Ergänzende Berechnungsbeispiele zu DWA-Themen T4/2016 Bemessung von Kläranlagen in warmen und kalten Klimazonen

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1 Ergänzende Berechnungsbeispiele zu DWA-Themen T4/2016 Bemessung von Kläranlagen in warmen und kalten Klimazonen Erstellt im Rahmen des EXPOVAL-Verbundprojektes November 2017

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3 Ergänzende Berechnungsbeispiele zu DWA-Themen T4/2016 Bemessung von Kläranlagen in warmen und kalten Klimazonen Erstellt im Rahmen des EXPOVAL-Verbundprojektes November 2017

4 Impressum Die Erstellung dieser Publikation erfolgte im Rahmen des Verbundprojekts Exportorientierte Forschung und Entwicklung im Bereich Abwasser Validierung an technischen Anlagen (EXPOVAL)". Das Verbundprojekt wird mit Mitteln des Bundesministeriums für Bildung und Forschung (BMBF) unter den Förderkennzeichen 02WA1252A 02WA1252S gefördert. Die vorliegende Publikation wurde auf Basis der DWA-Themen T4/2016 Bemessung von Kläranlagen in warmen und kalten Klimazonen erstellt. Die Verantwortung für den Inhalt der vorliegenden Publikation liegt bei den in der DWA-Arbeitsgruppe BIZ-11.3 eingebundenen Autoren der angewendeten Bemessungsansätze gemäß DWA-Themen T4/2016. Editor und Herausgeber: Emscher Wassertechnik GmbH Brunnenstr. 37, Essen Tel.: 0201/ Kostenfreier Download unter Die Publikation ist nicht für den gewerblichen Vertrieb bestimmt. Deckblatt: Kläranlage Fujairah, VAE (Foto: Emscher Wassertechnik GmbH) November November 2017

5 Inhalt 1 Einleitung Eingangsdaten und Reinigungsanforderungen für die Berechnungsbeispiele Berechnungsbeispiel für eine Vorklärung Zusammenstellung der benötigten Eingangsgrößen Bemessung der Vorklärung mit dem Reinigungsziel Kohlenstoffabbau Vergleich der Bemessung der Vorklärung mit den Behandlungszielen des Kohlenstoffabbaus, der Nitrifikation und Denitrifikation Berechnungsbeispiel für eine Belebungsanlage Bemessung der Belebung mit dem Behandlungsziel der Kohlenstoffelimination bei TW = 5 C Bemessungsgrundlagen Berechnung der Schlammmasse Bemessung der Belebung Bemessung der Belebung mit dem Behandlungszielen des Kohlenstoffabbaus, der Nitrifikation und Denitrifikation bei TW = 15 C Bemessung der Belebung mit dem Behandlungszielen des Kohlenstoffabbaus, der Nitrifikation und Denitrifikation bei TW = 15 C nach DWA-A 131 (2016) Vergleich der Bemessungen bei verschiedenen Reinigungszielen und Abwassertemperaturen Bemessung von Belüftungssystemen Vergleich der erforderlichen Sauerstoffzufuhr SOTR bei Druckbelüftungssystemen mit dem Behandlungsziel des Kohlenstoffabbaus, der Nitrifikation und Denitrifikation bei TW = 15 C Vergleich der erforderlichen Sauerstoffzufuhr SOTR bei Oberflächenbelüftungssystemen mit dem Behandlungsziel des Kohlenstoffabbaus, der Nitrifikation und Denitrifikation bei TW = 15 C Berechnungsbeispiel für eine Tropfkörperanlage Ermittlung der benötigten Eingangsgrößen Start der Iteration und erste Iterationsschritte Dimensionierung der Nachklärung Ergebnisprüfung Korrektur der hydraulischen Parameter Fortsetzung der Iteration (mit Rezirkulation) Einfluss des Salzgehalts und Sicherheitskonzept Ergebnisprüfung Darstellung der Tropfkörperdimensionen Berechnungsbeispiel für einen UASB-Reaktor Zusammenstellung der benötigten Eingangsgrößen Schrittweise Bemessung Berechnungsbeispiel für eine unbelüftete Abwasserteichanlage Zusammenstellung der benötigten Eingangsgrößen November

6 7.2 Bemessung der Fakultativteiche Berechnungsbeispiel für eine belüftete Abwasserteichanlage Zusammenstellung der benötigten Eingangsgrößen Bemessung der belüfteten Abwasserteiche Berechnungsbeispiel für die anaerobe Klärschlammbehandlung Zusammenstellung der benötigten Eingangsgrößen Schrittweise Bemessung Berechnungsbeispiel für eine Verfahrenskombination aus UASB-Reaktor und Tropfkörpern Zusammenstellung der benötigten Eingangsgrößen Zulauffraktionierungen zur Bemessung des UASB-Reaktors Schrittweise Bemessung des UASB-Reaktors Eingangsgrößen für die Bemessung der Tropfkörper Start der Iteration und erste Iterationsschritte für die Tropfkörper Ergebnisprüfung für die Tropfkörper Ausgabewerte und Dimensionierung der Tropfkörper Berechnungsbeispiel für eine Verfahrenskombination aus UASB-Reaktor und Abwasserteichen Zusammenstellung der benötigten Eingangsgrößen Bemessung des UASB-Reaktors Bemessung der Fakultativteiche Zusammenfassung Ansprechpartner Bilderverzeichnis Bild 4.1: Bild 4.2: Vergleich des erforderlichen Bemessungsschlammalters tts und des erforderlichen Volumens der Belebungsbecken VBB für die unterschiedlichen Bemessungsfälle nach Tabelle Vergleich des stündlichen Sauerstoffverbrauchs OVh sowie der erforderlichen Sauerstoffzufuhr SOTR für die unterschiedlichen Bemessungsfälle Bild 10.1: Verfahrenskombination aus UASB-Reaktor und Tropfkörper Bild 11.1: Verfahrenskombination aus UASB-Reaktor und Fakultativteich Tabellenverzeichnis Tabelle 2.1: Zulaufwerte als Eingangswerte für die Berechnungsbeispiele... 6 Tabelle 2.2: Ablaufanforderungen für die Berechnungsbeispiele (Bemessungsfall 1 bis 3)... 6 Tabelle 2.3: Übersicht der Berechnungsbeispiele zur Abwasser- und Schlammbehandlung... 7 Tabelle 3.1: Eingangsgrößen für die Bemessung der Vorklärung... 8 Tabelle 3.2: Zulauffrachten, Abscheideleistung und resultierende Frachten im Ablauf der Vorklärung... 9 Tabelle 3.3: Vergleich der Bemessung der Vorklärung nach unterschiedlichen Behandlungszielen Tabelle 4.1: Eingangsgrößen für die Bemessung der Belebungsanlage November 2017

7 Tabelle 4.2: Berechnungsergebnisse für die Belebungsanlage bei verschiedenen Reinigungszielen Tabelle 4.3: Tabelle 4.4: Tabelle 4.5: Tabelle 4.6: Tabelle 4.7: Tabelle 4.8: Tabelle 4.9: Eingangsgrößen für die Bemessung des Belüftungssystems mit dem Behandlungsziel Kohlenstoffabbau bei TW = 5 C Berechnung von SOTR bei Druckbelüftungssystemen mit dem Behandlungsziel des Kohlenstoffabbaus bei TW = 5 C Berechnung von SOTR bei Oberflächenbelüftungssystemen und dem Behandlungsziel des Kohlenstoffabbaus bei TW = 5 C Eingangsgrößen von SOTR bei Druckbelüftungssystemen mit dem Behandlungsziel des Kohlenstoffabbaus, der Nitrifikation und Denitrifikation bei TW = 15 C Berechnung von SOTR bei Druckbelüftungssystemen mit dem Behandlungsziel des Kohlenstoffabbaus, der Nitrifikation und Denitrifikation bei TW = 15 C Eingangsparameter von SOTR bei Oberflächenbelüftungssystemen und dem Behandlungsziel Kohlenstoffabbau, Nitrifikation und Denitrifikation bei TW = 15 C nach DWA-A 131 (2016) Berechnung von SOTR bei Oberflächenbelüftungssystemen und dem Behandlungsziel Kohlenstoffabbau, Nitrifikation und Denitrifikation bei TW = 15 C nach DWA-A 131 (2016) Tabelle 4.10: Berechnung von SOTR bei Oberflächenbelüftungssystemen mit dem Behandlungsziel des Kohlenstoffabbaus, der Nitrifikation und Denitrifikation bei TW = 15 C Tabelle 4.11: Berechnung von SOTR bei Oberflächenbelüftungssystemen mit dem Behandlungsziel des Kohlenstoffabbaus, der Nitrifikation und Denitrifikation bei TW = 15 C nach DWA-A 131 (2016) Tabelle 5.1: Eingangsgrößen für die Bemessung des Tropfkörpers Tabelle 5.2: Eingangswerte für den Bemessungsalgorithmus Tabelle 5.3: Iterationsschritte der Tropfkörperberechnung Tabelle 5.4: Konzentrationen im Tropfkörperzulauf und -ablauf mit 50 % Rezirkulationsrate Tabelle 5.5: Konzentrationen im Tropfkörperzulauf und -ablauf nach Anwendung des Sicherheitskonzepts mit 50 % Rezirkulationsrate Tabelle 5.6: Dimensionierung der Tropfkörper und Nachklärung Tabelle 6.1: Eingangsgrößen für die Bemessung des UASB-Reaktors Tabelle 6.2: Übersicht Iteration, um tts einzuhalten (angepasste Parameter sind fett markiert) Tabelle 7.1: Eingangsgrößen für die Bemessung einer unbelüfteten Abwasserteichanlage Tabelle 8.1: Eingangsgrößen für die Bemessung einer belüfteten Abwasserteichanlage Tabelle 9.1: Eingangsgrößen für die Bemessung der anaeroben Schlammbehandlung Tabelle 10.1: Eingangsgrößen für die Bemessung des UASB-Reaktors Tabelle 10.2: Übersicht Iteration, um tts einzuhalten (angepasste Parameter sind fett markiert) Tabelle 10.3: Eingangsgrößen für die Bemessung des Tropfkörpers Tabelle 10.4: Eingangswerte für den Bemessungsalgorithmus (ohne Rezirkulation) Tabelle 10.5: Segmentweise Berechnung nach Abschluss der Iteration Tabelle 10.6: Konzentrationen im Tropfkörperzulauf und -ablauf Tabelle 10.7: Ergebniswerte aus der Bemessung der Tropfkörper (Werte für den Ablauf der Nachklärung) Tabelle 10.8: Dimensionierung der Tropfkörper und Nachklärung Tabelle 11.1: Eingangsgrößen für die Bemessung des UASB-Reaktors Tabelle 11.2: Eingangsgrößen für die Bemessung des Fakultativteichs November

8 1 Einleitung Im Oktober 2016 sind die DWA-Themen T4/2016 Bemessung von Kläranlagen in warmen und kalten Klimazonen veröffentlicht worden. In diesen sind als Ergänzung zum bewährten, aber weitgehend auf die Verhältnisse in Deutschland fokussierten DWA-Regelwerk international anwendbare Bemessungsansätze für die gängigen Verfahren der kommunalen Abwasser- und Schlammbehandlung dargelegt. Erweiterung der Berechnungsbeispiele zu den DWA-Themen T4/2016 Im Anhang B der DWA-Themen T4/2016 wird anhand von Berechnungsbeispielen die praktische Anwendung der einzelnen Bemessungsgänge verdeutlicht. Diese berücksichtigen vor allem hohe Temperaturen in warmen Klimazonen. Ergänzend dazu wird mit den vorliegenden, zusätzlichen Berechnungsbeispielen die praktische Anwendung der DWA-Themen T4/2016 für weitere Reinigungsziele und für niedrige Temperaturen veranschaulicht. Dabei steht das Behandlungsziel der alleinigen Kohlenstoffelimination im Vordergrund. Die Anwendung in kalten Klimaten wird in den vorliegenden Berechnungsbeispielen jeweils durch Ansetzen der niedrigsten Temperatur innerhalb des Anwendungsbereichs berücksichtigt. Auch werden weitere praxisnahe Verfahrenskombinationen durch Verknüpfung einzelner Bemessungsansätze dargestellt, mit denen Behandlungsziele erreicht werden können, die die einzelnen Verfahren alleine nicht erbringen. Mit den in dieser Publikation gegebenen Hinweisen und Berechnungsbeispielen erhalten Anwender eine umfangreiche Ergänzung zu den Beispielen in den DWA-Themen T4/2016. In der Kombination der beiden Dokumente wird ein breites Spektrum an Anwendungsfällen dargelegt, um weltweit Kläranlagen in warmen und kalten Klimaten bemessen zu können. Verwendung nur in Kombination mit dem DWA-Themenband Die vorliegende Publikation ist immer in Kombination mit den DWA-Themen T4/2016 zu verwenden, in denen die ausführliche Beschreibung der Anwendungsbereiche und einzelnen Bemessungsgänge erfolgt sowie planerische und betriebliche Hinweise zu den einzelnen Verfahren gegeben werden. Für die Erläuterung der Kurzzeichen und Abkürzungen sowie zu Hintergründen der Eingangsgrößen und Reinigungsanforderungen wird ebenfalls auf die DWA-Themen T4/2016 (Abschnitte 2 und 3) verwiesen. Bei Hinweisen und Fragen Für Hinweise und Fragen zu den Bemessungsansätzen stehen Ihnen die Autoren der DWA-Themen T4/2016 und die zuständige DWA-Arbeitsgruppe BIZ-11.3 Bemessung von Kläranlagen in warmen und kalten Klimazonen gerne zur Verfügung (siehe Abschnitt 13). 5 November 2017

9 2 Eingangsdaten und Reinigungsanforderungen für die Berechnungsbeispiele Analog zu den DWA-Themen T4/2016 sind die nachfolgenden Berechnungsbeispiele für Anlagen mit einer Kapazität (EZ CSB,120) von E vorgesehen. In Tabelle 2.1 sind die Zulaufdaten zusammengestellt. Dabei wird ein einwohnerspezifischer täglicher Abwasseranfall von 200 l/(e d) angenommen. Die genannten Frachten sind als Tagesmittelwerte angegeben. Zur Verdeutlichung der Anwendung in kalten Klimaten wird in den vorliegenden Berechnungsbeispielen jeweils die niedrigste Temperatur innerhalb des Anwendungsbereichs (meist 5 C bis 30 C) der einzelnen Bemessungsansätze berücksichtigt. Bis auf die Abwassertemperatur sind die Eingangswerte identisch mit den in den DWA-Themen T4/2016 gegebenen Zulaufdaten (dortige Tabelle B.1), um einen direkten Vergleich der Berechnungsbeispiele zu ermöglichen. Tabelle 2.1: Zulaufwerte als Eingangswerte für die Berechnungsbeispiele Eingangsparameter Einheit Wert Abwassertemperatur (T W)* ) C 5 / 15 / 30 täglicher Trockenwetterabfluss im Jahresmittel (Q T,d,aM) m³/d maximaler stündlicher Bemessungszufluss (Q T,1h,max) m³/h Tagesfracht des CSB in der homogenisierten Probe (B d,csb,hom) kg/d Tagesfracht des CSB in der mit 0,45 µm Membranfilter filtrierten Probe (B d,csb,filt) Tagesfracht der mit 0,45 m Membranfilter abfiltrierbaren Stoffe nach Trocknung bei 105 C (B d,ts) kg/d kg/d Tagesfracht des Gesamtstickstoffs als Stickstoff (B d,n) kg/d Tagesfracht des Ammoniumstickstoffs als Stickstoff (B d,nh4) kg/d 733 Tagesfracht des Phosphors als Phosphor (B d,p) kg/d 180 Salzgehalt (S TDS) g/l 10 Anmerkung * ) Die Temperatur variiert je nach Berechnungsbeispielen und ist als Eingangsparameter entsprechend vorher definiert. Ergänzend wurden für die Berechnungsbeispiele verschiedene Behandlungsziele gemäß Tabelle 2.2 vorgegeben. Die Ablaufanforderungen sind als Tagesmittelwerte der Ablaufkonzentration definiert. Tabelle 2.2: Ablaufanforderungen für die Berechnungsbeispiele (Bemessungsfall 1 bis 3) Fall- Nr. Behandlungsziel Anforderungen für den Tagesmittelwert 1 Kohlenstoffelimination C CSB,ÜW = 100 mg/l - 2 Kohlenstoffelimination und Nitrifikation C CSB,ÜW = 100 mg/l S NH4,ÜW = 5 mg/l 3 Kohlenstoff- und Stickstoffelimination C CSB,ÜW = 100 mg/l S NH4,ÜW = 5 mg/l CN,ÜW = 15 mg/l November

10 Mit den nachfolgenden Berechnungsbeispielen wird die biologische Abwasserbehandlung im Hinblick auf die jeweiligen Reinigungsziele ausgelegt, siehe Übersicht in Tabelle 2.3. Der Schwerpunkt der Reinigungsziele liegt auf der alleinigen Kohlenstoffelimination (Bemessungsfall 1). Bei den gewählten, sehr niedrigen Abwassertemperaturen von 5 C ist eine gesicherte Stickstoffelimination nicht zu gewährleisten. Für die Belebungsanlage wird die Bemessung für das Reinigungsziel des Kohlenstoffabbaus mit Nitri- und Denitrifikation (Bemessungsfall 3) bei einer mittleren Abwassertemperatur von 15 C zusätzlich die Bemessung nach DWA-A 131 gegenübergestellt. In den beiden letztgenannten Beispielen werden Verfahrenskombinationen von jeweils zwei Behandlungsverfahren vorgestellt. Damit können auch Reinigungsanforderungen erfüllt werden, die ein Verfahren alleine nicht erbringen kann. Tabelle 2.3: Kap.- Nr. Übersicht der Berechnungsbeispiele zur Abwasser- und Schlammbehandlung Verfahren Temperatur Behandlungsziel Bemessungsfall nach Tab. 2.2 Abwasserbehandlung 3 Vorklärung Reduzierung der organischen Feststofffracht 4 Belebungsanlage einschl. Belüftung Fall 1 5 C Kohlenstoffabbau Fall 1 15 C Kohlenstoffabbau, Nitrifikation und Denitrifikation Fall 3 5 Tropfkörperanlage 5 C Kohlenstoffabbau Fall 1 6 UASB-Reaktor 20 C Kohlenstoffabbau Fall 1 7 Abwasserteichanlage (Anaerobteich + Fakultativteich) 8 Abwasserteichanlage (Anaerobteich + belüfteter Teich) Schlammbehandlung 9 Anaerobe Klärschlammbehandlung Verfahrenskombinationen 5 C Kohlenstoffabbau Fall 1 30 C Kohlenstoffabbau Fall 1 20 C Schlammstabilisierung Fall 1 10 UASB-Reaktor + Tropfkörper 30 C Kohlenstoffabbau und Nitrifikation Fall 2 11 UASB-Reaktor + Fakultativteich 30 C Kohlenstoffabbau Fall 1 7 November 2017

11 3 Berechnungsbeispiel für eine Vorklärung Im Folgenden wird exemplarisch eine Vorklärung (VK) entsprechend den Bemessungsempfehlungen nach 5.4 in DWA-Themen T4/2016 ausgelegt. Der Bemessungsgang selber ist nicht temperaturabhängig, jedoch können sich u. a. für die organische Fracht im Primärschlamm Unterschiede aufgrund von Temperatureinflüssen auf das zufließende Rohabwasser ergeben. 3.1 Zusammenstellung der benötigten Eingangsgrößen Das Berechnungsbeispiel erfolgt für das in Tabelle 2.2 benannte Reinigungsziel der Kohlenstoffelimination. Weiterhin wird davon ausgegangen, dass eine Schlammbehandlung mit anaerober Schlammstabilisierung vorgesehen ist. Die zur Bemessung der Vorklärung benötigten Eingangsparameter sind in Tabelle 3.1 aufgeführt. Tabelle 3.1: Eingangsgrößen für die Bemessung der Vorklärung Eingangsparameter Einheit Wert täglicher Trockenwetterabfluss im Jahresmittel (Q T,d,aM) m 3 /d Tagesfracht des CSB in der homogenisierten Probe (B d,csb) kg/d Tagesfracht der mit 0,45 m Membranfilter abfiltrierbaren Stoffe nach Trocknung bei 105 C (B d,ts) Tagesfracht des Gesamtstickstoffs als Stickstoff in der homogenisierten Probe als Stickstoff (B d,n) kg/d kg/d Tagesfracht des Phosphors in der homogenisierten Probe (B d,p) kg/d Bemessung der Vorklärung mit dem Reinigungsziel Kohlenstoffabbau Durchflusszeit Entsprechend dem Reinigungsziel des Kohlenstoffabbaus und der Schlammbehandlung mit anaerober Stabilisierung wird die Vorklärung nach Tabelle 5.3 in DWA-Themen T4/2016 für eine Durchflusszeit von t R = 2,0 h ausgelegt. Volumen der Vorklärung Das Volumen V VK ergibt sich gemäß Gleichung 5.1 in DWA-Themen T4/2016 damit wie folgt: V K = t Q,, =,. =. m Die weitere Ausgestaltung der Vorklärung (Form, Abmessungen, Gestaltung des Schlammabzugs) richtet sich nach den örtlichen Gegebenheiten und Planungsvorgaben. Abscheideleistung In Tabelle 3.2 sind die resultierenden Frachten mit dem Ansatz der Abscheideleistung VK gemäß Tabelle 5.2 in DWA-Themen T4/2016 für eine Durchflusszeit von t R = 2 h aufgeführt. November

12 Tabelle 3.2: Parameter Zulauffrachten, Abscheideleistung und resultierende Frachten im Ablauf der Vorklärung Zulauffracht (kg/d) Abscheideleistung (%) Ablauffracht (kg/d) Tagesfracht des CSB in der homogenisierten Probe (B d,csb) Tagesfracht der Trockensubstanz (B d,ts) Tagesfracht des Gesamtstickstoffs in der homogenisierten Probe (B d,n) Tagesfracht des Phosphors in der homogenisierten Probe (B d,p) Schlammanfall Die tägliche Feststofffracht aus dem Primärschlammanfall B d,ts,ps ergibt sich zu: B,, = B,,Z, =., =. kg/d Der anorganische Anteil kann je nach Abwassercharakteristik und den Randbedingungen des Einzugsgebietes unterschiedlich groß sein. Von wesentlichem Einfluss ist der Eintrag von Sand in die Kanalisation, die Hydrolyse, der Vorabbau in der Kanalisation und der Vorklärung sowie die Funktion des vorgeschalteten Sandfangs. Der Anteil entspricht dem Glührückstand der partikulären Stoffe und sollte mit Messungen validiert werden. Liegen keine Messwerte oder Erfahrungswerte vergleichbarer Einzugsgebiete vor, kann der anorganische Anteil in einer Größenordnung von 20 % bis 30 % (d. h. 70 % bis 80 % Glühverlust) abgeschätzt werden (siehe in DWA-Themen T4/2016 bzw. DWA-A ). In diesem Beispiel wird zur Berücksichtigung des verringerten Vorabbaus infolge der niedrigen Abwassertemperatur von einem reduzierten anorganischen Anteil von 20 % ausgegangen. Die Tagesfracht der organischen Trockensubstanz im Primärschlamm B d,ots,ps ergibt sich damit zu: B,, =., =. kg/d 3.3 Vergleich der Bemessung der Vorklärung mit den Behandlungszielen des Kohlenstoffabbaus, der Nitrifikation und Denitrifikation Zum Vergleich unterschiedlicher Bemessungen der Vorklärung sind in Tabelle 3.3 die Ergebnisse der Berechnungsbeispiele für verschiedene Temperaturen aufgeführt (das Beispiel zu hohen Temperaturen ist aus DWA-Themen T4/2016 übernommen). 9 November 2017

13 Tabelle 3.3: Vergleich der Bemessung der Vorklärung nach unterschiedlichen Behandlungszielen Parameter Einheit Kohlenstoffabbau Kohlenstoffabbau, Nitri- und Denitrifikation* ) Kohlenstoffabbau, Nitri- und Denitrifikation** ) Abwassertemperatur (T W) C Durchflusszeit (t R) h 2,0 1,0 1,0 Volumen der Vorklärung (V VK) m³ Abscheideleistung C CSB ( VK,CCSB) % Abscheideleistung X TS ( VK,XTS) % Parameter Einheit Kohlenstoffabbau Kohlenstoffabbau, Nitri- und Denitrifikation* ) Kohlenstoffabbau, Nitri- und Denitrifikation** ) Abscheideleistung C TKN ( VK,CTKN) % Abscheideleistung C P ( VK,CP) % Tägliche Feststofffracht aus dem Primärschlammanfall (B d,ts,ps) kg/d Anorganischer Anteil % Tagesfracht der organischen Trockensubstanz im Primärschlamm (B d,ots,ps) kg/d Anmerkungen * ) Ergebnisse nach Berechnungsbeispiel in 3.2 bei TW = 15 C (identisch zur Berechnung nach DWA-A 131 (2016)) ** ) Ergebnisse aus DWA-Themen T4/2016 Die Unterschiede beim Primärschlammanfall ergeben sich aus den unterschiedlichen Durchflusszeiten aufgrund der verschiedenen Reinigungsziele bzw. beim organischen Anteil im Primärschlamm aus den abweichenden anorganischen Anteilen im Zulauf. November

14 4 Berechnungsbeispiel für eine Belebungsanlage Im Folgenden wird eine Beispielberechnung für eine Belebungsanlage entsprechend den Bemessungsempfehlungen nach Abschnitt 6 in DWA-Themen T4/2016 dargestellt. Es erfolgen Berechnungen der Belebungsanlage für unterschiedliche Reinigungsziele und Abwassertemperaturen. Zudem erfolgt vergleichsweise eine Gegenüberstellung mit dem Ansatz des DWA-A 131 (2016). Für das Beispiel wird eine Vorklärung berücksichtigt, deren Bemessung im vorstehenden Berechnungsbeispiel dargestellt ist. 4.1 Bemessung der Belebung mit dem Behandlungsziel der Kohlenstoffelimination bei TW = 5 C Die Bemessung der Belebung erfolgt für das in Tabelle 2.2 benannte Reinigungsziel der Kohlenstoffelimination (Fall 1) mit einer maximalen Ablaufkonzentration von C CSB,ÜW = 100 mg/l. Die Eingangsparameter für die Bemessung der Belebungsanlage sind in Tabelle 4.1 zusammengestellt. Tabelle 4.1: Eingangsgrößen für die Bemessung der Belebungsanlage Eingangsparameter Einheit Wert Abwassertemperatur (T W)* ) C 5 täglicher Trockenwetterabfluss im Jahresmittel (Q T,d,aM) m 3 /d Tagesfracht des CSB in der homogenisierten Probe (B d,csb,hom,zb) kg/d Tagesfracht der Trockensubstanz (B d,ts,zb) kg/d Tagesfracht des Gesamtstickstoffs als Stickstoff (B d,n,ges,zb) kg/d 990 Tagesfracht des Phosphors (B d,p,zb) kg/d 162 Salzgehalt (S TDS) g/l 10 Anmerkung * ) Die Ergebnisse der Bemessung der Belebungsanlage mit dem Reinigungsziel Kohlenstoffabbau, Nitrifikation und Denitrifikation bei T W = 15 C und nach DWA-A 131 (2016) werden zum Vergleich im Anschluss an die Bemessung der Belebungsanlage mit dem Reinigungsziel Kohlenstoffabbau bei T W = 5 C in Tabellenform aufgeführt Bemessungsgrundlagen Rückbelastung aus der Schlammbehandlung Grundsätzlich sind bei den Belastungsdaten der biologischen Stufe bei einer bestehenden oder geplanten anaeroben Schlammbehandlung die aus der Rückbelastung resultierenden Stickstoff- und Phosphorfrachten bzw. CSB-Frachten einzubeziehen. Fraktionierung des chemischen Sauerstoffbedarfs Der CSB wird gemäß in DWA-Themen T4/2016 nach Gleichung 3.2 in folgende Fraktionen unterteilt: C,Z = S,,Z + S,,Z + X,,Z + X,,Z Im vorliegenden Beispiel beträgt die Konzentration des gesamten CSB im Zulauf zur Belebung: C,Z = B,,,Z Q =.. = mg/l. Die gelöste inerte Fraktion im Zulauf entspricht in etwa der gelösten CSB-Konzentration im Ablauf der Nachklärung (S CSB,inert,AN). Der inerte Anteil am CSB im Zulauf f S liegt zwischen 0,05 und 0,1 C CSB,ZB 11 November 2017

15 (Tabelle 3.2 in DWA-Themen T4/2016). Wenn keine Messwerte vorliegen, wird für kommunales Abwasser empfohlen, mit f S = 0,05 zu rechnen: S,,Z = S,, = f C,Z =, =, mg/l Der inerte Teil des partikulären CSB kann als Anteil f A des gesamten partikulären CSB nach (Tabelle 3.2 in DWA-Themen T4/2016) geschätzt werden. Im vorliegenden Beispiel mit einem Anteil von f A = 0,30 gerechnet. X,,Z = f X,Z = f (C,Z S,Z ) =, =, mg/l Der abbaubare CSB lässt sich aus der Bilanz dann wie folgt berechnen: C,,Z = C,Z S,,Z X,,Z =,, =, mg/l Berechnung des leicht abbaubaren CSB mit dem Behandlungsziel Kohlenstoffabbau, Nitrifikation und Denitrifikation bei TW = 15 C Für die Denitrifikation und erhöhte biologische Phosphorelimination ist der leicht abbaubare Anteil f CSB wichtig, der bei durchschnittlich zusammengesetztem Abwasser mit 0,15 bis 0,25 angenommen werden kann In diesem Beispiel wird ein Wert von f CSB = 0,2 angesetzt: C,,Z = f C,,Z =,, =, mg/l Fraktionierung der Feststoffe Die abfiltrierbaren Stoffe im Zulauf werden in die organische und anorganische Fraktion differenziert: X,Z = X,Z + X,Z mg/l Im vorliegenden Beispiel beträgt die Feststoffkonzentration: X,Z = B,,Z Q =.. = mg/l. Der anorganische Anteil f B kann, sofern keine Messwerte vorliegen, bei gemäßigtem Klima für Rohabwasser mit 0,3 und für vorgeklärtes Abwasser mit 0,2 angesetzt werden, bei höheren Temperaturen jeweils auch mit größeren Werten. Unter Berücksichtigung der tiefen Temperatur und dem damit verbundenen reduzierten Vorabbau wird in diesem Fall mit Vorklärung ein geringerer Anteil von 0,2 gewählt: X,Z = f X,Z =, = mg/l Berechnung der Schlammmasse Erforderliches Schlammalter Der Stoßfaktor f N ergibt sich gemäß DWA-A 131 (2016), Gleichung 14, aus der Belastungsganglinie (Tabelle B.4 in DWA-Themen T4/2016) zu: f = B,K, B,K, =,, =, Gemäß Tabelle 6.2 in DWA-Themen T4/2016 ist der Prozessfaktor (PF) damit zu 1,2 zu wählen. Der Salzgehalt von 10 g/l hat nach in DWA-Themen T4/2016 bei entsprechender Adaption der Biologie keinen Einfluss auf die Dimensionierung der Belebungsanlage. Bei diesem Beispiel wird davon ausgegangen, dass die Temperatur von TW = 5 C für die Bemessung und Überwachung relevant ist. Ist die Reinigungsleistung auch bei höheren Temperaturen einzuhalten, ist der höchste relevante Wert der Temperatur einzusetzen. November

16 Wie in Tabelle 6.1 in DWA-Themen T4/2016 aufgeführt, wird für Anlagen mit dem Ziel der Kohlenstoffelimination (ohne gezielte Nitrifikation) bei einer Abwassertemperatur TW < 10 C ein aerobes Mindestschlammalter tts von 4 d empfohlen. Es bedarf keiner weiteren Berechnung. Berechnung der Schlammproduktion aus dem CSB-Abbau Der als CSB gemessene, produzierte Schlamm XCSB,ÜS setzt sich aus nachfolgenden Fraktionen zusammen: X,Ü = X,,Z + X, + X,, mg/l Die gebildete Biomasse XCSB,BM berechnet sich zu: X, = C,,Z Y X, t b F = C,,Z Y + t b F F =, =, =, mit Y =, b =, d Es ergibt sich für die gebildete Biomasse: X, =,, =, mg/l +,, Die verbleibenden inerten Feststoffe werden zu 20 % der zerfallenden Biomasse angesetzt: X,, =, X, t b F =,,,, =, mg/l Der als CSB gemessene, produzierte Schlamm ergibt sich damit zu: X,Ü =, +, +, =, mg/l Die tägliche Schlammproduktion aus der Kohlenstoffelimination resultiert zu: ( X,,Z, ÜS, = Q =. (,, + X, + X,, + X,,,Z )., +, + +, ),, =.,. kg/d. Berechnung des Sauerstoffbedarfs für den Kohlenstoffabbau Der gesamte Sauerstoffverbrauch für den Kohlenstoffabbau resultiert zu: OV = C,,Z + C, X, X,, =, +,, =, mg/l mg/l Im Fall externer Kohlenstoffquellen (C CSB,dos) sind diese zusätzlich beim Sauerstoffverbrauch zu berücksichtigen. 13 November 2017

17 Berechnung der Schlammproduktion aus der Phosphorelimination Im Rahmen des Berechnungsbeispiels wird keine chemische Phosphorfällung berücksichtigt. Eine vermehrte biologische Phosphorelimination mit anaeroben Becken ist ebenfalls nicht vorgesehen. Zu berücksichtigen ist damit lediglich die biologische Phosphorelimination im Rahmen des Zellaufbaus. Gemäß Gleichung 6.10 in DWA-Themen T4/2016 ergibt sich die biologische Phosphorbindung damit zu: X, =, X, +, (X,, + X,,Z ) =,, +,, +, =,, mg/l Die Schlammproduktion aus der in diesem Fall ausschließlich biologischen Phosphorelimination durch Biomasseninkorporation ergibt sich damit wie folgt: ÜS, = Q X, +, X, ä, +, X, ä,. kg/d, + =. =, kg/d. Zusammenstellung der Schlammmasse Die tägliche Schlammproduktion aus der Kohlenstoffelimination und Phosphorelimination resultiert zu: Ü = Ü, + Ü, =., +, =.,. kg/d Die Masse der Feststoffe im Belebungsbecken beträgt: M, = t ÜS =., =.,. kg Bemessung der Belebung Volumen des Belebungsbeckens Als Ergebnis der Bemessung der Nachklärung ergibt sich der mögliche Feststoffgehalt in der Belebung. Es resultiert das erforderliche Belebungsbeckenvolumen gemäß der Beziehung: V = M, TS m Sauerstoffbedarf Der tägliche Sauerstoffverbrauch für den Kohlenstoffabbau ergibt sich aus der CSB-Bilanz zu: OV OV, = Q,. =.,. =.,. kg/d 4.2 Bemessung der Belebung mit dem Behandlungszielen des Kohlenstoffabbaus, der Nitrifikation und Denitrifikation bei TW = 15 C In den DWA-Themen T4/2016 sind Berechnungsbeispiele für eine Vorklärung und eine Belebungsanlage mit dem Behandlungsziel des Kohlenstoffabbaus, der Nitrifikation und Denitrifikation bei einer Abwassertemperatur von TW = 30 C enthalten (Beispiele B.2 und B.3). Um einen Vergleich zu gemäßigtem Klima bei gleichem Behandlungsziel (Fall 3 nach Tabelle 2.3) deutlich zu machen, wird nachfolgend eine Belebungsanlage mit TW = 15 C berechnet. Zum Vergleich wird eine Bemessung nach DWA-A 131 (2016) gegenübergestellt, um Unterschiede in den Berechnungsergebnissen aufzuzeigen. Die Eingangsparameter für die Bemessung der Belebungsanlage sind in Tabelle 4.1 zusammengestellt. Nachfolgend wird in die Bemessung für TW = 15 C bei der Berechnung des aeroben Schlammalters eingestiegen, da hier die Abwassertemperatur Einfluss in die Berechnung nimmt. Für die vorherig ermittelten Werte der CSB-Fraktionierung siehe November

18 Berechnung des aeroben Bemessungsschlammalters Für die Nitrifikation beträgt das aerobe Bemessungsschlammalter: t,, = F,, =,, μ,,, t, = PF,, =,,, =, d >, d t,, =, d Das aerobe Mindestschlammalter kann direkt aus Tabelle 6.4 in DWA-Themen T4/2016 für eine Bemessungstemperatur von TW = 15 C und einem Überwachungswert von SNH4,ÜW = 5 mg/l abgelesen werden. Für den anoxischen Volumenanteil am Belebungsbecken VD/VBB wird analog zu DWA-Themen T4/2016 im ersten Iterationsschritt ein Wert von 0,2 angenommen. Damit ergibt sich das Bemessungsschlammalter wie folgt: t = t, V V =,, =, d Vergleich von Sauerstoffverbrauch und Sauerstoffdargebot Der Vergleich von der Sauerstoffzehrung zum Sauerstoffangebot aus Nitrat zeigt im ersten Iterationsschritt einen Wert von: X = OV,, S, =,,, =, Es werden weitere Iterationsschritte mit einer Veränderung von VD/VBB durchgeführt, bis X den Wert 1 annimmt. Dies ist bei einem anoxischen Anteil VD/VBB von 0,41 erreicht. Infolgedessen resultieren aus dem wiederholten Berechnungsgang: t, X, =, d =, mg/l X,, =, mg/l OV S, ÜS, =, mg/l =, mg/l =. kg/d 4.3 Bemessung der Belebung mit dem Behandlungszielen des Kohlenstoffabbaus, der Nitrifikation und Denitrifikation bei TW = 15 C nach DWA-A 131 (2016) Da sich die Berechnungen nach DWA-A 131 (2016) nur hinsichtlich des Prozessfaktors unterscheiden (vergl. Tabelle 4.2) und eine detaillierte Berechnung mit den Behandlungszielen des Kohlenstoffabbaus, der Nitrifikation und Denitrifikation bei TW = 15 C in 4.2 durchgeführt wurde, wird hier auf eine Wiederholung der Berechnungen verzichtet. Um zu sehen, mit welchen Parametern gerechnet wurde, siehe Tabelle November 2017

19 4.4 Vergleich der Bemessungen bei verschiedenen Reinigungszielen und Abwassertemperaturen In Tabelle 4.2 sind die Ergebnisse der vorgenannten Bemessungen für verschiedene Reinigungsziele bzw. für Abwassertemperaturen von 5 C und 15 C sowie der Bemessung für 30 C aus dem Beispiel B.3 in den DWA-Themen T4/2016 zusammengestellt. Zum Vergleich wurde zudem eine analoge Bemessung für 15 C nach DWA-A 131 (2016) gegenübergestellt. Tabelle 4.2: Bemessungsansatz Berechnungsergebnisse für die Belebungsanlage bei verschiedenen Reinigungszielen Einheit DWA-Themen T4/2016 DWA-Themen T4/2016 DWA-A 131 (2016) DWA-Themen T4/2016 Parameter Reinigungsziel C Kohlenstoffabbau Kohlenstoffabbau Kohlenstoffabbau Kohlenstoffabbau Nitrifikation Nitrifikation Nitrifikation Denitrifikation Denitrifikation Denitrifikation Abwassertemperatur (T W) C Fraktionierung des chemischen Sauerstoffbedarfs Durchflusszeit Vorklärung (t R) h 2,0 1,0 1,0 1,0 CSB-Gesamt der homogenisierten Probe (C CSB,ZB) Konzentration des gelösten CSB (S CSB,ZB) Konzentration der inerten Fraktion (S CSB,inert,ZB) Konzentration des partikulären CSB (X CSB) mg/l mg/l mg/l 19, mg/l Inerter Anteil im Gesamt-CSB (f S) (-) 0,05 0,05 0,05 0,05 Konzentration des partikulären inerten CSB (X CSB,inert,ZB) Inerter Anteil am partikulären CSB (f A) Konzentration des abbaubaren CSB (C CSB,abb,ZB) mg/l (-) 0,3 0,3 0,3 0,3 mg/l Fraktionierung der Feststoffe Konzentration der abfiltrierbaren Stoffe im Zulauf (X TS,ZB) Konzentration der abfiltrierbaren anorg. Stoffe im Zulauf (X anorgts,zb) Anorganischer Anteil in den abfiltrierbaren Stoffen (f B) mg/l mg/l (-) 0,2 0,2 0,2 0,2 Erforderliches Schlammalter Bemessungsschlammalter ohne Nitrifikation (t TS,Bem) aerobes Schlammalter für Nitrifikation (t TS,aerob) d d - 4,1 5,4 2,0 Stoßfaktor (f N) (-) - 1,6 1,6 1,6 Bemessungsschlammalter mit V D/V BB (t TS) Volumenanteil für die Denitrifikation (V D/V BB) d - 5,1 6,8 3,4 (-) - 0,2 0,2 0,2 Prozessfaktor (PF) (-) - 1,2 1,6 1,2 November

20 Bemessungsansatz Einheit DWA-Themen T4/2016 DWA-Themen T4/2016 DWA-A 131 (2016) DWA-Themen T4/2016 Parameter Volumenanteil für die Denitrifikation (V D/V BB) nach Iteration (-) - 0,41 0,34 0,42 Schlammalter nach Iteration d 4 6,9 10,3 3,4 Schlammproduktion und Sauerstoffbedarf gebildete Biomasse (X CSB,BM) mg/l Temperaturfaktor für die endogene Veratmung (F T) verbleibende inerte Feststoffe (X CSB,inert,BM) als CSB gemessener, produzierter Schlamm (X CSB,ÜS) tägliche Schlammproduktion aus der Kohlenstoffelimination (Üs d, C) (-) 0,5 1,0 1,0 2,84 mg/l mg/l kg/d Zu denitrifizierende Nitratkonzentration, Stickstoffbilanz Zulaufkonzentration Gesamtstickstoff (C mg/l N,ZB) Konzentration org.n im Ablauf (S orgn,an ) Anforderung Ammoniumgehalt im Ablauf (S NH4,AN) Rückbelastung Stickstoff aus Schlammbehandlung (C Nges,ÜW) zu denitrifizierender Nitratstickstoff (S NO3,AN) zu denitrifizierender Nitratstickstoff im Tagesmittel (S NO3,D) Sauerstoffverbrauch für Kohlenstoffabbau (OV C) Sauerstoffverbrauch Denitrifikation (OV C,D) mg/l mg/l mg/l mg/l mg/l mg/l mg/l Sauerstoffbedarf aus leicht abbaubarem CSB (OV C,la,vorg.) mg/l Exponent für den anteiligen Sauerstoffverbrauch bei vorgeschalteter (-) - 0,68 0,68 0,76 Denitrifikation (alphadb) Biologische Phosphorelimination biologische Phosphorbindung (X P,BioP) mg/l 2,5 2,15 1,9 1,6 Schlammmasse Schlammproduktion BioP (Üs d, P) kg/d Tägliche Schlammproduktion C- Abbau und BioP (Üs d) kg/d Trockensubstanzgehalt des belebten Schlammes (TS BB) g/l Masse Feststoffe im Belebungsbecken (M TS,BB) kg Volumen des Belebungsbeckens (V BB) m³ Sauerstoffbedarf Sauerstoffbedarf (OV d,c) kg/d November 2017

21 d m³ Ergänzende Berechnungsbeispiele zu DWA-Themen T4/2016 Bemessungsansatz Einheit DWA-Themen T4/2016 DWA-Themen T4/2016 DWA-A 131 (2016) DWA-Themen T4/2016 Parameter Sauerstoffverbrauch Nitrifikation (OV d,n) Sauerstoffverbrauch C-Abbau, gedeckt durch Deni (OV d,d) kg/d kg/d Die Unterschiede zwischen den Bemessungsergebnissen werden vor allem durch die unterschiedlichen Reinigungsziele sowie die zugrundeliegende Überwachungspraxis (Tagesmischprobe bei den DWA-Themen T4/2016 versus qualifizierte Stichprobe beim DWA-A 131) hervorgerufen. Dieser Einfluss stellt sich stärker dar, als die unterschiedlichen Abwassertemperaturen. Zur Verdeutlichung der Unterschiede zwischen den verschiedenen Ansätzen sind die Bemessungsschlammalter und Beckenvolumina in Bild 4.1 auch grafisch dargestellt worden Bemessungschlammalter Bemessungsschlammalter tts tts (d) (d) Volumen Belebungsbecken VBB (m³) V ghgfhfdg(m³)(m³) Kohlenstoffabbau (TW C) W = 5 C) Kohlenstoffabbau, Kohlenstoffabbau, Kohlenstoffabbau, Nitrifikation, Nitrifikation, Nitrifikation, Denitrifikation (TW = Denitrifikation (TW = Denitrifikation Denitrifikation (TW = (T 15 C) 15 C; A 131) 30 C; T4/2016) W = 15 C) (T W = 15 C; (T W = 30 C; DWA- DWA-A ) Themen T4/2016) 0 Bild 4.1: Vergleich des erforderlichen Bemessungsschlammalters tts und des erforderlichen Volumens der Belebungsbecken VBB für die unterschiedlichen Bemessungsfälle nach Tabelle Bemessung von Belüftungssystemen Aufbauend auf der vorstehenden Auslegung einer Belebungsanlage mit dem Reinigungsziel des Kohlenstoffabbaus bei einer Abwassertemperatur von TW = 5 C, wird nachfolgend die Bemessung der Belüftungssysteme entsprechend den Bemessungsempfehlungen in 7.3 in DWA-Themen T4/2016 dargestellt. Es werden nacheinander Beispielrechnungen für ein feinblasiges Druckbelüftungssystem und für ein Oberflächenbelüftungssystem aufgeführt. Zusammenstellung der benötigten Eingangsparameter Die täglichen Sauerstoffverbräuche sind oben auf Basis mittlerer Frachten ermittelt worden und bilden somit die Eingangsparameter für den mittleren Lastfall 1. Wie in (DWA-Themen T4/2016) beschrieben, muss zur Ermittlung der OV d-werte des maximalen Lastfalls 2 die gesamte in Abschnitt 6 beschriebene Berechnung erneut mit maximalen maßgebenden Frachten durchgeführt werden. In dieser Beispielrechnung wurde zur Ermittlung dieser Werte vereinfachend die Annahme getroffen, dass sich die täglichen November

22 Sauerstoffverbräuche des mittleren Lastfalls 1 um den Faktor 1,55 erhöhen. Dieser Faktor wurde überschlägig aus der Beispielrechnung im Anhang A.1 des DWA-M (2017), die auf realen Betriebsdaten einer kommunalen Belebungsanlage basiert, abgeleitet. Für den Lastfall 3 werden die gleichen Eingangsparameter wie für den Lastfall 1 verwendet, da der OV h hier auf Basis des Sauerstoffverbrauchs für die endogene Atmung berechnet wird. Entsprechend den in Tabelle 4.1 zusammengestellten Eingangsparametern wird für die drei Lastfälle gemäß DWA-M (2017) die Abwassertemperatur mit T W = 5 C angesetzt. Im vorliegenden Berechnungsbeispiel wird vereinfachend kein expliziter Sauerstoffverbrauch für die Nitrifikation angenommen. Um in der Praxis eine Unterdimensionierung zu vermeiden, sind die Belüftungssysteme gemäß Merkblatt DWA-M (2017) auf die Jahreshöchsttemperatur (Lastfall 2) bzw. auf die mittlere Jahrestemperatur (Lastfall 1) auszulegen. Kommt es bei höheren Temperaturen zur Nitrifikation, ist diese bei den Berechnungen zum Sauerstoffverbrauch entsprechend zu berücksichtigen. Da es sich hier um eine fiktive Beispielrechnung handelt, wird der bei der Bemessung der Belüftungssysteme für den Prognose- bzw. Revisions-Zustand zu berücksichtigende Lastfall 4 nachfolgend nicht behandelt. Sämtliche für die Bemessung des Belüftungssystems benötigten Eingangsparameter sind in Tabelle 4.3 zusammengestellt. Tabelle 4.3: Eingangsgrößen für die Bemessung des Belüftungssystems mit dem Behandlungsziel Kohlenstoffabbau bei TW = 5 C Eingangsparameter Einheit Lastfall 1 Lastfall 2 Lastfall 3 täglicher Sauerstoffverbrauch für die C-Elimination (OV d,c,am) täglicher Sauerstoffverbrauch für die Nitrifikation (OV d,n,am)* ) täglicher Sauerstoffverbrauch für die C-Elimination, der durch die Denitrifikation gedeckt wird (OV d,d,am) kg/d 2.951, , ,2 kg/d k.a. k.a. k.a. kg/d aerobes Gesamtschlammalter (t TS) d Wassertemperatur im Belebungsbecken (T w) C Salzkonzentration unter Betriebsbedingungen (S TDS,α) g/l Salzkonzentration in Leitungswasser gemäß Herstellerangaben (S TDS,St) g/l 0,3 0,3 0,3 geodätische Höhe der Anlage (h geo) m ü NN Anmerkung * ) In diesem Berechnungsbeispiel wird fiktiv davon ausgegangen, dass keine Temperaturschwankungen stattfinden und somit keine Nitrifikanten im Abwasser vorhanden sind bzw. keine Nitrifikation stattfindet. Allerdings besteht hier die Gefahr der Unterdimensionierung und in der Praxis wird zusätzlich zum beim Kohlenstoffabbau immer auch eine teilweise Nitrifikation angenommen. 19 November 2017

23 Berechnung des stündlichen Sauerstoffverbrauchs OVh Der stündliche durchschnittliche Sauerstoffverbrauch OVh,aM für den Lastfall 1 berechnet sich zu: OV, = OV,, OV,, + OV,, =., + =, kg/h Gemäß Tabelle 7.1 in DWA-Themen T4/2016 ist bei einem Gesamtschlammalter von 4 d der Stoßfaktor fc mit 1,3 anzusetzen. Aufgrund der in diesem Beispiel ausgeschlossener Nitrifikation, entfällt der Term mit dem Stoßfaktor fn, welcher ansonsten berücksichtigt werden muss. Der stündliche maximale Sauerstoffverbrauch OVh,max für den Lastfall 2 berechnet sich bei fc = 1,0 zu: OV, = f (OV,, OV,, ) + f OV,, =,., + =, kg/h Der stündliche maximale Sauerstoffverbrauch OVh,max für den Lastfall 2 berechnet sich bei fc = 1,33 zu: OV, = f (OV,, OV,, ) + f OV,, =,., + =, kg/h Der höhere der beiden berechneten Werte für OVh,max ist für den Lastfall 2 maßgebend, was in diesem Fall 248 kg/h entspricht. Der stündliche minimale Sauerstoffverbrauch OVh,min für den Lastfall 3 berechnet sich zu: OV,,., OV, = = =, kg/h,, +, ( t, (,am ),, +, ) Berechnung der erforderlichen Sauerstoffzufuhr SOTR bei Druckbelüftungssystemen Es wird von einer Wassertiefe im Belebungsbecken hbb = 5,0 m sowie von einer Einblastiefe hd = 4,8 m ausgegangen. Der Tiefenfaktor fd berechnet sich damit zu: f = + h, = +,, =, Hinweis zu den Salzkorrekturfaktoren: In den DWA-Themen T4/2016 wurde der Effekt von Meersalz auf die Sauerstoffzufuhr bei Anlagen mit dem Reinigungsziel alleiniger Kohlenstoffelimination nicht validiert. Die entwickelten Salzkorrekturgleichungen sollten daher nicht angewendet werden, wenn oberflächenaktive Substanzen in höheren Konzentrationen vorliegen. Bei Anlagen mit reiner Kohlenstoffelimination könnte dies aufgrund eines niedrigeren Abbaugrades auftreten. Da in dem vorliegenden Beispiel keine näheren Untersuchungen des Abwassers vorliegen, werden die Salzkorrekturfaktoren wie in den Themen T4/2016 berücksichtigt. Der Salzkorrekturfaktor der Sauerstoffsättigungskonzentration in Leitungswasser berechnet sich nach Gleichung 7.2 in DWA-Themen T4/2016 bei einer Salzkonzentration in Leitungswasser von 0,3 g/l gemäß Herstellerangaben zu: =, S, =,, =, Der Salzkorrekturfaktor des Belüftungskoeffizienten in Leitungswasser berechnet sich nach Gleichung 7.4 in DWA-Themen T4/2016 bei einer Salzkonzentration in Leitungswasser von 0,3 g/l gemäß Herstellerangaben zu: November

24 f, = +, S, = +,, =, Zur Kohlenstoffelimination im Bemessungsfall 1 wird im Bemessungsfall 2 zusätzlich das SBR-Verfahren zur Stickstoffelimination vorgesehen. Dementsprechend werden die α-werte gemäß Tabelle 7.2 in DWA-Themen T4/2016 für den Lastfall 1 mit 0,50, für den Lastfall 2 mit 0,35 und für den Lastfall 3 mit 0,60 angesetzt. Der Salzkorrekturfaktor des Belüftungskoeffizienten unter Betriebsbedingungen berechnet sich nach Gleichung 7.5 in DWA-Themen T4/2016 bei einer Salzkonzentration unter Betriebsbedingungen von 10 g/l zu: f,α = +, S,α = +, =, Der Salzkorrekturfaktor der Sauerstoffsättigungskonzentration unter Betriebsbedingungen berechnet sich nach Gleichung 7.3 in DWA-Themen T4/2016 bei einer Salzkonzentration unter Betriebsbedingungen von 10 g/l zu: α =, S,α =, =, Die Sauerstoffsättigungskonzentration bei einer Wassertemperatur von TW = 5 C berechnet sich zu: C, =., T +,, =., =, mg/l +,, Da sich die Belebungsanlage in der Beispielrechnung auf einer geodätischen Höhe von 0 m ü. NN befindet, ist der atmosphärische Luftdruck patm bei den drei Lastfällen mit hpa anzunehmen. Die Sauerstoffkonzentration CX im Belebungsbecken wird für alle drei Lastfälle mit 2 mg/l angesetzt. Der Temperaturkorrekturfaktor für den Belüftungskoeffizienten bei TW berechnet sich bei einer Wassertemperatur von 5 C zu: =, =, Die erforderliche Sauerstoffzufuhr SOTR berechnet sich für alle drei Lastfälle nach Gleichung 7.1 in DWA- Themen T4/2016 zu: f C, f, SOTR = f,α f α C, p OV. C Die erforderliche Sauerstoffzufuhr SOTRaM für den Lastfall 1 berechnet sich zu: SOTR =,,,,,,,,,..,, =, kg/h Die erforderliche Sauerstoffzufuhr SOTRmax für den Lastfall 2 berechnet sich zu: SOTR =,,,,,,,,,..,, =, kg/h Die erforderliche Sauerstoffzufuhr SOTRmin für den Lastfall 3 berechnet sich zu: SOTR =,,,,,,,,,..,, =, kg/h Die Berechnung von SOTR für Druckbelüftungssysteme ist mit sämtlichen erforderlichen Eingangsparametern für alle drei Lastfälle in Tabelle 4.4 zusammengestellt. 21 November 2017

25 Tabelle 4.4: Berechnung von SOTR bei Druckbelüftungssystemen mit dem Behandlungsziel des Kohlenstoffabbaus bei TW = 5 C Parameter Einheit Lastfall 1 Lastfall 2 Lastfall 3 Einblastiefe (h D) m 4,80 4,80 4,80 Tiefenfaktor (f d) - 1,23 1,23 1,23 Salzkorrekturfaktor in Leitungswasser (β St) - 1,00 1,00 1,00 Sauerstoffsättigungskonzentration bei 20 C (C S,20) mg/l 9,09 9,09 9,09 Salzkorrekturfaktor in Leitungswasser (f S,St) - 1,02 1,02 1,02 Grenzflächenfaktor (α) - 0,50 0,35 0,60 Salzkorrekturfaktor unter Betriebsbedingungen (f S,α) - 1,80 1,80 1,80 Salzkorrekturfaktor unter Betriebsbedingungen (βα) - 0,90 0,90 0,90 Sauerstoffsättigungskonzentration bei T W (C S,T) mg/l 12,77 12,77 12,77 atmosphärischer Luftdruck (p atm) hpa Sauerstoffkonzentration im Becken (C x) mg/l 2,0 2,0 2,0 Temperaturkorrekturfaktor Belüftungskoeffizient ( ) - 0,701 0,701 0,701 stündlicher Sauerstoffverbrauch (OV h) kg/h 122,97 253,50 33,93 erforderliche Sauerstoffzufuhr (SOTR) kg/h 183,34 539,93 42,16 Berechnung der erforderlichen Sauerstoffzufuhr SOTR bei Oberflächenbelüftungssystemen Für das Beispiel eines Oberflächenbelüftungssystems wird von einer Beckentiefe des Belebungsbeckens h BB von 5,0 m ausgegangen. Der Tiefenfaktor f d berechnet sich damit zu: f = + h, = + =, Die Salzkorrekturfaktoren des Belüftungskoeffizienten f S,St und f S,α dürfen bei Oberflächenbelüftungssystemen nicht angesetzt werden. Bei Oberflächenbelüftungssystemen wird üblicherweise ein lastfallunabhängiger, konstanter α-wert zwischen 0,90 bis 0,95 unter günstigen Bedingungen auch bis zu 1,0 angenommen. Für dieses Beispiel werden die α- Werte lastfallunabhängig mit 0,9 angesetzt. Die erforderliche Sauerstoffzufuhr SOTR berechnet sich für alle drei Lastfälle nach Gleichung 7.6 in DWA- Themen T4/2016 zu: f C, SOTR = f α C, p OV. C Die erforderliche Sauerstoffzufuhr SOTR am für den Lastfall 1 berechnet sich zu: SOTR =,,,,,,,..,, =, kg/h Die erforderliche Sauerstoffzufuhr SOTR max für den Lastfall 2 berechnet sich zu: November

26 ,,, SOTR,,,,., =, kg/h., Die erforderliche Sauerstoffzufuhr SOTR min für den Lastfall 3 berechnet sich zu:,,, SOTR,,,,., =, kg/h., Die Berechnung von SOTR für Oberflächenbelüftungssysteme ist mit sämtlichen erforderlichen Eingangsparametern für alle drei Lastfälle in Tabelle 4.5 zusammengestellt. Tabelle 4.5: Berechnung von SOTR bei Oberflächenbelüftungssystemen und dem Behandlungsziel des Kohlenstoffabbaus bei TW = 5 C Parameter Einheit Lastfall 1 Lastfall 2 Lastfall 3 Wassertiefe (h BB) m 5,00 5,00 5,00 Tiefenfaktor (f d) - 1,03 1,03 1,03 Salzkorrekturfaktor in Leitungswasser (β St) - 1,00 1,00 1,00 Sauerstoffsättigungskonzentration bei 20 C (C S,20) mg/l 9,09 9,09 9,09 Grenzflächenfaktor (α) - 0,9 0,9 0,9 Salzkorrekturfaktor unter Betriebsbedingungen (βα) - 0,90 0,90 0,90 Sauerstoffsättigungskonzentration bei T W (C S,T) mg/l 12,77 12,77 12,77 atmosphärischer Luftdruck (p atm) hpa Sauerstoffkonzentration im Becken (C x) mg/l 2,0 2,0 2,0 Temperaturkorrekturfaktor Belüftungskoeffizient ( ) - 1,024 1,024 1,024 stündlicher Sauerstoffverbrauch (OV h) kg/h 122,97 253,50 33,93 erforderliche Sauerstoffzufuhr (SOTR) kg/h 184,88 381,14 51, Vergleich der erforderlichen Sauerstoffzufuhr SOTR bei Druckbelüftungssystemen mit dem Behandlungsziel des Kohlenstoffabbaus, der Nitrifikation und Denitrifikation bei TW = 15 C Die Berechnung der erforderlichen Sauerstoffzufuhr SOTR für Druckbelüftungssysteme ist mit den erforderlichen Eingangsparametern und den daraus resultierenden Ausgangsparametern für Lastfalle 1 bis 3 in Tabelle 4.6 dargestellt. Für die Eingangsparameter des Sauerstoffverbrauchs OVh siehe Tabelle 4.2. Zusammenstellung der benötigten Eingangsparameter In dieser Beispielrechnung wurde zur Ermittlung dieser Werte ebenfalls wie im vorherigen Beispiel vereinfachend die Annahme getroffen, dass sich die täglichen Sauerstoffverbräuche des mittleren Lastfalls 1 um den Faktor 1,55 erhöhen. Für den Lastfall 3 werden die gleichen Eingangsparameter wie für den Lastfall 1 verwendet, da der OV h hier auf Basis des Sauerstoffverbrauchs für die endogene Atmung berechnet wird, siehe dazu 0 Zusammenstellung der benötigten Eingangsparameter. 23 November 2017

27 Tabelle 4.6: Eingangsgrößen von SOTR bei Druckbelüftungssystemen mit dem Behandlungsziel des Kohlenstoffabbaus, der Nitrifikation und Denitrifikation bei TW = 15 C Eingangsparameter Einheit Lastfall 1 Lastfall 2 Lastfall 3 täglicher Sauerstoffverbrauch für die C-Elimination (OV d,c,am) kg/d täglicher Sauerstoffverbrauch für die Nitrifikation (OV d,n,am) kg/d täglicher Sauerstoffverbrauch für die C-Elimination, der durch die Denitrifikation gedeckt wird (OV d,d,am) kg/d Gesamtschlammalter (t TS) d 6,9 6,9 6,9 Wassertemperatur im Belebungsbecken (T w) C Salzkonzentration unter Betriebsbedingungen (S TDS,α) g/l Salzkonzentration in Leitungswasser gemäß Herstellerangaben (S TDS,St) g/l 0,3 0,3 0,3 geodätische Höhe der Anlage (h geo) m ü NN Stoßfaktor C-Fracht (fc) - - 1,23 - Stoßfaktor N-Fracht (fn) - - 2,12 - Die Berechnung von SOTR für Druckbelüftungssysteme ist mit sämtlichen erforderlichen Eingangsparametern für alle drei Lastfälle in Tabelle 4.7 zusammengestellt. Tabelle 4.7: Berechnung von SOTR bei Druckbelüftungssystemen mit dem Behandlungsziel des Kohlenstoffabbaus, der Nitrifikation und Denitrifikation bei TW = 15 C Parameter Einheit Lastfall 1 Lastfall 2 Lastfall 3 Wassertiefe (h BB) m 4,80 4,80 4,80 Tiefenfaktor (f d) - 1,23 1,23 1,23 Salzkorrekturfaktor in Leitungswasser (β St) - 1,00 1,00 1,00 Sauerstoffsättigungskonzentration bei 20 C (C S,20) mg/l 9,09 9,09 9,09 Grenzflächenfaktor (α) - 0,75 0,6 0,85 Salzkorrekturfaktor unter Betriebsbedingungen (βα) - 0,90 0,90 0,90 Sauerstoffsättigungskonzentration bei T W (C S,T) mg/l 10,09 10,09 10,09 atmosphärischer Luftdruck (p atm) hpa Sauerstoffkonzentration im Becken (C x) mg/l 2,0 2,0 2,0 Temperaturkorrekturfaktor Belüftungskoeffizient ( ) - 0,888 0,888 0,888 stündlicher Sauerstoffverbrauch (OV h) kg/h 225,88 592,42 71,85 erforderliche Sauerstoffzufuhr (SOTR) kg/h 234,40 768,46 65,79 Die Berechnung von SOTR für Druckbelüftungssysteme mit dem Reinigungsziel Kohlenstoffabbau, Nitrifikation und Denitrifikation nach DWA-M (2017) ist mit den erforderlichen Eingangsparametern für November