eisen(II)Chlorid Eisen(III)Chlorid Eisen(III)Chlorid Eisen(III)Chlorid Eisen(III)chloridsulfat Länge Druckrohrleitung: Dosiermenge kg/m³ 0,22 0,24 0,24 0,20 0,23 0,16 0,42 Verbrauch l/m³ 0,154 0,171 Dosiermenge: 0,16 kg/m³ bis 0,42 kg/m³ 0,20 0,141 Kosten: 1 ct/m³ bis 10 ct/m³ 0,172 0,141 0,165 0,115 Kosten je m³ Abwasser /m³ 0,083 0,068 0,104 0,085 0,057 0,056 0,01 0,03 0,07 Fundestelle Kugpia Kugpia Kugpia Kugpia Kugpia Kugpia Kugpia Heilmann,, Heilmann,, Barjenbruch 2002

51 Optimale Gestaltung Übergabeschacht Schacht Druckleitung/Feispiegelleitung falsch: starke Turbulenzen, Druckleitungsscheitel nicht benetzt, keine Be- und Entlüftung Korrosion richtig: geringe Turbulenzen, Druckleitung gefüllt, Be- und Entlüftung vorhanden Zuluft Abluft Turbulenzen