Dr.-Ing. Dirk Weichgrebe

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1 Workshop Behandlung kommunaler Abwässer Sino-German Center for Environmental Technology, Changsha, Hunan, P.R.China Entwicklung der Kommunal- Abwasserreinigung in Deutschland und heutiger Stand Dr.-Ing. Dirk Weichgrebe INSTITUT FÜR SIEDLUNGSWASSERWIRTSCHAFT UND ABFALLTECHNIK DER UNIVERSITÄT HANNOVER Welfengarten 1, D Hannover Tel. 0511/

2 Gliederung Geschichtliche Entwicklung der Siedlungswasserwirtschaft in Deutschland Rechtliche Entwicklung zur Abwasserbehandlung Entwicklung der Entwässerungssysteme Entwicklung der kommunalen Abwasserbehandlung Stand der Technik der kommunal Abwasserbehandlung Aktuelle Probleme und Lösungsansätze Zusammenfassung und Ausblick

3 Geschichtliche Entwicklung der Siedlungswasserwirtschaft in Deutschland Jahr Typhusfälle je E NEUZEIT ( n. Chr.) Kanalanschluß von Grundstücken beginnende Industrialisierung führte teilweise zu einer Verschlechterung der hygienischen Verhältnisse In einigen Städte 1875 wurde zur Sammlung 97 und Entfernung der 57 Exkremente bis Ende des 18. Jhd. das Tonnensystem angewandt nach schwerer Choleraepidemie 1831 begann man in London mit dem Kanalisationsbau (Entwurf von ROE und RAWLINSON) erste Kanalisationsbauten in Hamburg (engl. Ing. LINDLEY) erstes deutsches Wasserwerk nach LINDLEY in Hamburg ab Kanalisationsbauten in Berlin (durch HOBRECHT und VIRCHOW) Chemnitz, 1920 Leipzig, Frankfurt 2 usw Typhussterblichkeit und Kanalanschluß in Berlin, (Illi,M., Verl. Bjarsch, Neue B., Züricher W&B 3 Zeitung (1997)(1987)) 45 ff.

4 Geschichtliche Entwicklung der Siedlungswasserwirtschaft in Deutschland - Das Abwasserproblem wurde zu einem Flußproblem - Schlammbeseitigung durch Verklappung im Meer, landwirtschaftliche Nutzung (Verrieselung), Schlammteiche und Deponien, Versuche zur Schlammentwässerung in England 1883 in Frankfurt wurden zur Entschlammung horizontal durchflossene Klärkammern (Absetzbecken) installiert 1900 Reichswassergesetz scheiterte am Widerstand der Industrie => Gründung des Reichsgesundheitsrates 1904/11Gründung von Emschergenossenschaft und Ruhrverbandes 1922 Schlammstabilisierung + Faulung mit Faulgasnutzung in Aachen 1925in Essen 1926 erste Belebungsanlage in Essen-Recklinghausen durch IMHOFF 1934 bereits ca. 90 Tropfkörpern installiert (ca. 1,3 Mio. EW)

5 Rechtliche Entwicklung zur Abwasserbehandlung In den Aufbaujahren nach dem 2. Weltkrieg konnte in beiden Teilen Deutschlands der Gewässerschutz mit der Ausweitung der industriellen Tätigkeit nicht Schritthalten. Ende der 60er, Anfang der 70er Jahre hatte die Gewässerverschmutzung in Deutschland ein besorgniserregendes Ausmaß angenommen Verabschiedung des ersten Wasserhaushaltsgesetzes WHG in Deutschland, jedoch ohne konkrete oder allgemeinverbindlichen Anforderungen an die Einleitung von Abwässern in oberirdische Gewässer 1960 Inkrafttreten des 1. WHG in den Ländern 1976 Novelle des 4. WHG in den Ländern

6 Rechtliche Entwicklung zur Abwasserbehandlung Rechtlicher Rahmen: 1976: 4. Novelle des Wasserhaushaltsgesetz Durch 7a sind bundesweit gültige Mindestanforderungen an das Einleiten von Abwasser in Gewässer gestellt worden Abwasserbehandlung Abwasseranfall Abwasservermeidung Der vorsorgende Schutz der Gewässer als Bestandteil des Naturhaushaltes und die Sicherstellung der öffentlichen Wasserversorgung sind zentrale Aufgaben der Umweltpolitik von Bund, Ländern und Gemeinden.

7 Wiedervereinigung beider deutschen Staaten Nach dem Zusammenschluss beider deutscher Staaten am war die Angleichung des Umweltschutzniveaus eine große Aufgabe. Der technische Standard der Wasserver- und Entsorgung lag in den fünf neuen Ländern (MV, SN, TH, BB, SA) deutlich unter dem der alten Bundesländer. Ziel war es daher, bis zum Jahr 2000 gleiche Umweltbedingungen auf hohem Niveau in ganz Deutschland zu schaffen.

8 HB NW RP Deutschland SH MV HH BB NI NI BE ST TH SN HE SL BW BY Deutschland liegt inmitten Europas und bedeckt eine Fläche von km². Die Bundesrepublik Deutschland hat ca. 82. Mill. Einwohner. => ca. 230 Ew/km²

9 Rechtliche Entwicklung zur Abwasserbehandlung 1991: EU-Richtlinie des Rates über die Behandlung kommunalen Abwassers wird gültig. 1996: 6. (bisher letzte) Novelle des 7a des WHG der BRD Vorsorgeprinzip! Stand der Technik zur Abwasserbehandlung wird per Rechtsverordnung festgelegt! 1997: Neue Abwasserverordnung setzt die EU-Richtlinie in nationales Recht um.

10 Anforderungen nach der Abwasserverordnung, 1997 Größenklasse EW auf Basis von 60 g BSB 5 /(EW*d) CSB mg/l BSB 5 mg/l NH 4 -N* ) mg/l anorg. N* ) mg/l gesamt-p mg/l 1 < bis < > bis > bis ** ) 2 5 > ** ) 1 * ) Diese Anforderung gilt bei einer Abwassertemperatur von 12 C und größer im Ablauf des biologischen Reaktors der Abwasserbehandlungsanlage. An die Stelle von 12 C kann auch die zeitliche Begrenzung vom 1.Mai bis 31.Oktober treten ** ) 25 mg/l wenn die Gesamt N-Tagesfracht um 70% reduziert wird bei einem Probenahmezeitraum 24h Überwachungswerte: Einhaltungskriterium: 2h-Mischprobe oder qualifizierte Stichprobe höchstens eine der letzten fünf Überprüfungen übersteigt den Grenzwert, höchstens um 100%

11 Entwicklung der Entwässerungssysteme häusliches, gewerbliches und industrielles Schmutzwasser behandlungsbedürftiges Niederschlagswasser nicht behandlungsbedürftiges Niederschlagswasser Aussengebiete, Dränwasser, Quellen, Brunnen Mischsystem Trennsystem MW- Kanal Kläranlage Retention, Nutzung, Versickerung, Ableitung Gewässer Gewässer Gewässer / Grundwasser Mischwasserbehandlung SW- Kanal Neubau von : 1998: Mischwasserkanal Schmutzwasserkanal Regenwasserkanal Kläranlage Gesamt in Deutschland km km km RWca. Kanal km Regenwasserbehandlung km Retention, Nutzung, Versickerung, Ableitung häusliches, gewerbliches und industrielles Schmutzwasser behandlungsbedürftiges Niederschlagswasser nicht behandlungsbedürftiges Niederschlagswasser Aussengebiete, Dränwasser, Quellen, Brunnen (nach ATV, KA 8/1996)

12 Kanalisation Regenwasserauslass

13 Regenrückhaltebecken

14 Entwicklung der kommunalen Abwasserbehandlung in Deutschland am Beispiel der KA Duisburg-Kaßlerfeld D = 65 m, V = m³, Q = m³/d bis 1984: mechanische Reinigung bis 1989: chemische Reinigung Luftbildaufnahme der mechanischen Kläranlage Duisburg-Kaßlerfeld, EWG Neubau 1994: biologische Reinigung einschl. Filterkuchendeponie (Investition: 143 Mio )

15 Entwicklung der kommunalen Abwasserbehandlung in Deutschland am Beispiel der KA Duisburg-Kaßlerfeld Mechanische Reinigung 1984 Chemische Reinigung 1989 Biologische Reinigung 1994 Q d md BSB 5 mg/l CSB mg/l P ges mg/l 6,8 0,6 0,5 N ges mg/l 33,9 34,4 14,2 Rohschlammmenge ma Feststoffgehalt % 7 7 5,2 Feststoffe t/a

16 Entwicklung der kommunalen Abwasserbehandlung in Deutschland am Beispiel der KA Duisburg-Kaßlerfeld Betriebskosten in Mio /a Mechanische Reinigung 1984 Chemische Reinigung 1989 Biologische Reinigung 1994 Lne Betriebsmittel davon: F lungsmittel Instandhaltung Schlammentsorgung einschl. Entwserung Betriebskosten total in Mio /a Kosten der Schlammentsorgung in t/ts 0,22 0,26 1,15 0,12 1,2 1,09-0,77-0,04 0,035 0,3 0,37 1,94 0,6 0,75 4,21 3,14 42,9 117,6 37,3

17 Entwicklung der kommunalen Abwasserbehandlung in Deutschland am Beispiel der KA Duisburg-Kaßlerfeld

18 KA Herrenhausen: Tropfkörper %- Abbauleistung BSB 5sed Raumbelastung B R in g BSB 5ges / m³ *d

19 Tropfkörper-Belastungen (Imhoff, K.R., KA 4(1998)) etwa Jahr Abdeckng schwach belastet hochbelastete Brocken hochbelastete Kunststoffe mit Nitrifikation Brocken mit Nitrifikation Kunststoffe DIN 4261 kleine Tropfkper Turm Tropfkper ,2 0,7 kg BSB 5 je m³ Füllmaterial täglich 3, ,2 0,4 0,4-0,8 0, ,2 0,2-0,4 Drehsprenger Flung Einwohner je m³ Füllmaterial 85 Denitrifikation im abgedecketen Tropfkper Zulauf eingestaute Luft fnung eingestater Ablaf

20 KA Herrenhasen: Tropfkörper

21 Entwicklng des Asbas der Kläranlagen in der BRD (nach Dohmann, M. ; KA 5 (1997) 793 ff.) Anteil der komm. Kläranlagenkapazität mit weitergehender Abwasserreinigng in % Alte Bndesländer Kohlenstoff-Elimination Phophor-Elimination Stickstoff-Elimination Stickstoff-Oxidation Anforderngen an kommnale Kläranlagen Jahr

22 Entwicklng der öffentlichen Abwasserbehandlng Gesamtzahl der Kläranlagen Abwasserbehandlngsgrad 100% 90% 80% 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% % alte Lder alte Lder neue nee Lder Detschland Biologisch behandelt Mechanisch behandelt Nicht in öffentl. Kläranlagen Nicht in öffentl. Kanalisation erfaßt, behandelt ohne Abwasserbehandlung 1998 (nach Angaben des Umweltbundesamtes, 2001)

23 Reinigngsleistng kommnaler ARA in Detschland 4 3 (ATV-Bröschüre, 1997) Stfe Stfe Rest- Restverschmtzng verschmtzng 5 Trennkennwerte in mg/l für 5 sehr sehr groß groß > > > > > > > > > > 5,0 5,0 Saerstoffbedarfsstfe 4 Nährstoffbedarfsstfe 4 groß groß ,1 2,1 -- 5,0 5,0 3 mäßig ,1-2,0 Trennkennwerte Trennkennwerte in in mg/l mg/l für für Saerstoffbedarfsstfe Saerstoffbedarfsstfe Nährstoffbedarfsstfe Nährstoffbedarfsstfe Stfe Rest- ATH- 33 mäßig mäßig CSB NH 4 -N N 20 ges P ges ,1 1,1 -- 2,0 2,0 verschmtzng BSB 5 22 gering gering ,6 0,6 -- 1,0 1,0 5 sehr groß > 30 > 120 > 20 > 35 > 5,0 11 sehr sehr gering gering ,5 0,5 4 groß ,1-5,0 ATH- ATH- BSB BSB 5 5 CSB CSB NH NH 4 -N 4 -N N ges. P ges. P ges. ges gering ,6-1,0 1 sehr gering ,5 Sauerstoffbedarfsstufe Nährstoffbedarfsstufe Jahr

24 Abwassereinleitng in der BRD in Mrd. m³ Art des Abwassers nbehandeltes Einleitngngsart Indirekteinleitng Abwassereinleitng Direkt- behandeltes ngentzt insgesamt biolog. gesamt K lwass. Wasser davon ins- davon eingeleit. insgesamt einleitng Jahr ,07 10,53 8,77 36,10 34,58 1,44 47,08 0, ,36 11,32 10,28 33,58 32,39 1,47 45,55 0, ,06 10,80 10,26 31,80 30,83 1,45 43,27 0,79 100% prozentale Afteilng für % 60% 40% 20% 0% öffentliche Abwasserbeseitigng Verarbeitende Indstrie Wärmekraftwerke für die öffentliche Versorgng Bergba. Gewinnng von Steine nd Erden Angaben nach Stat. Jahrbuch 2001

25 Diffuse Stickstoffeintre in 1000 t/a 14 (1,6%) Erosion 45 (5,8 %) 400 (46,6 %) Grundwasser 330 (42,6 %) 13 (1,5%) Einleitungen Landwirtschaft 22 (2,6 %)) Niederschlag und Streu 65 (8,4 %) 20 (2,6%) 290 ( 33,8 %) hsl. Abwasser 235 (30,3 %) 29 (3,3 %) 60 (7,7 %) 20 (2,6 %) Regenwasserbehandlung 91 (10,6 %) indust. Abwasser 1989/91 Punktfmige Stickstoffeintre in 1000 t/a 1996 (BMU,1996)

26 Diffuse Phosphoreintre in 1000 t/a Erosion 6,1 (7,2 %) 18,5 (31,9%) 1 (1,2%) Grundwasser 1 (1,7%) Einleitungen Landwirtschaft 8 (9,4%) 8,5 (14,7%) Niederschlag und Streu 3,8 (4,5%) 1 (1,7 %) 6 (10,3 %) 3,8 (4,5 %) 12 (14,1 %) 50,2 (59,1 %) 17 (29,3 %) Regenwasserbehandlung indust. Abwasser hsl. Abwasser 6 (10,3) 1989/91 Punktfmige Phosphoreintre in 1000 t/a 1996 (BMU,1996)

27 Gesamtbild einer Kläranlage Mechanische Abwasserreinigung Biologische Abwasserreinigung Schlammbehandlung

28 Ablauf einer Bemessung Lastfälle aus Grundlagenermittlung Planerische Vorgaben (Platz, Baugrund, Hydraulik, etc.) Verfahrenswahl, erf. Schlammalter, Annahme des Schlammindex In Deutschland werden von Fachausschüssen der ATV- DVWK (Abwassertechnische Vereinigung) Regelwerke und Merkblätter für den Entwurf, die Bemessung und den Betrieb der einzelnen Behandlungsstufen und Anlagenkomponenenten erarbeitet, veröffentlicht und regelmäßig den neuen Technikstandard angepaßt.

29 Bemessungsdiagramm BSB 5 - Abbau (%) Schlammstabilisation Nitrifikation Weitergehende Hochbelastetes Oxydation des org.c Belebungsverfahren 0,02 0,05 0,1 0,2 0,3 0, Schlammbelastung (g BSB 5 /d*gts) 0,54 0,75 0,83 0,95 1,10 1,40 1,45 1,50 Überschussschlamm (gts/g BSB 5 - Abbau) ,5 4,3 2,3 1,2 0,5 0,3 0,2 Schlammalter (Tage)

30 Ablauf einer Bemessung Lastfälle aus Grundlagenermittlung Ende der Bemessung Planerische Vorgaben (Platz, Baugrund, Hydraulik, etc.) Verfahrenswahl, erf. Schlammalter, Annahme des Schlammindex NEIN JA Optimiertes Gesamtkonzept Bemessung der Nachklärung Variation TS BB Bemessung der Belebungsbecken NEIN Optimierte Abstimmung BB / NK JA

31 Wesentliche Verfahren zur Denitrifikation (ATV-Handbuch, 1996) Belebungsbecken Mitte: Denitrifikation Außen: Nitrifikation Abfluss Verteilungsbauwerk Rücklaufschlammpumpe Nachklärbecken

32 Sequenzing-Batch-Reactor (SBR) - Verfahren Reakoren Speicher Gereinigtes Abwasser Flen Dekantieren Sedimentieren Belten

33 Haupstromverfahren zur bio-p- Elimination (ATV-Handbuch, 1996)

34 Aktuelle Probleme, Handlungsbedarf und Lösungsansätze Belebungsbecken Nach- TS ca. 4 g/l Anlagen die noch nicht den geltenden Anforderungen Klung der Ablauf Abwasserverordnung Zulauf entsprechen, müssen nachgerüstet werden. Weitere Potentiale zur Reduktion leicht abbaubarer, sauerstoffzehrender Substanzen liegen in der Entwicklung und Erprobung -Abzug neuer (kostengünstiger) Biomassen-Rkfrung Verfahren der Abwasserbehandlung. Belebungsbecken Zum Beispiel können TS ca. 20g/l mit V Einsatz 1/5V konventionell von Membranfiltrationsanlagen sowohl Anforderungen Zulauf einer weitergehenden Abwasserreinigung Ablauf als auch eine hohe hygienische Sicherheit (mit praktisch vollständiger Entfernung pathogener Erreger) bei der Einleitung von Abwasser in Oberflächengewässer erreicht werden. -Abzug Biomassen-Rkfrung

35 Fa. Zenon, Kanada Fa. Kubota, Japan

36 Aktuelle Probleme, Handlungsbedarf und Lösungsansätze Verfahrensentwicklungen werden auch in Richtung Schließung von Stoffkreisläufen und Verwertung der im Abwasser enthaltenen Nährstoffe durchgeführt. Die in letzter Zeit gewonnenen Erkenntnisse über die Durchlässigkeit von Kanalisationen und Kläranlagen für endokrinwirksame Stoffe und Arzneimittelrückstände müssen erweitert werden, und es sind neue Konzepte zu entwickeln, die bereits an der Quelle der Abwasserent-stehung ansetzen. Für dezentrale Abwasserreinigungen (Kleinkläranlagen), die überwiegend als kostengünstige Übergangslösungen (für Streusiedlungen und Einzelanwesen meist als Dauerlösung) gewählt werden, sind weitere Anforderungen an die Reinigungsleistung aufzustellen.

37 Aktuelle Probleme, Handlungsbedarf und Lösungsansätze Weitere bedeutende Maßnahmen zur Reduktion des kommunalen bzw. Mischwasseranfalls ist der zunehmende Einsatz der Trennkanalisation bei der Planung von Entwässerungssystemen. Die Regenwassermenge, die infolge des zu beobachtenden Klimawandels ansteigt, ist durch Ausbau der Behandlungskapazitäten zu entsorgen. Aus dem Gesichtspunkt des integrierten mweltschutzes kommt nicht zuletzt dem Bereich Energiemanagement auf Kläranlagen zunehmende Bedeutung zu.

38 Energieerzeugung und -bedarf auf Kläranlagen Parameter Anlage 1 Anlage 2 Anlage 3 EW Energiebedarf gesamt [kwh/a] Energieerzeugung [kwh/a] Anteil Eigenerzeugung [%] 5,5 Mio. 15 Mio. 13,1 Mio. 2,9 Mio. 10,5 Mio. 7,3 Mio. 53 % 70 % 56 % ARA mit Druckbelüftung und Schlammfaulung (Rosenwinkel, 1998)

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45 Danksagung Ich bedanke mich recht herzlich noch einmal für die Einladung von der GTZ - bei Herrn Dr. Schüssler - und die Möglichkeit hier bei Ihnen meine Kenntnisse präsentieren zu dürfen. Ich bedanke mich recht herzlich für Ihre Aufmerksamkeit, stehe für weitere Fragen gerne zur Verfügung und wünsche Ihnen