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Grundlagen der Abwassersysteme Kap. 3 Abwasserreinigung © PK, 2009 – Seite 1 3 Abwasserreinigung 3.1 Rahmenbedingungen der Abwasserreinigung 3.2 Aufbau.

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1 Grundlagen der Abwassersysteme Kap. 3 Abwasserreinigung © PK, 2009 – Seite 1 3 Abwasserreinigung 3.1 Rahmenbedingungen der Abwasserreinigung 3.2 Aufbau einer Kläranlage 3.3 Mechanische Reinigung 3.4 Biologische Verfahren 3.5 Nachklärung Peter Krebs Grundlagen der Abwassersysteme

2 Grundlagen der Abwassersysteme Kap. 3 Abwasserreinigung © PK, 2009 – Seite 2 3 Abwasserreinigung 3.1 Rahmenbedingungen der Abwasserreinigung 3.2 Aufbau einer Kläranlage 3.3 Mechanische Reinigung 3.4 Biologische Verfahren 3.5 Nachklärung Peter Krebs Grundlagen der Abwassersysteme

3 Grundlagen der Abwassersysteme Kap. 3 Abwasserreinigung © PK, 2009 – Seite 3 Ende 2000 sind mehr als kommunale Kläranlagen in Betrieb GrößenklasseAnzahlAusbaugröße in mio EW – > – – ,1 56,1 12,3 3,2 Abwasserreinigungsanlagen in Deutschland

4 Grundlagen der Abwassersysteme Kap. 3 Abwasserreinigung © PK, 2009 – Seite 4 Europa Deutschland Sachsen Richtlinie des Rates vom 21. Mai 1991 über die Behandlung von kommunalem Abwasser (91/271/EWG) EU Wasserrahmenrichtlinie Wasserhaushaltsgesetz Abwasserverordnung Abwasserabgabengesetz Sächsisches Wassergesetz Sächsisches Abwasserabgabengesetz Sächsische Kommunalabwasserverordnung Erlasse des SMUL Gesetzgebung

5 Grundlagen der Abwassersysteme Kap. 3 Abwasserreinigung © PK, 2009 – Seite 5 Größenklasse CSB (mg/l) 2 < 5000 EW 300 kg BSB 5 / d 1 < 1000 EW 60 kg BSB 5 / d 3 < EW 600 kg BSB 5 / d 5 > EW 6000 kg BSB 5 / d 4 < EW 6000 kg BSB 5 / d BSB 5 (mg/l) NH 4 -N (mg/l) N* (mg/l) P ges (mg/l) * N = Summe von NH 4 +, NO 3 -, und NO 2 - Mindestanforderungen an Kläranlagenablauf

6 Grundlagen der Abwassersysteme Kap. 3 Abwasserreinigung © PK, 2009 – Seite 6 Belastungsschwankungen im Zulauf zur KA

7 Grundlagen der Abwassersysteme Kap. 3 Abwasserreinigung © PK, 2009 – Seite 7 Ausstoß von NH 4 + und TSS aus der Kanalisation

8 Grundlagen der Abwassersysteme Kap. 3 Abwasserreinigung © PK, 2009 – Seite 8 Zeit Abfluss KA-Belastung mit NH 4 + durch Regenereignis

9 Grundlagen der Abwassersysteme Kap. 3 Abwasserreinigung © PK, 2009 – Seite 9 3 Abwasserreinigung 3.1 Rahmenbedingungen der Abwasserreinigung 3.2 Aufbau einer Kläranlage 3.3 Mechanische Reinigung 3.4 Biologische Verfahren 3.5 Nachklärung Peter Krebs Grundlagen der Abwassersysteme

10 Grundlagen der Abwassersysteme Kap. 3 Abwasserreinigung © PK, 2009 – Seite 10 Rechen Sand-u. Fettfang Vorklär- becken Belebungs- becken Nachklär- becken MÜSE Faulbehälter Nacheindicker Rücklaufschlamm Primär- schlamm Frisch- schlamm Rechen- gut Fett Sand Überschussschlamm Biogas Kehricht, Verbrennung Waschen, Deponie Nutzung, Entwässerung, Trocknung, Verbrennung, Deponie Gewässer, Filtration mechanische Stufe biologische Stufe Fäll- mittel Entwässerung Prozess- wasser FHM Nitri Deni Schlammbehandlung Aufbau einer Kläranlage

11 Grundlagen der Abwassersysteme Kap. 3 Abwasserreinigung © PK, 2009 – Seite 11 Beispiel: Kläranlage Chemnitz-Heinersdorf

12 Grundlagen der Abwassersysteme Kap. 3 Abwasserreinigung © PK, 2009 – Seite 12 Mechanische Vorreinigung Vorklärung Belebungsbecken Nachklärbecken Schlammeindicker Faulbehälter Nachfaulraum, „Stapel“ Abwasser W (h) Schlamm S (d) 0,2 1, , < 1 d> 100 d Typische Aufenthaltszeiten in den Reaktoren

13 Grundlagen der Abwassersysteme Kap. 3 Abwasserreinigung © PK, 2009 – Seite 13 3 Abwasserreinigung 3.1 Rahmenbedingungen der Abwasserreinigung 3.2 Aufbau einer Kläranlage 3.3 Mechanische Reinigung 3.4 Biologische Verfahren 3.5 Nachklärung Peter Krebs Grundlagen der Abwassersysteme

14 Grundlagen der Abwassersysteme Kap. 3 Abwasserreinigung © PK, 2009 – Seite 14 RechenartDurchlassweiteSpezifischer Anfall (m 3 /(E·a)) (mm) ungepresst (8% TS)gepresst (25% TS) Grobrechen Feinrechen Sieb ,003 0,012 0,022 0,001 0,004 0,007 Schwankungsbereich: -50% bis +100% Rechengutanfall in kommunalen Kläranlagen

15 Grundlagen der Abwassersysteme Kap. 3 Abwasserreinigung © PK, 2009 – Seite 15 Harken-Umlaufrechen

16 Grundlagen der Abwassersysteme Kap. 3 Abwasserreinigung © PK, 2009 – Seite 16 Hans Huber AG, Typ Ro9 Siebschnecke

17 Grundlagen der Abwassersysteme Kap. 3 Abwasserreinigung © PK, 2009 – Seite 17 Fließgeschwindigkeit: 0,6  v  2,5 m/s Gerinne um Fläche der Rechenstäbe erweitern Stauverlust beachten –Hydraulisch: –+ Aufstau durch Versetzung mit Grobstoffen  Gerinne mind. um hydraulischen Aufstau absenken Betriebs- und Havariesicherheit (Doppelauslegung) Einhausung zu empfehlen (Frost, Geruch) aber teuer (Entlüftung, Kranbahn) alternativ: Kapselung der Anlagentechnik Regeln zur Gestaltung von Rechenbauwerken

18 Grundlagen der Abwassersysteme Kap. 3 Abwasserreinigung © PK, 2009 – Seite 18 L H U VSVS U Q Grenzfall Absetzbedingung  V S  q A  unabhängig von H ! Sedimentation: Flächenbeschickung q A = Q/A (Hazen, 1904)

19 Grundlagen der Abwassersysteme Kap. 3 Abwasserreinigung © PK, 2009 – Seite 19 erforderlich bei Mischkanalisation Wirkung von mineralischen Inhaltsstoffen: –Starker Abrieb an mechanischen, beweglichen Teilen (z.B. Pumpenlaufräder und Gehäuse) –Verstopfungen (Schlammtrichter, Rohrleitungen, Pumpen) –Ablagerungen (Faulräume, Belebungsbecken) nur mit hohen Betriebsaufwendungen entfernbar Sandfang Schlamm im Sand ist lästig, aber Sand im Schlamm ist schädlich !

20 Grundlagen der Abwassersysteme Kap. 3 Abwasserreinigung © PK, 2009 – Seite 20 Korn- durchmesser Absetzgeschwindigkeit [mm] = 100% [cm/s] = 90% [cm/s] = 85% [cm/s] 0,125 0,160 0,200 0,250 0,315 0,17 0,29 0,46 0,74 1,23 0,26 0,44 0,78 1,25 2,00 0,31 0,56 0,99 1,60 2,35 (Kalbskopf, 1966) Empirisch ermittelte Absetzgeschwindigkeiten

21 Grundlagen der Abwassersysteme Kap. 3 Abwasserreinigung © PK, 2009 – Seite 21 Fließgeschwindigkeit:  0,3 m/s Breite empirisch Sandfanglänge: Sandstapelraum: rd. 0,2 x 0,3 m (nicht zu groß) Erweiterungswinkel (Gerinne  Sandfang) < 8° Venturigerinne nachschalten ! Bemessung

22 Grundlagen der Abwassersysteme Kap. 3 Abwasserreinigung © PK, 2009 – Seite 22 Belüfteter Sandfang

23 Grundlagen der Abwassersysteme Kap. 3 Abwasserreinigung © PK, 2009 – Seite 23 Wirkungsgrad im Vorklärbecken

24 Grundlagen der Abwassersysteme Kap. 3 Abwasserreinigung © PK, 2009 – Seite 24 StoffEinheitZulaufAblauf * TSS BSB 5 CSB TKN NH 4 -N NO 2 -N NO 3 -N P tot Alkalinität g TSS / m 3 g O 2 / m 3 g N / m 3 g P / m 3 mol HCO 3 - / m = f( Trinkwasser) + NH 4 -N ,5 0,23 0,25 0, ,1 * bei kurzer Aufenthaltszeit Veränderung der Abwasserzusammensetzung im VKB

25 Grundlagen der Abwassersysteme Kap. 3 Abwasserreinigung © PK, 2009 – Seite 25 Bsp. eines rechteckigen Absetzbeckens

26 Grundlagen der Abwassersysteme Kap. 3 Abwasserreinigung © PK, 2009 – Seite 26 3 Abwasserreinigung 3.1 Rahmenbedingungen der Abwasserreinigung 3.2 Aufbau einer Kläranlage 3.3 Mechanische Reinigung 3.4 Biologische Verfahren 3.5 Nachklärung Peter Krebs Grundlagen der Abwassersysteme

27 Grundlagen der Abwassersysteme Kap. 3 Abwasserreinigung © PK, 2009 – Seite 27 Suspendierte Biomasse Sessile Biomasse Durch Turbulenz in Schwebe gehalten Schlammflocken 0,1 – 1 mm Durchmesser Abbau spezifisch bezogen auf Biomasse Als Biofilm auf einer Aufwuchsfläche Bakterien werden nur vereinzelt erodiert Abbau spezifisch bezogen auf Bewuchsfläche  suspendierte Biomasse aufkonzentrieren  spezifische Oberfläche erhöhen Biologische Verfahren  Belebtschlammverfahren  Biofilmverfahren

28 Grundlagen der Abwassersysteme Kap. 3 Abwasserreinigung © PK, 2009 – Seite 28 Wachstum Zerfall Hydrolyse Aerober Abbau Nitrifikation Denitrifikation Einbau von C, N, P in die Biomasse wenn zu wenig externe Nährstoffe schwer  leicht abbaubare Stoffe, durch Enzyme organischer Stoffe CH 2 O + O 2  CO 2 + H 2 O NH O 2  NO H 2 O + 2 H + 5 CH 2 O + 4 NO H +  2 N CO H 2 O Wesentliche mikrobiologische Prozesse

29 Grundlagen der Abwassersysteme Kap. 3 Abwasserreinigung © PK, 2009 – Seite 29 Verdoppelungszeit t D 0·tD0·tD 1·tD1·tD 2·tD2·tD 3·tD3·tD i·tDi·tD...n·tDn·tD i2i 2n2n Belebter Schlamm: t D = 6 h Schlammalter = 10 d Bakterienwachstum

30 Grundlagen der Abwassersysteme Kap. 3 Abwasserreinigung © PK, 2009 – Seite 30  Wachstum ist limitiert durch Nahrungs- und Sauerstoffangebot  max,2 / 2  max,1 / 2 KS,2KS,2 KS,1KS,1 Wachstum spez. Wachstumsrate X B = Biomasse  max = maximale spezifische Wachstumsrate S = Substratkonzentration K S = Halbsättigungskonstante Bakterienwachstum

31 Grundlagen der Abwassersysteme Kap. 3 Abwasserreinigung © PK, 2009 – Seite 31 Zulauf BelebungsbeckenNachklärbecken Ablauf Rücklaufschlamm Überschuss- schlamm Nährstoffe Bakterien Luft, O 2 Sedimentation Belebungsverfahren

32 Grundlagen der Abwassersysteme Kap. 3 Abwasserreinigung © PK, 2009 – Seite 32 BelebungsbeckenNachklärbecken QQ + Q R TS BB Q TS e Q R = R·Q TS R (Q ÜS ) (TS ÜS ) Stoffflussbilanz im Gleichgewichtszustand mit Schlammhaushalt im Belebungsverfahren

33 Grundlagen der Abwassersysteme Kap. 3 Abwasserreinigung © PK, 2009 – Seite 33 Hydraulische Verdrängung des Schlamm-Abwasser-Gemisches in das Nachklärbecken  der Schlamm muss ins Belebungsbecken zurückgeführt werden Der belebte Schlamm wird 20 – 50 mal im Kreis geführt  Biomassekonzentration im Belebungsbecken wird erhöht Der Überschussschlamm wird aus dem System abgezogen  Gleichgewicht mit Schlammproduktion Bei erhöhter hydraulischer Belastung (bei Regenwetter) wird Schlamm ins Nachklärbecken verlagert Fließschema des Belebungsverfahrens

34 Grundlagen der Abwassersysteme Kap. 3 Abwasserreinigung © PK, 2009 – Seite 34 Dynamische Schlammverlagerung

35 Grundlagen der Abwassersysteme Kap. 3 Abwasserreinigung © PK, 2009 – Seite 35 Belüftung im Belebungsbecken

36 Grundlagen der Abwassersysteme Kap. 3 Abwasserreinigung © PK, 2009 – Seite 36 Schlammbelastung B TS Schlammbelastung bezogen auf die Trockensubstanz Q Zufluss zum Belebungsbecken (m 3 /d) BSB 5,zu Konzentration an BSB 5 im Zufluss (kg BSB 5 / m 3 ) V BB Volumen des Belebungsbeckens (m 3 ) TS BB Schlammkonzentration im Belebungsbecken, gemessen als TSS (kg TSS / m 3 )  die BSB 5 -Zufuhr wird zur Schlammmasse im BB in Beziehung gesetzt Dimensionierung mittels Schlammbelastung

37 Grundlagen der Abwassersysteme Kap. 3 Abwasserreinigung © PK, 2009 – Seite 37 Schlammalter  X Schlammalter in (d), 3 – 15 d SP Schlammproduktion (kg TS / d) ÜS B spezifische Schlammproduktion pro umgesetztem BSB 5 (kg TS / kg BSB 5 )  die Schlammproduktion wird zur Schlammmasse im BB in Beziehung gesetzt Dimensionierung mittels Schlammalter

38 Grundlagen der Abwassersysteme Kap. 3 Abwasserreinigung © PK, 2009 – Seite 38 Stickstoff i N = 0.04 – 0.05 (g N / g BSB 5 ) Phosphor i P = 0.01 – 0.02 (g P / g BSB 5 )  Elimination von Nährstoffen Abwasserzusammensetzung im Zulauf 300 (g BSB 5 /m 3 ) 60 (g TKN/m 3 ) 12 (g TP/m 3 ) Ablaufwerte bei 100%-igem Abbau von BSB 5 TKN Ab = TKN ZU – i N ·BSB 5,Zu =60 – 0.045·300 = 46,5(g N / m 3 ) TP Ab = TP ZU – i P ·BSB 5,Zu = 12 – 0.015·300 = 7,5 (g P / m 3 )  Weitergehende Verfahren für Nährstoffelimination ! Nährstoffbedarf von Mikroorganismen

39 Grundlagen der Abwassersysteme Kap. 3 Abwasserreinigung © PK, 2009 – Seite 39 Die Nitrifikanten („autotrophe Biomasse“ TS A ) haben eine geringe Wachstumsrate  A  hohes Schlammalter, damit Nitrifikanten nicht aus dem System ausgewaschen werden mit Produktion autotropher Biomasse und Sicherheitsfaktor SF ergibt sich das nötige Schlammalter mit  Beckenvolumen V BB muss groß sein Nitrifikation NH 4 +  NO 3 -

40 Grundlagen der Abwassersysteme Kap. 3 Abwasserreinigung © PK, 2009 – Seite 40 aerob C-Elimination Nitrifikation Denitrifikation „Bio-P“ aerob anaerob anoxischaerob anoxisch Entwicklung des Belebungsverfahrens anoxischaerob

41 Grundlagen der Abwassersysteme Kap. 3 Abwasserreinigung © PK, 2009 – Seite 41 OV R Spezifischer O 2 -Verbrauch (kg O 2 / kg BSB 5 ) Sauerstoffeintrag c s O 2 -Sättigungskonzentration (g O 2 / m 3 ) c O 2 -Konzentration (g O 2 / m 3 ) f Spitzenfaktor für Schwankungen (-) OC R Spez. O 2 -Eintragsvermögen Reinwasser(kg O 2 / (m 3 ·h))  Reduktionsfaktor für Eintrag ins Abwasser (0,4) 0,6 – 0,8 VerbrauchEintrag  Je geringer die aktuelle Sauerstoffkonzentration, desto effizienter der Sauerstoffeintrag Sauerstoffverbrauch

42 Grundlagen der Abwassersysteme Kap. 3 Abwasserreinigung © PK, 2009 – Seite 42 TSchlammalter in d ,850,991,041,131,181,22 0,871,021,071,151,211,24 0,921,071,121,191,241,27 0,961,111,161,231,271,30 0,991,141,181,251,291,32 (°C) Spitzenfaktoren für C- und N-Abbau fCfC fNfN < 20‘000 EW > 100‘000 EW 1,301,251,20 1,151, ,502,001,50 --2,001,801,50- Spezifischer Sauerstoffverbrauch OV R (kgO 2 /kgBSB 5 )

43 Grundlagen der Abwassersysteme Kap. 3 Abwasserreinigung © PK, 2009 – Seite 43 AnlagentypKeine Nitrifikation Nitrifikation >10°C Denitrifi- kation aerobe Schlamm- stabilisierung XX < 20‘000 EW > 100‘000 EW ÜS B B TS 5 0,9 – 1,2 0, ,8 – 1,1 0, – 18 0,7 – 1,0 10 – 16 0, ,0 – 0,05 (kg BSB 5 / (kg TS · d)) (kg TS / kg BSB 5 ) Dimensionierungswerte

44 Grundlagen der Abwassersysteme Kap. 3 Abwasserreinigung © PK, 2009 – Seite 44 Q RS Q Zu NH 4 + BSB 5 O2O2 NO 3 2- Q ÜS Längsprofile in der Belebung

45 Grundlagen der Abwassersysteme Kap. 3 Abwasserreinigung © PK, 2009 – Seite 45 Vorklärung Tropfkörper Nachklärung Rezirkulation Schlammrückführung Schlamm- abzug Biofilm auf Aufwuchsträger Tropfkörperverfahren

46 Grundlagen der Abwassersysteme Kap. 3 Abwasserreinigung © PK, 2009 – Seite 46 Flächenbelastung B A Flächenbelastung der Kunststofffolien (g BSB 5 / (m 2 ·d)) ohne Nitrifikation 4 (g BSB 5 / (m 2 ·d)), mit Nitri. 2 (g BSB 5 / (m 2 ·d)) Q Zufluss zum Tropfkörper (m 3 /d) BSB 5,zu Konzentration an BSB 5 im Zufluss (kg BSB 5 / m 3 ) V TK Volumen des Tropfkörpers, mit Folien (m 3 ) a spezifische Oberfläche der Folien (m 2 Folien / m 3 TK) 100 – 140 – 180 (m 2 Folien / m 3 TK) Dimensionierung des Tropfkörpers

47 Grundlagen der Abwassersysteme Kap. 3 Abwasserreinigung © PK, 2009 – Seite 47 Konzentration BSB 5 NH 4 + N0 3 - Tropfkörper- folie  C-Abbau und Nitrifikation laufen räumlich getrennt ab Stoffabbau im Tropfkörper

48 Grundlagen der Abwassersysteme Kap. 3 Abwasserreinigung © PK, 2009 – Seite 48 3 Abwasserreinigung 3.1 Rahmenbedingungen der Abwasserreinigung 3.2 Aufbau einer Kläranlage 3.3 Mechanische Reinigung 3.4 Biologische Verfahren 3.5 Nachklärung Peter Krebs Grundlagen der Abwassersysteme

49 Grundlagen der Abwassersysteme Kap. 3 Abwasserreinigung © PK, 2009 – Seite 49 Trennen Klären Speichern Eindicken von Schlamm und gereinigtem Abwasser durch Sedimentation  möglichst niedrige Ablaufkonzentration des aus dem Belebungsbecken verlagerten Schlamms, insbesondere bei Regenwetter  möglichst hohe Rücklaufkonzentration Bauformen Rund, von innen nach außen durchströmt Rechteckig, längs durchströmt Rechteckig, quer durchströmt Vertikal, von unten nach oben durchströmt Aufgaben des Nachklärbeckens

50 Grundlagen der Abwassersysteme Kap. 3 Abwasserreinigung © PK, 2009 – Seite 50 Konzentration Partikel-Interaktion Eindickung Behindertes Absetzen Flockendes Absetzen Freies Absetzen keineflockend hoch niedrig Vorklärbecken Nachklärbecken, Sedimentationszone Nachklärbecken, Schlammbett Nachklärbecken, Sohlbereich Sedimentation

51 Grundlagen der Abwassersysteme Kap. 3 Abwasserreinigung © PK, 2009 – Seite 51 Schlammindex ISV ist ein Maß für die Voluminosität und die Absetzeigenschaften 0.5 h H hShS X0X0 V0V0 Vergleichsschlammvolumen (ml / g TS) VSVS Schlammindex

52 Grundlagen der Abwassersysteme Kap. 3 Abwasserreinigung © PK, 2009 – Seite 52 Klarwasserzone Trennzone Speicherzone Eindickzone Einlaufzonewirksamer Bereich > 3 m ATV A131 (2000) Nachklärbecken, idealisierte Funktionen

53 Grundlagen der Abwassersysteme Kap. 3 Abwasserreinigung © PK, 2009 – Seite 53 Flächenbeschickung Schlammvolumenbeschickung Grenzwerte qAqA q SV (m/h)(l/(m 2 ·h) Horizontal durchströmte NKB Vertikal durchströmte NKB 1,6 2, ATV A131 (2000) Dimensionierung der Oberfläche von NKB

54 Grundlagen der Abwassersysteme Kap. 3 Abwasserreinigung © PK, 2009 – Seite 54 Klarwasserzone Trennzone Speicherzone Eindickzone TS BS Konzentration im Bodenschlamm t E Eindickzeit 1,5 – 2,0 ohne Nitrifikation 1,0 – 1,5 mit Nitrifikation 2,0 – (2,5) mit Denitrifikation ATV A131 (2000) Dimensionierung der Wassertiefe von NKB

55 Grundlagen der Abwassersysteme Kap. 3 Abwasserreinigung © PK, 2009 – Seite 55 mit Schild- oder Saugräumer Rundbecken

56 Grundlagen der Abwassersysteme Kap. 3 Abwasserreinigung © PK, 2009 – Seite 56 Längs durchströmtes Rechteckbecken mit Ketten-, Schild- oder Saugräumer

57 Grundlagen der Abwassersysteme Kap. 3 Abwasserreinigung © PK, 2009 – Seite 57 Quer durchströmtes Rechteckbecken mit Saugräumer

58 Grundlagen der Abwassersysteme Kap. 3 Abwasserreinigung © PK, 2009 – Seite 58 Vertikal durchströmtes Becken


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