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1 Weber Ingenieure Funktionsstörungen auf Kläranlagen – Begriffe, Ursachen und Auswirkungen Dr. Peter Baumann 11.02.2009 Lehrerbesprechung 2009 der Kanal-

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1 1 Weber Ingenieure Funktionsstörungen auf Kläranlagen – Begriffe, Ursachen und Auswirkungen Dr. Peter Baumann Lehrerbesprechung 2009 der Kanal- und Kläranlagennachbarschaften in Bayern

2 2 Weber Ingenieure Begriffe Störfall ein Ereignis,...das sich aus einer Störung des bestimmungsgemäßen Betriebes einer Anlage ergibt, das unmittelbar oder später innerhalb oder außerhalb des Betriebsbereiches oder der Anlage zu einer ernsten Gefahr für Mensch und Umwelt oder zu schweren Sachschäden führt Betriebsstörung als eine zeitlich begrenzte, bestimmbare Beeinträchtigung bzw. vom Ausfall einer Kläranlagenkomponente mit der Folge einer Nicht- oder Mindererfüllung der bestimmungsgemäß unter bestimmten Betriebsbedingungen zu leistende Aufgabe dieser Komponente Funktionsstörung Wird oft einem Teilprozess der Abwasserreinigung zugeordnet. So kann beispielsweise der Teilprozess der Nitrifikation selektiv beeinträchtigt sein, die Funktion der anderen Prozesse (Kohlenstoffabbau, Schlamm/-Wassertrennung, Denitrifikation etc.) ist davon unbeeinflusst. In der Praxis werden die Begriffe der Betriebsstörung und der Funktionsstörung aber oft synonym verwendet.

3 3 Weber Ingenieure Erkennung Kläranlagen weisen ein stabiles Betriebesverhalten auf Funktionsstörung.. wenn die Messwerte der Eigenkontrolle nicht mehr innerhalb der üblichen Schwankungsbreite bzw. über den erwarteten Werten liegen Beurteilung von Ganglinien - über einen Zeitraum von 24 Stunden deuten gelegentliche, unregelmäßige Überschreitungen nicht auf eine gravierende Funktionsstörung hin. Treten diese Überschreitungen aber regelmäßig, u.U. sogar mit steigender Tendenz auf, so besteht Handlungsbedarf Bereich von mehreren Tagen, so ist auch hier eine kurzzeitige Überschreitung des erwarteten Wertes (d.h. Messwert über dem Schwankungsbereich) unerheblich. Bei einem zu beobachtenden tendenziellen Anstieg, oder gar einer täglichen Überschreitung ist dagegen ein unmittelbarer Handlungsbedarf gegeben ein Wert der wasserrechtlichen Erlaubnis auch nur kurzfristig überschritten, ist unverzüglich mit der Ursachenforschung zu beginnen Plausibilität des Messwertes d.h. mögliche Fehlerquellen bei der Probenahme und der Analytik von Abwasserproben sind zu prüfen

4 4 Weber Ingenieure Ursachen Außerbetrieblichen Ursachen (Witterung, Indirekteinleiter, Unfälle im Straßen- oder Bahnverkehr, Stromversorgung..) Innerbetrieblichen Ursachen (Ausfall von Maschinen, Fehler der Bedienung oder Betriebsführung..) nicht vorhersehbar die Vorhersehbarkeit einzelner Funktionsstörungen ist hinterher (das heißt nach dem Eintreten) immer einfacher als im laufenden Betrieb festzustellen. vorhersehbar wenn erkannte bzw. gemeldete Schadstoffe im Kanalnetz auf die Kläranlage zulaufen und das Schadstoffpotenzial zumindest ungefähr bekannt ist Bei alleiniger Kenntnis der Symptome der Funktionsstörung ohne Hinweis auf die Ursache ist eine gezielte Ursachenforschung zu betreiben

5 5 Weber Ingenieure Auswirkungen Auswirkungen sind je nach Dauer und Umfang vielfältig zusätzliche Personalaufwendungen für eigenes Personal zum Störungsmanagement zusätzliche Fremdleistungen zur Störungsbeseitigung (Beratungskosten, Analysekosten, Fremdfirmen zur Instandsetzung von technischen Einrichtungen..) zusätzliche Betriebsmittelaufwendungen (Fällmittel, Schlammentsorgung, Energie..) Überschreitung von Überwachungswerten mit unter Umständen negativen Folgen für die Abwasserabgabe erhöhte Belastung des Vorfluters bis zur Schädigung der Fauna (ggf. bis zum Fischsterben) u.U. Gefährdung einer vorfluterabwärts gelegenen Trinkwasseraufbereitung negative Presse der Abwasserreinigung Bei einer Beeinträchtigung des Vorfluters wird in der Regel auch geprüft, inwieweit dem Betreiber ein Organisationsverschulden oder Fahrlässigkeit nachzuweisen ist. Die Staatsanwaltschaft wird hier sowohl nach Information durch die Technische Fachbehörde wie durch Anzeigen Dritter (in der Regel Fischereiverbände) tätig.

6 6 Weber Ingenieure Management Was ist zu tun.. unverzügliche Einleitung von Sofortmaßnahmen, um Dauer und Umfang der nachteiligen Auswirkungen auf den Vorfluter zu minimieren. –Maßnahmen vor der Anlage (im Bereich der Regenbecken), innerhalb der Anlage und sogar am Vorfluter (beispielsweise gezielte Verdünnung durch Abflusserhöhung - Einleitung von zusätzlichem Wasser) umfassen. Als Richtschnur können die Hinweise von [1] dienen, allerdings sind die richtigen Maßnahmen vor Ort oft von den lokalen Bedingungen abhängig. Ggf. ist sich externer Hilfe als Beratungsleistung zu bedienen. sofortige Meldung an den Dienstvorgesetzten und die zuständige Behörde mit den verfügbaren Informationen über die Art, Ursache (sofern bekannt), Auswirkungen und voraussichtliche Dauer. Ermittlung und Abstellen der Ursache der Störung. –Dies bedingt bei abnehmenden Informationsgrad über die Ursache der Störung, eine gezielte Probenahme im Zu- und Ablaufbereich und in den Reaktoren sowie ggf. im Kanalnetz (bei Verdacht auf unerlaubte Einleitungen). Alle – auch schon im Vorfeld gezogene Proben - sind sachgerecht zurückzustellen, bis eine Analysenkonzept vorliegt. Laufende Unterrichtung der zuständigen Behörde über die getroffenen und noch beabsichtigten Maßnahmen. Ggf. Umsetzung von Maßnahmen zur Vermeidung einer Wiederholung der Funktionsstörung.

7 7 Weber Ingenieure Durchführung von Analysen Ziele: die Ursache möglichst genau zu erfassen und die Prozesstransparenz bezüglich des Verlaufes der Funktionsstörung(en) zu erhöhen Umsetzung erhöhtes Probenaufkommen mit Probenrückstellung eine sachgerechte Probenvorbehandlung sowie ein durchdachtes Analysenkonzept mit hoher Umsetzungsgeschwindigkeit Teststäbchen Gemessene Konzentration auf die richtige Größe beziehen Wirkschwellen von Hemmstoffen beziehen sich auf die Konzentration im biologischen Reaktor und nicht im Zulauf zur Anlage, dass heißt, die Verdünnung im Reaktor bzw. vorgeschalteten Reaktor (Vorklärung, DN-Zonen) ist mit zu betrachten. Geordnete Dokumentation der Analysenergebnisse

8 8 Weber Ingenieure Literatur I Baumann, P. / Krauth, Kh. / Maier, W. und M. Roth (2008): Funktionsstörungen auf Kläranlagen,.– Neuauflage bei der DWA-LV BaWÜ Bezug auf die biologischen Teilprozesse der biologischen und chemischen Abwasserreinigung streng prozess- und symptomorientiert aufgebaut ist, um an Hand von Ablaufdiagrammen ein rasches, zielgerichtetes Handeln im Fall der Funktionsstörung zu ermöglichen –Probenahme und Analytik –Reinigungsziel Kohlenstoffelimination –Reinigungsziel: Nitrifikation –Reinigungsziel: Denitrifikation –Reinigungsziel: Chemische Phosphatelimination –Reinigungsziel: Biologische Phosphatelimination –Unter- oder Überschreitung des pH-Wertes im Ablauf –Nitrit zu hoch –Funktionsstörungen durch Blähschlamm –Schwimmschlamm und Schaum –Funktionsstörungen im Bereich der Schlammbehandlung –Maßnahmen zur Gefahrenabwehr bei extern verursachten Funktionsstörungen

9 9 Weber Ingenieure Literatur I (Inhalt – Auszug)

10 10 Weber Ingenieure Literatur I (Inhalt – Systematik)

11 11 Weber Ingenieure Literatur II Neitzel, V. und E. Tschech (2007): Betriebsstörungen auf Kläranlagen. DWA. ISBN: auf ca. 650 Seiten eher umfassend. Dabei werden alle Aspekte von Betriebsstörungen (incl. der mechanischen Abwasserreinigung bis hin zur Geruchsproblematik) auch rechtlicher und organisatorischer Art behandelt. Handlungshinweise sind vor allem prozess-, aber weniger symptomorientiert gestaltet, das Auffinden konkreter Handlungsanweisungen zu einem bestimmten Problemfall im Text ist deshalb manchmal schwierig

12 12 Weber Ingenieure Ausgewählte Funktionsstörungen - CSB vollständige Nitrifikation bedeutet immer auch sehr niedrige BSB 5 -, CSB,- oder TOC-Werte in der filtrierten Probe des Ablaufes abtreibenden Flocken des belebten Schlammes auf 1 mg abfiltrierbare Stoffe entfallen 0,4 - 0,8 mg BSB 5 bzw. 1,0 - 1,5 mg CSB. Maßnahmen Bestimmung CSB ? Bestimmung CSB fil / CSB unfil Schlammabtrieb ? Kurzfristig Langfristig Bewertung Funktionsstörungen beim CSB sehr selten biologisch induziert

13 13 Weber Ingenieure Ausgewählte Funktionsstörungen – NH 4 -N Hohe Temperaturabhängigkeit der Stickstoffumsetzung. Die Bemessung der Kläranlagen erfolgt in Deutschland in der Regel für eine Bemessungstemperatur von 10°C für vollständige Nitrifikation Erhöhte NH 4 -N-Ablaufwerte bei Abwassertemperaturen unterhalb der Bemessungstemperatur sind deshalb keine Funktionsstörung Ebenso kann nicht erwartet werden, dass bei vorausgegangenen schnellen Temperaturschwankungen (bspw. durch Schneeschmelze) auch bei Abwassertemperaturen im Bereich von > 12°C immer voll nitrifiziert wird. Aerobe Schlammalter Belüftetes Volumen Glühverlust als Indiz für die aktive Biomasse Hemmung Laborversuch Externe Untersuchung

14 14 Weber Ingenieure Ausgewählte Funktionsstörungen – NO 3 -N äußerst selten In Verbindung mit den Randbedingungen N/CSB Kontaktzeit Sauerstoffeintrag Denkbar, aber eher regelmäßige Dauerbelastung mit Schwankungen

15 15 Weber Ingenieure Ausgewählte Funktionsstörungen – NO 2 -N Vorbemerkung Nitrit entsteht als Zwischenprodukt sowohl bei der Oxidation von Ammonium zu Nitrat (Nitrifikation) als auch bei der Reduktion von Nitrat zu molekularem Stickstoff (Denitrifikation). Erhöhte Nitritgehalte gefährden die Biologie, da sie toxisch auf Mikroorganismen wirken. Außerdem wird der wasser- und abgaberechtlich bedeutsame Gehalt an anorganischem Stickstoff im Ablauf entsprechend erhöht. Bei gut funktionierender Nitrifikation/Denitrifikation liegen die N0 2 -N-Gehalte im gereinigten Abwasser unter 1,5 mg/l. Eine Nitritanreicherung ist darauf zurückzuführen, dass die für die Umwandlung von Nitrit in Nitrat (Nitratation) verantwortlichen Nitrobacter langsamer wachsen als Nitrosomonas, die für die Oxidation von Ammonium zu Nitrit (Nitritation) verantwortlich sind. Außerdem können höhere Ammoniumkonzentrationen die Nitritation hemmen Aufgrund der relativen Unbeständigkeit von Nitrit sind die Proben möglichst sofort zu analysieren

16 16 Weber Ingenieure Ausgewählte Funktionsstörungen – NO 2 -N Ursachen Sauerstoffmangel im Nitrifikationsteil starke Verkürzung des Schlammalters durch sehr hohen Überschussschlammabzug hohe Ammoniumrückbelastung durch Schlammwässer bei anaerober Schlammbehandlung schnelle Absenkung der Abwassertemperatur nitratationshemmende Stoffe im Zulauf oder im Fällmittel erhöhte Ammoniumgehalte bzw. -frachten im Zulauf Maßnahmen – Teil I die Belüftung im Nitrifikationsteil zu erhöhen Schlammwässer vorübergehend zurückzuhalten (speichern oder anderweitig entsorgen) das Schlammalter durch Steigerung des Trockensubstanzgehaltes zu erhöhen. Dabei ist jedoch die Belastbarkeit der Nachklärung zu beachten (ISV, TS).

17 17 Weber Ingenieure Ausgewählte Funktionsstörungen – NO 2 -N Maßnahmen – Teil II Vorfällung zur Entlastung der Biologie (Begünstigung der Nitrifikation) vollständige Nitritreduktion durch vorübergehendes Abschalten der kompletten Belüftung. Diese Empfehlung gilt allerdings nur für den Fall, dass Belüftung und Umwälzung vollständig getrennt werden können. Die Ablaufqualität muss dabei laufend kontrolliert werden. Vom längeren Abschalten der Belüfter ohne Umwälzung wird abgeraten, da bei abgesetztem Schlamm keine Reinigung mehr erfolgt. Auch die Drosselung der Belüftung auf das für die Umwälzung gerade erforderliche Maß ist nicht immer zielführend, da dadurch kein sauerstofffreies Milieu erreicht werden kann. ggf. Einsetzen von Kohlenstoff zur schnelleren DN (nachts) ggf. vorher DN-Geschwindigkeit im Labor bestimmen (Fällmittel wechseln, ggf. intern eingesetzte Reinigungsmittel wechseln) (Stickstofffracht im Zulauf begrenzen bzw. ausgleichen (Vorbehandlung in Betrieben, Zulaufspeicherung))

18 18 Weber Ingenieure Externe Funktionsstörungen I Schematisierung nach Stoffgruppen Leicht brennbare und explosive Gase sowie Flüssigkeiten (Gefahrenklasse A1 der Verordnung über brennbare Flüssigkeiten (VbF)) Aceton, Äther, Benzin, Benzol, allg. Lösemittel Havariefälle (chemische Industrie, Straßenverkehr) Mineralölprodukte (Nicht halogenierte Kohlenwasserstoffe, Gefahrenklasse A 3 Vbf) Bohröl, Dieselöl, Heizöl, Schweröl, Schmierstoffe Havariefälle (chemische Industrie, Öltankbefüllungen, Ölabscheider, Straßenverkehr, Ölleitungen) Säuren und Laugen – Organische Säuren (Essigsäure, Zitronensäure, Propionsäure), anorganische Säuren (Salzsäure, Schwefelsäure, Salpetersäure), anorganische Laugen (Ammoniak, Kalk, Natronlauge, Soda) –Havariefälle (Straßenverkehr, chemische Industrie), Reinigungsmittel

19 19 Weber Ingenieure Externe Funktionsstörungen II Nährstoffe (stoßartige Belastung) Gülle, Ammonium, Nitrit- oder Nitratsalze, Phosphate, Eiweiße, Blut Havariefälle (Straßenverkehr, chemische Industrie), Reinigungsmittel, unerlaubte Einleitungen von Prozessabwasser aus Gewerbebetrieben Tenside (stoßartige Belastung) Wasch- und Reinigungsmittel, Lösungsvermittler, Entfettungsbäder Havariefälle (Straßenverkehr, chemische Industrie), Reinigungsmittel, unerlaubte Einleitungen von Prozessabwasser aus Gewerbebetrieben Leicht abbaubares Substrat (stoßartige Belastung) Fette (pflanzlich und tierisch), Zucker, Molke, Stärke, Alkohol, Konzentrate Havariefälle (Straßenverkehr, chemische Industrie), Einleitungen von Prozessabwasser aus Gewerbebetrieben, insbesondere der Lebensmittelverarbeitung

20 20 Weber Ingenieure Externe Funktionsstörungen III Sonstige giftige Stoffe (stoßartige Belastung) – Schwermetalle (Kupfer, Blei, Zink, Chrom, Cadmium, Quecksilber etc.), Chlorierte Kohlenwasserstoffe (PCB, Dioxine, Chloroform etc.), Blausäure, Cyanide, Pestizide, Mikrobizide, Farbstoffe und Pigmente Havariefälle (Straßenverkehr, chemische Industrie), unerlaubte Einleitungen von Prozessabwasser aus Gewerbebetrieben (insbesondere Metallbe- und verarbeitung, Textilindustrie)

21 21 Weber Ingenieure Externe Funktionsstörungen IV Umgang bei frühzeitiger Erkennung, d.h. der Stoff ist unterwegs Ziel muss immer sein, den kontaminierten Abwasserstrom möglichst separat, konzentriert und frühzeitig abzufangen: in Regenbecken, allerdings ohne Überlauf in den Vorfluter, Notfallbecken (optimal, falls vorhanden), Vorklärbecken (falls vorhanden) oder die gezielte Einleitung in eine biologisch, aktive Beckenstraße (bei mehrstraßigen Anlagen (sogenanntes Opferbecken). Damit wird der Hauptteil der biologischen Anlage geschützt und kann in Funktion bleiben. Selbst bei einem unklarem Gefährdungspotenzial der Einleitung sollte der Speicherung des Abwasserstromes im Vorfeld unbedingt Vorrang vor einer spekulativen Gefährdungsabschätzung als Grundlage für das weitere Handeln gegeben werden. Maßnahmen zur Schadensminimierung

22 22 Weber Ingenieure Wir danken für Ihre Aufmerksamkeit


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