Workshop Behandlung kommunaler Abwässer 20.8.- 22.8.02 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-30167 Hannover Tel. 0511/ 762-2899 weichgrebe@isah.uni-hannover.de
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
Geschichtliche Entwicklung der Siedlungswasserwirtschaft in Deutschland Jahr Typhusfälle je 10.000 E NEUZEIT (1.800-1.900 n. Chr.) Kanalanschluß von Grundstücken 1870 77 0 beginnende Industrialisierung führte teilweise zu einer Verschlechterung der hygienischen Verhältnisse 1872 140 0 In einigen Städte 1875 wurde zur Sammlung 97 und Entfernung der 57 Exkremente bis Ende des 18. Jhd. das Tonnensystem angewandt 1880 45 7.448 nach schwerer Choleraepidemie 1831 begann man in London mit dem 1885 16 15.929 Kanalisationsbau (Entwurf von ROE und RAWLINSON) 1890 9 20.051 1842 erste Kanalisationsbauten in Hamburg (engl. Ing. LINDLEY) 1900 6 25.406 1848 erstes deutsches Wasserwerk nach LINDLEY in Hamburg 1910 3 29.554 ab 1852-1867 Kanalisationsbauten in Berlin (durch HOBRECHT und VIRCHOW) Chemnitz, 1920 Leipzig, Frankfurt 2 usw. 30.232 Typhussterblichkeit und Kanalanschluß in Berlin, (Illi,M., Verl. Bjarsch, Neue B., Züricher W&B 3 Zeitung (1997)(1987)) 45 ff.
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)
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. 1957 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
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.
Wiedervereinigung beider deutschen Staaten Nach dem Zusammenschluss beider deutscher Staaten am 03.10.1990 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.
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 357.022 km². Die Bundesrepublik Deutschland hat ca. 82. Mill. Einwohner. => ca. 230 Ew/km²
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.
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 < 1.000 150 40 - - -- 2 1.000 bis < 5.000 110 25 - - - 3 > 5.000 bis 10.000 90 20 10 - - 4 > 10.000 bis 100.000 90 20 10 18** ) 2 5 >100.000 75 15 10 18** ) 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%
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 1991-1998: 1998: Mischwasserkanal Schmutzwasserkanal Regenwasserkanal Kläranlage Gesamt in Deutschland 227.000 km 134.000 km 85.000 km RWca. Kanal 446.000 km Regenwasserbehandlung 89.000 km Retention, Nutzung, Versickerung, Ableitung häusliches, gewerbliches und industrielles Schmutzwasser behandlungsbedürftiges Niederschlagswasser nicht behandlungsbedürftiges Niederschlagswasser Aussengebiete, Dränwasser, Quellen, Brunnen (nach ATV, KA 8/1996)
Kanalisation Regenwasserauslass
Regenrückhaltebecken
Entwicklung der kommunalen Abwasserbehandlung in Deutschland am Beispiel der KA Duisburg-Kaßlerfeld D = 65 m, V = 21.380 m³, Q = 216.000 m³/d bis 1984: mechanische Reinigung bis 1989: chemische Reinigung Luftbildaufnahme der mechanischen Kläranlage Duisburg-Kaßlerfeld, 400.000 EWG Neubau 1994: biologische Reinigung einschl. Filterkuchendeponie (Investition: 143 Mio )
Entwicklung der kommunalen Abwasserbehandlung in Deutschland am Beispiel der KA Duisburg-Kaßlerfeld Mechanische Reinigung 1984 Chemische Reinigung 1989 Biologische Reinigung 1994 Q d md 179.200 141.800 134.800 BSB 5 mg/l 88 63 4 CSB mg/l 259 165 30 P ges mg/l 6,8 0,6 0,5 N ges mg/l 33,9 34,4 14,2 Rohschlammmenge ma 124.600 274.200 308.500 Feststoffgehalt % 7 7 5,2 Feststoffe t/a 8.724 19.719 16.041
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
Entwicklung der kommunalen Abwasserbehandlung in Deutschland am Beispiel der KA Duisburg-Kaßlerfeld
KA Herrenhausen: Tropfkörper 100 90 %- Abbauleistung BSB 5sed 80 70 60 50 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200 Raumbelastung B R in g BSB 5ges / m³ *d
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 1970 0,2 0,7 kg BSB 5 je m³ Füllmaterial täglich 3,0 1980 0,2 0,4 0,4-0,8 0,2 1990 0,2 0,2-0,4 Drehsprenger Flung 1970 5 20 Einwohner je m³ Füllmaterial 85 Denitrifikation im abgedecketen Tropfkper 1980 6 10 10-20 3-4 1990 Zulauf 5 5-10 eingestaute Luft fnung eingestater Ablaf 1995 3-6
KA Herrenhasen: Tropfkörper
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
Entwicklng der öffentlichen Abwasserbehandlng Gesamtzahl der Kläranlagen 8.382 8.032 9.919 10.273 10.312 1.371 1.897 2.280 Abwasserbehandlngsgrad 100% 90% 80% 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% 11 7 10 72 5 93 1 1 4 95 1 23 8 39 30 0% 1979 1995 1998 1991 1995 1998 1991 1991 1995 1998 1998 alte Lder alte Lder neue nee Lder Detschland 23 15 44 20 71 9 12 13 74 4 8 4 85 3 7 91 2 Biologisch behandelt Mechanisch behandelt Nicht in öffentl. Kläranlagen Nicht in öffentl. Kanalisation erfaßt, behandelt ohne Abwasserbehandlung 1998 (nach Angaben des Umweltbundesamtes, 2001)
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 > > 30 30 > > 120 120 > > 20 20 > > 35 35 > > 5,0 5,0 Saerstoffbedarfsstfe 4 Nährstoffbedarfsstfe 4 groß groß 21 21 -- 30 30 91 91-120 -120 11 11 -- 20 20 99 -- 35 35 2,1 2,1 -- 5,0 5,0 3 mäßig 11-20 51-90 4-10 14-18 1,1-2,0 Trennkennwerte Trennkennwerte in in mg/l mg/l für für Saerstoffbedarfsstfe Saerstoffbedarfsstfe Nährstoffbedarfsstfe Nährstoffbedarfsstfe Stfe Rest- ATH- 33 mäßig mäßig CSB NH 4 -N 11 11 -- 20 N 20 ges. 51 51 -- 90 90 P ges. 44 -- 10 10 14 14 -- 18 18 1,1 1,1 -- 2,0 2,0 verschmtzng BSB 5 22 gering gering 66 -- 10 10 31 31 -- 50 50 22 -- 33 99 -- 13 13 0,6 0,6 -- 1,0 1,0 5 sehr groß > 30 > 120 > 20 > 35 > 5,0 11 sehr sehr gering gering 00 -- 55 00 -- 30 30 00 -- 11 00 -- 88 00 -- 0,5 0,5 4 groß 21-30 91-120 11-20 9-35 2,1-5,0 ATH- ATH- BSB BSB 5 5 CSB CSB NH NH 4 -N 4 -N N ges. P ges. P ges. ges. 2 1 2 gering 6-10 31-50 2-3 9-13 0,6-1,0 1 sehr gering 0-5 0-30 0-1 0-8 0-0,5 Sauerstoffbedarfsstufe Nährstoffbedarfsstufe 0 1988 1989 1990 1991 1992 1993 1994 1995 1996 Jahr
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 1991 48,07 10,53 8,77 36,10 34,58 1,44 47,08 0,98 1995 46,36 11,32 10,28 33,58 32,39 1,47 45,55 0,81 1998 44,06 10,80 10,26 31,80 30,83 1,45 43,27 0,79 100% prozentale Afteilng für 1998 80% 60% 40% 20% 0% öffentliche Abwasserbeseitigng Verarbeitende Indstrie Wärmekraftwerke für die öffentliche Versorgng Bergba. Gewinnng von Steine nd Erden Angaben nach Stat. Jahrbuch 2001
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)
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)
Gesamtbild einer Kläranlage Mechanische Abwasserreinigung Biologische Abwasserreinigung Schlammbehandlung
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.
Bemessungsdiagramm 100 90 80 BSB 5 - Abbau (%) 70 60 50 Schlammstabilisation Nitrifikation Weitergehende Hochbelastetes Oxydation des org.c Belebungsverfahren 0,02 0,05 0,1 0,2 0,3 0,5 1 2 3 4 5 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) 100 40 20 7,5 4,3 2,3 1,2 0,5 0,3 0,2 Schlammalter (Tage)
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
Wesentliche Verfahren zur Denitrifikation (ATV-Handbuch, 1996) Belebungsbecken Mitte: Denitrifikation Außen: Nitrifikation Abfluss Verteilungsbauwerk Rücklaufschlammpumpe Nachklärbecken
Sequenzing-Batch-Reactor (SBR) - Verfahren Reakoren Speicher Gereinigtes Abwasser Flen Dekantieren Sedimentieren Belten
Haupstromverfahren zur bio-p- Elimination (ATV-Handbuch, 1996)
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
Fa. Zenon, Kanada Fa. Kubota, Japan
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.
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.
Energieerzeugung und -bedarf auf Kläranlagen Parameter Anlage 1 Anlage 2 Anlage 3 EW 120.000 700.000 650.000 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)
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