Mechanische Abwasserreinigung Block 3: Vorklärung Unterlagen zum Fortbildungsmodul der Kläranlagen-Nachbarschaften Mechanische Abwasserreinigung Block 3: Vorklärung Dr.-Ing. Dieter Schreff Prof. Dr.-Ing. Rita Hilliges

Mechanische Vorreinigung ??? Quelle: IB Schreff, 2018 Quelle: IB Schreff, 2018 Quelle: IB Schreff, 2018 Mechanische Vorreinigung ist entscheidend für die Funktionstüchtigkeit der gesamten Kläranlage !!! Quelle: IB Schreff, 2018 Quelle: IB Schreff, 2018 Quelle: IB Schreff, 2018 Quelle: IB Schreff, 2018 OV: Sauerstoffverbrauch Quelle: IB Schreff, 2018

i Grundlagen Etwa 30 % des Zulaufs liegt ungelöst vor: Sperr-/Grobstoffe Schwimmstoffe (Fette) Schwebstoffe (Suspensa) Absetzbare Stoffe Quelle: KUHN/Uckschies

i Grundlagen Mechanische Reinigung Ziel: Abtrennung partikulärer (= ungelöster) Abwasserinhaltsstoffe (Fest-Flüssig-Trennung) wird als „erste“ Reinigungsstufe bezeichnet soll Abwasser für biologische Reinigung vorbereiten und nachfolgende Stufen vor Verstopfungen und Zerstörung schützen Methoden: Rechen – Siebe – Sand-/Fettfang - Absetzbecken Prozesse: Partikelrückhalt: durch Stababstand bzw. Porenweite Sedimentation: durch Schwerkraft durch Zentrifugalkräfte Entsorgung: Verbrennung (Kostenfaktor!); evtl. Recycling

i Mechanische Reinigung - System Die mechanische Abwasserreinigung zur Entfernung von ungelösten Abwasserinhaltsstoffen, die mechanisch einfach erfasst werden können. Folgende mechanische Verfahren stehen zur Verfügung: Rechen- und Siebverfahren Sedimentation in Sandfängen und Vorklärung Leichtstoffabscheidung Filtration Membranverfahren Zentrifugen Flotation Kommunale Kläranlagen i.d.R. nur bei Industriekläranlagen

i Mechanische Reinigung - System Die mechanische Reinigung ist entscheidend für die Betriebssicherheit nachfolgender Verfahrensstufen, sonst … Verstopfungen von Rohrleitungen und Pumpen Ablagerungen an Überfallkanten Verzopfungen im Belebungsbecken Schwimmdecken z.B. auf der Faulung Abrasion durch Sand an beweglichen Teilen der Maschinentechnik Sandablagerungen im Schlamm sowie im Faulbehälter Verstopfen von Schlammabzugseinrichtungen Sandablagerungen in Dükern  erhöhte Strömungswiderstände Schwimmdecken-, Fettkugel- und Ablagerungsbildung durch Fette und Öle Wachstum von fadenförmigen Bakterien im Belebtschlamm Schwimmschlammbildung bzw. schlechte Schlammabsetzeigenschaften Mechanische Reinigung ist essentiell für die Betriebssicherheit der Kläranlage!

Wir bedanken uns für die freundliche Unterstützung! Folgende Firmen haben Material für das Modul zur Verfügung gestellt: Hinweise – Firmenkontakte – Erfahrungen – Bilder sind willkommen!

i Vorklärung Einfluss Vorklärung auf Faulung / Gasproduktion Bauarten Quelle: Gujer,1999 Ablauf Schlammabzug Zufluss Räumerarten Dimensionierung OV: Sauerstoffverbrauch Schlammanfall / Schlammeigenschaften

i Vorklärung Inhaltsverzeichnis Grundlagen Sedimentation………………………………Folie 14 - 20 Vorklärung als Baustein der Kläranlage………………..Folie 21 - 24 Bauformen & Räumer ……………………………………Folie 25 - 30 Dimensionierung Vorklärung……………………...……..Folie 31 - 33 Wirkungsgrad und Schlammanfall………………………Folie 34 - 37 Auswirkungen der Vorklärung …...……………….……Folie 38 - 41

i Sedimentation als Grundlage für … Sandfang: zur Abtrennung/Rückhalt von mittransportierten mineralischen Bestandteilen Vorklärbecken: zur Abtrennung/Rückhalt von mittransportierten organischen Bestandteilen (Schlamm) Nachklärbecken: zur Abtrennung/Rückhalt und Anreicherung von Belebtschlamm

i Grundlagen Sedimentation Sedimentation = Abtrennen von suspendierten, ungelösten Stoffen aus der Flüssigkeit durch Schwerkraft Voraussetzungen für Sedimentation sind: Dichteunterschiede: Teilchendichte > Dichte Flüssigkeit Teilchengröße: Mindestgröße der Teilchen 0,5 bis 0,15 µm Sinkgeschwindigkeit eines kugelförmigen Teilchens in ruhendem Wasser kann vereinfacht berechnet werden: ReT Reynoldszahl F dynamische Viskosität Flüssigkeit dT Durchmesser Teilchen F Dichte Flüssigkeit v s = Re T ∗ ε F d T ∗ ρ F 𝐯 𝐬

i Grundlagen Sedimentation Sedimentation Übertragung der theoretischen Sinkgeschwindigkeiten auf die Abwassertechnik ist schwierig, da: Abwasserpartikel nicht zwangsläufig kugelförmig sind, sich Teilchen gegenseitig beeinflussen, Flockenbildung bzw. Partikelzerfall auftreten kann und i.d.R. kontinuierlich durchströmte Becken statt ruhendes Wasser Rechnerische Sinkgeschwindigkeiten vS [m/h] von kugelförmigen Teilchen bei 10 °C in ruhendem Wasser ohne Lufteinfluss (Quelle: Bauhaus-Universität Weimar, 2009): Stoff Dichte [g/cm³] Durchmesser [mm] 1,0 0,5 0,2 0,1 Quarzsand 2,65 552 250 88 40 Kohle 1,50 235 107 37 9,6 Häusliches Abwasser 1,20 122 55 19 3,9

i Grundlagen Sedimentation A h Q b Ao l Zur Übertragung wurde das ideale Absetzbecken entwickelt, in dem sich die Absetzkurve eines Teilchens aus der Resultierenden der Sinkgeschwindigkeit vs und der Fließgeschwindigkeit vF = Q/(h·b) ergibt. Das Absetzen ist nicht abhängig von der Beckentiefe, sondern nur vom Durchfluss Q und der Beckenoberfläche A = l · b. Partikel mit Sinkgeschwindigkeit vs  Flächenbeschickung qA = Q/A [m³/(m²·h) = m/h] können sicher abgeschieden werden. A h b l Q Ao

i Grundlagen Sedimentation Voraussetzungen: a) Dichteunterschiede und Partikelgröße b) geringe Turbulenz Bedingung 1: erforderliche Absinkdauer << Aufenthaltsdauer Bedingung 2: Oberflächenbeschickung qA << Sinkgeschwindigkeit des Partikels Beckentiefe H ABFLUSS Q ZUFLUSS Q vF vS Beckenbreite B Absetzweg vF: Fließgeschwindigkeit vS: Sinkgeschwindigkeit Beckenlänge L

i Grundlagen Sedimentation Sedimentation Entsprechende Fließgeschwindigkeiten für die Bemessung von Absetzvorgängen sind in nachfolgender Graphik dargestellt: Quelle: Dipl.-Ing. Thomas Müller, 2009

Vorklärung – Ziel i Ziel: Abtrennung von feinen, ungelösten organischen Feststoffen durch Sedimentation Pufferwirkung der Feststoffkonzentration für die Biologie Eindickung von Überschussschlamm Organische Fracht wird bei geringem Energieaufwand durch ein technisch einfaches Verfahren abgetrennt. Mögliche Vorfällung und Flockung

i Vorklärung Anfallender Schlamm wird als Primärschlamm bezeichnet. Anfallendes Schlammvolumen (Primärschlamm) beträgt nur ca. 1 % der Abwassermenge. Primärschlamm sollte einer weiteren Behandlung unterzogen werden (= «sedimentiertes Abwasser!») Räumung durch Schild-, Saug- oder Kettenräumer Abtrennung von Schwebstoffen mit einer Korngröße von > 0,2 mm Aufenthaltszeit bestimmt Abscheidegrad Maximale Fliessgeschwindigkeit vF = 60 cm/min, damit bereits abgesetzte Stoffe nicht wieder aufgewirbelt werden.

i Vorklärung – Vorteile Entlastung der biologischen Stufe. Weniger organische Stoffe in der biologischen Stufe → geringerer Sauerstoffbedarf der Mikroorganismen Primärschlamm hat hohen organischen Anteil → höhere Gasausbeute in Faulung als aus ÜS-Schlamm Pufferwirkung (z.B. Frachtstöße bei Mischwasser durch Remobilisierung von Kanalsedimenten) Zusätzliche Störstoffentnahme (z.B. bei Umfahrung des Rechens oder Feststoffe im Waschwasser der Rechengut-/Sandwäsche) Eindickung von Überschussschlamm (Option) Einsatz einer Vorfällung (z.B. als temporäre Maßnahme)

i Vorklärung – Nachteile Umgang mit Primärschlamm (Geruch, Hygiene/Arbeitsschutz) Abtrennung von abbaubaren Kohlenstoffverbindungen (CSB), die für die Denitrifikation benötigt werden:  Verschiebung/Senkung C:N-Verhältnis (kaum N-Elimination in der Vorklärung, da N überwiegend gelöst) führt zu größeren Deni-Zonen Feststoffe aus dem Abwasser können den Schlamm beschweren bzw. strukturgebend bei der Flockenbildung der Belebtschlammflocken wirken: Verschlechterung der Schlammabsetzeigenschaft des Belebtschlammes! Achtung: Gilt nicht bei Schlammalter unter 10 Tagen.

i Vorklärung – Bauformen Meist horizontal durchflossene Becken. Ausführung als Längsbecken oder Rundbecken Ausführung mit leicht geneigter Sohle (1 – 2 %), damit das Becken bei der Reinigung leer laufen kann. Rundbecken (DIN 19552), meist mit Schildräumer. Rechteckbecken (DIN 19551), mit Schildräumer oder Kettenräumer, nur selten Saugräumer. Einlaufbereich und Auslaufbereich werden gesondert betrachtet: Vermeiden von Kurzschlussströmungen möglichst gleichmäßige Zu- und Ablaufsituation Bei größeren Kläranlagen sollte eventuell eine Umfahrung (Bypass) möglich sein. In Perioden hoher Abscheidegrade (minimaler Zulauf) kann somit die Denitrifikation durch die Zuleitung biologisch abbaubarer Stoffe in der Belebung unterstützt werden.

i Vorklärung – Reckteckbecken Zulauf Ablauf Schlammabzug KA Altomünster mit Bandräumer Quelle: Schreff, 2014 Einleitung vor Kopf Durchströmung in Längsrichtung Abnahme des geklärten Wassers am Beckenende Abnahme des eingedickten Schlamms am Fuß des Einlauftrichters Sohlräumung gegen die Fliessrichtung

Vorklärung – Reckteckbecken i Quelle: Schreff, 2018 GKW Kempten/Lauben

i Vorklärung – Rundbecken Zulauf Ablauf Schlammabzug Einleitung in der Beckenmitte Radiale Durchströmung Abnahme des geklärten Wassers am Beckenrand (Rinne) Abnahme des eingedickten Schlammes am Fuß des Einlauftrichters Quelle: Schreff, 2018

i Vorklärung – Rundbecken Ablauf Zufluss Schlammabzug Achtung: Quelle: Gujer,1999 Ablauf Schlammabzug Zufluss Achtung: Schwimmschlammräumung!

i Vorklärung – Räumerarten Schildräumer Bandräumer / Kettenräumer Quelle: Schreff/KA Hammelburg Bandräumer / Kettenräumer Quelle: Schreff/KA Altomünster

i Vorklärung – Dimensionierung Oberflächenbeschickung für die Vorklärung: qA,VKB = 2,5 m/h bis 4 m/h (bezogen auf 1-h-Spitzenabfluss bei Trockenwetter ) Überfallschwellenbeschickung qS im Ablauf ≤ 30 m³/mKantenlänge ∙ h Längsgeschwindigkeit im Vorklärbecken: vF etwa 1 cm/s bei Trockenwetterzufluss Nicht wesentlich über 3 cm/s bei maximalem Zufluss Qm (Vermeidung einer Aufwirbelung bereits abgesetzter Stoffe) Minimale hydraulische Aufenthaltszeit bei maximalem Zufluss: tA > 20 min (Sicherstellung einer ausreichenden Abscheideleistung) Länge : Breite 10 – 5 : 1 (z.B. L x B = 50 x 6 m) Tiefe : Länge 1:20 – 1:25 (Tiefe ca. 2 – 3 m)

i Vorklärung – Dimensionierung qA= Q A <2,5 −4,0 m h 1. Flächenbeschickung qA (m/h): Q: Zufluss (m³/h), 1-h-Spitzenabfluss A: Beckenoberfläche (m²) 2. Durchflusszeit tR (h): V: Beckenvolumen (m³) Q: mittl. Zufluss (m³/h), Trockenwetter tR= V Q >0,75 −2,5 h UND tR,min= V Qmax >20 min

i Vorklärung – Aufenthaltszeiten Die erforderliche Aufenthaltszeit in der Vorklärung ist abhängig von der Abwasserzusammensetzung und der Verfahrenstechnik der biologischen Stufe (z.B. Denitrifikation) Max. tA = 1 h für Anlagen mit vorgeschalteter Denitrifikation Mind. tA = 1 h wenn Überschussschlamm in die Vorklärung geführt wird und mit dem Primärschlamm abgezogen wird (Schlammabtrieb!) tA = 1,5 bis 2,0 h für Tropfkörperverfahren! DWA-A 131 (2016): Angabe der Abscheideleistung der Vorklärung in Abhängigkeit von der Aufenthaltszeit bezogen auf den mittleren Tagesdurchfluss bei Trockenwetter QT,aM für 0,75 bis > 2,5 h

i Vorklärung – Wirkungsgrad Abscheidegrade der Vorklärung in Abhängigkeit von der hydraulischen Aufenthaltszeit bei mittlerem Tagesdurchfluss bei Trockenwetter QT,aM nach DWA-A 131 (2016). Zwischenwerte sind sinnvoll zu interpolieren. Messergebnisse sind den Tabellenwerten vorzuziehen.

i Vorklärung – Wirkungsgrad Abscheidegrade der Vorklärung nach DWA-A 131 (2016): max. Abscheidung bis zu 60% für TS max. Abscheidung von nur 10% für KN und Pges  liegen v.a. gelöst vor

i Vorklärung – Wirkungsgrad CSB-Elimination i.d.R. deutlich höher als N- oder P-Elimination (partikelgebunden vs. gelöst!) Verringerung der ÜS-Schlammproduktion durch Feststoffrückhalt → Erhöhung des Schlammalters in der Belebung. Biofilmanlagen (z.B. Tropfkörper) erfordern feststofffreien Zulauf Durchflusszeit Wirkungsgrad a b c a: Grobentschlammung (0,3 – 0,5 h, nur Belebungsanlagen) b: Vorklärzeit 0,5 – 1,5 h, Belebungsanlagen c: Vorklärzeit 1,0 – 2,5 h, Biofilmanlagen

i Primärschlammanfall Primärschlamm = sedimentiertes Abwasser! Primärschlammanfall in Abhängigkeit von der Aufenthaltszeit Vorklärung: 35 bis 45 gTS/(E · d) entsprechend 1,0 – 1,4 L/(E · d) Hoher Organischer Anteil (> 70 % GV) Typische TR-Gehalte im Primärschlamm : 2 - 8 % (d.h. höher als ÜS-Schlamm) Erhöhter Faulgasertrag aus Primärschlamm gegenüber Überschussschlamm: Schlammart Abbaugrad ηoTS [%] Spez. Faulgasvolumen [Nl/kgoTS,abgebaut] Spez. Faulgasvolumen [Nl/kgoTS,zugeführt] Primärschlamm 55 - 60 900 - 1.000 500 - 600 Überschussschlamm 25 - 30 700 - 800 200 - 300 Rohschlamm 40 - 50 800 - 1.000 350 - 450 Nl/kgoTS,abgebaut: Auf die abgebaute oTS-Menge bezogen Nl/kgoTS,zugeführt :Auf die gesamte zugeführte oTS-Menge bezogen (abgebaute und nicht abgebaute OTS) ηoTS * Nl/kgoTS,abgebaut Nl= Normliter Quelle: DWA-M 368

i Einfluss VK auf Schlammanfall OV: Sauerstoffverbrauch Schlammanfall als Summe PS + ÜS = 70 - 85 gTS/(E · d) Schlammanfall steigt mit zunehmender Aufenthaltszeit in der Vorklärung Wirkungsgrad AFS steigt mit zunehmender Aufenthaltszeit in der Vorklärung Wirkungsgrad AFS flacht ab 1,5 h Aufenthaltszeit in der Vorklärung ab

i Einfluss VK auf spez. Gasanfall OV: Sauerstoffverbrauch PS hat entscheidenden Einfluss auf spez. Gasanfall, ohne PS liegt der spezifische Gasanfall bei nur 16 lN/(E · d) Mit höherer Aufenthaltszeit in der Vorklärung nimmt der spezifische Gasanfall nur noch leicht zu.

i Auswirkungen Vorklärung Einfluss Vorklärung auf biologische Stufe: Schlammabsetzeigenschaften tendenziell schlechter! Beckenvolumen insgesamt kleiner DN-Anteil höher Einfluss Vorklärung auf den Gasertrag in der Faulung: Spezifisches Volumen der Faulung bleibt gleich (ÜS-PS) Gasertrag kann durch PS deutlich gesteigert werden Ab 1,5 h Aufenthaltszeit in der Vorklärung kaum mehr Veränderungen. OV: Sauerstoffverbrauch

Wir bedanken uns für die freundliche Unterstützung! Folgende Firmen haben Material für das Modul zur Verfügung gestellt: Hinweise – Firmenkontakte – Erfahrungen – Bilder sind willkommen!