Mechanische Abwasserreinigung Block 2 - Sandfang Unterlagen zum Fortbildungsmodul der Kläranlagen-Nachbarschaften Mechanische Abwasserreinigung Block 2 - Sandfang 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 Mechanische Reinigung - System Rechen / Siebe: Entfernen von Grob- und Faserstoffen Sand-/Fettfang: Entfernen von Sand und Fetten/Leichtstoffen Vorklärung: Entfernen von Sinkstoffen

Aufbau Modul (3 Blöcke) Rechen und Siebe Grundlagen Bemessung Grundlagen Rechen Rechenauswahl Betrieb - Wartung Rechengutaustrag / Wäsche Rechengutanfall / Entsorgung

i Sandfang / Fettfang Dimensionierung/ Hydraulik Fäkalschlamm- annahme Sandfänge Sandwäsche / Sandklassierung Sandfang Ablauf Kompaktanlagen Sandaustrag

i Sandfang Inhaltsverzeichnis Grundlagen Sandfang / Sedimentation …………… Seite 14 - 21 Bauformen Sandfänge ……………………………… Seite 22 - 35 Sandfanggut / Entsorgung …………………….…… Seite 36 - 40 Sandwäsche …………………………………….…… Seite 41 - 42 Kompaktanlagen ……….……………………….…… Seite 43 - 51 Fäkalschlammannahme ……….…………………… Seite 52

i Sandfang - Aufgaben Schlamm im Sand ist lästig, Entfernung von Sand ist aus betrieblichen Gründen erforderlich Abrasion/Sandabrieb führt zu Schäden an Maschinen, Bautechnik und Leitungen Versanden der Becken/Faulung Verstopfungen in Leitungen möglich Forderung nach DIN 19569-2 95 % Rückhalt von Partikeln mit d = 0,2 mm Problem: Im Sandfang sollen sich nur mineralische Stoffe absetzen, nicht aber die organischen Stoffe (werden für spätere Abbauprozesse benötigt, stören bei der Verwertung). Durch den zunehmenden Wunsch nach einer Abtrennung kleiner Durchmesser erhöht sich aber der organische Anteil im Sandfanggut! Lösung: Durchflussgeschwindigkeit einhalten, die das Absetzen der mineralischen Stoffe ermöglicht, die organischen Stoffe aber austrägt. Schlamm im Sand ist lästig, aber Sand im Schlamm ist schädlich !

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

i Sandfang - Bauformen Bauformen Sandfang Tiefsandfang nach Blunk Flachsandfang nach Dorr Rundsandfang (konventionell oder mit Rührwerk) Langsandfang (unbelüftet oder belüftet (mit/ohne Fettfang)) Belüfteter Sandfang i.d.R. mit Fettfang Kompaktanlagen mit Rechen/Sieb, mit Sand- und Fettfang, belüftet Kaum mehr im Einsatz Rundsandfang Langsandfang

i Rundsandfang Funktion unbelüfteter Rundsandfang: Zufluss des Abwassers zum Sandfang tangential Durch Rundbehälter wird dem einströmenden Abwasser eine Rotationsströmung aufgezwungen. Durch tangentiale Anströmung und das Rührwerk ergibt sich ein Zykloneffekt. Große Separationsfläche aufgrund eines inneren Separatorkegel. Geringe Aufwärtsgeschwindigkeit im Zentrum. Absetzbare Stoffe werden durch die Zentrifugalkraft an die Wand gedrückt und sinken zu Boden. Quelle: Fa. Huber

Rundsandfang i Kompakte Bauweise  gut geeignet für Kläranlagen mit beengten Platzverhältnissen Konstante Rotationsgeschwindigkeit durch Rührwerk, unabhängig von der Zulaufmenge Ausführung in Ortbeton oder Edelstahl Sandentnahme möglich mittels: Druckluftheber Sandsaugpumpe (oberirdisch) Kreiselpumpe (unterirdisch) Klassierschnecke Quelle: Fa. Huber

Rundsandfang i Quelle: Aqseptence Group GmbH

Rundsandfang i Querschnitt Draufsicht Quelle: Aqseptance Group

i Langsandfang - unbelüftet Langsandfang Einfache Bauart (i.d.R. Ortbeton) Rechteckiger oder trapezförmiger Querschnitt Anordnung von senkrechten Staublechen im Ablaufbereich Ggfs. zweistraßige Ausführung (n = 1 + 1 für Mischwasserzufluss) Sandsammelraum zur Aufnahme des abgesetzten Sandes i.d.R. mit automatischer Räumung Langsandfang in unbelüfteter oder seltener in belüfteter Ausführung möglich Fettfang nur bei belüfteten Sandfängen möglich Nachteil: Fließgeschwindigkeit variiert mit dem Zufluss

i Langsandfang - unbelüftet Langsandfang Langsandfänge gehören zu den Flachsandfängen. Durch die Aufweitung des Querschnitts wird die Fließgeschwindigkeit reduziert und mineralische Anteile können sich in der Absetzrinne sammeln. Die horizontale Fließgeschwindigkeit liegt bei 0,2 bis 0,3 m/s und bestimmt die durchströmte Querschnittsfläche A o = Q v Die Oberflächenbeschickung ist Bemessungsgrundlage für die Oberfläche A= Q q A qA < 18 m/h für Trockenwetter (entspricht 0,5 cm/s) qA < 36 m/h für Mischwasserzufluss

i Langsandfang - unbelüftet Langsandfang in Ortbetonbauweise Quelle: Essener Langsandfang, ATV, 1997 Quelle: Alt/Heuner, 2015

Langsandfang i Quelle: Fa. Huber

i Belüfteter Sandfang Belüfteter Sandfang Belüftete Sandfänge werden bei maximalem Durchfluss auf eine horizontale Fließgeschwindigkeit von 0,2 m/s ausgelegt: Unerwünschtes Absetzen von organischen Abwasserinhaltsstoffen wird durch die seitlich eingeblasene Luft verhindert. Durch Luftlanzen über gesamte Sandfanglänge wird eine Drehbewegung des Wasserkörpers erreicht und es bildet sich eine Spiralströmung. Durch Spiralströmung weitgehend von Zufluss unabhängige Fließgeschwindigkeit im Sandfang. Keine Zulaufbedingten Schwankungen wie bei unbelüfteten Langsandfängen Quelle: Hirschbeck, 2010

Belüfteter Sandfang i Einsatz von grobblasiger Belüftung (nicht anfällig ggü. Verstopfungen) Luftmenge im Bereich von 0,5 - 1 m³Luft/(m³Volumen*h) Geringe Luftmengen sind hinsichtlich des Energieverbrauchs und der ungewollten Abscheidung von leicht abbaubaren organischen Stoffen zu bevorzugen. Sand wird an den Rand des Wasserkörpers transportiert – Sedimentation an der Sandfangsohle. Baulänge maßgeblich für Funktion des Sandfangs. Ausstattung mit automatischen Räumeinrichtungen. Quelle: DWA, 2008

i Belüfteter Sandfang – Fettfang Flotationswirkung der eingeblasenen Luft auf Schwimmstoffe. Flotierter Schwimmschlamm ist durch den hohen Luft- und Wassergehalt oft schlecht zu behandeln / entsorgen. Geruchsemissionen durch Strippen möglich Quelle: Schreff, 2018 AZV Chiemsee

i Belüfteter Sandfang – Fettfang Integrierter Fettfang durch Tauchwand oder geschlitzte Trennwand möglich Fett hemmt Abbauaktivität einiger Mikroorganismen begünstigt Blähschlamm beeinträchtigt Rohrleitungen Entsorgung von Fett über den Sonderabfall oder die thermische Verwertung Quelle: Schreff, 2018 Fettfang Quelle: bearbeitet nach DWA, 2008

Belüfteter Sandfang i Bemessungsdaten für belüftete Sandfänge nach Londong (1987), ATV (1997), Stein (1992) und Seyfried (1994) und DWA (2008): Horizontale Fließgeschwindigkeit: < 0,2 m/s Querschnittsfläche: < 15 m² Beckenlänge: Max. 50 m, mindestens 10-fache Breite Durchflusszeit bei Mischwasser: Mind. 5 min Luft-Einblastiefe: 30 cm über Sandsammelrinne Sohlneigung: 35 - 45 ° Spez. Lufteintrag je nach Querschnittsfläche: 0,5 – 1,3 m³/(m³*h) bei großen Problemen mit Deni / Bio-P: 0,1 – 0,2 m³/(m³*h)

i Sandfänge – Sandfanggut Sandfanggut ist ein heterogenes Gemisch, welches sich schnell absetzt, gut eindickt, gut entwässerbar ist und bei hydraulischer Förderung abrasiv wirkt. Sandfanggut: Typischer Anfall je Einwohnerwert: 2 – 5 l/(E · a) ≜ 3 – 7,5 kg/(E · a) (DWA-M 369) Typische Sandkonzentration im Zulauf (Patt & Stein (1996)) bei Trockenwetter: 10 – 60 [mg/l] bei Regenwetter: 400 [mg/l] Im Mittel: 60 l/1.000 m³ Abwasser, Schwankungsbereich: 20 bis 200 l/1.000 m³ Abwasser (Kalbskopf, 1977) Trockenrückstand: 40 bis 70 % (DWA-M 369) Glühverlust: 10 bis 50 % (DWA-M 369) Mittlerer Korndurchmesser bei Trockenwetter: d = 0,4 mm (DWA-M 369) Erhebliche Geruchsbelastung bei zu langer Lagerung möglich Mit zunehmendem Sandabscheidegrad ist eine saubere Trennung der erwünschten mineralischen Anteile und unerwünschten, fäulnisfähigen organischen Stoffe kaum möglich.

i Sandfänge – Sandfanggut Die Sandfanggutmengen werden durch folgende Einflüsse bestimmt (Quelle: DWA-M 369, 2015): Siedlungsstruktur und geologische Verhältnisse im Einzugsgebiet Art des Entwässerungssystems (bei Mischsystemen: Wartung Sinkkästen!) Länge und Betrieb Kanalsystem (Wartungsintervalle!) Vorgeschalteter Geröllfang und Rechensystem Leistungsfähigkeit des Sandfangs (Über-/Unterdimensionierung) Baustellen bzw. Bauarbeiten im Entwässerungsgebiet Klimatische Bedingungen und Stärke von Regenereignissen Bei Starkregen können große Mengen mineralischer Anteile aus dem Kanalnetz mobilisiert werden, v.a. nach Trockenperioden. Bedingt durch die Starkregen ist der Anfall üblicherweise im Sommer höher als im Winter.

Sandfänge – Räumung i Die Sandfangräumung und –förderung erfolgt maschinell durch: Pumpen Mechanische Räumeinrichtungen wie Kratzer, Räumschilde und Räumschnecken Mammutpumpen Schneckenförderer Bei hochliegenden Sandfängen: hydraulischer Überdruck Pumpen sind die am häufigsten vorzufindende Technik: zum kontinuierlichen Abzug an einer fahrbaren Räumerbrücke über eine Saugleitung oder zur intervallartigen Förderung aus der Sandsammelrinne mit Räumschilden.

i Sandfänge – Entsorgung Sand Möglichkeiten der Entsorgung des Sandfanggutes: Meist unproblematische Entwässerung durch Sedimentation Thermische Verwertung von Sandfanggut allein ist nicht möglich Bei kleineren Anlagen: gemeinsame thermische Verwertung des Rechen- und Sandfanggutes möglich Stoffliche Verwertung durch Kompostierung, i.d.R. zusammen mit anderen Stoffen. Durch Sand werden die Nährstoffkonzentrationen beim Einsatz in Rekultivierungsmaßnahmen reduziert. Organik-Anteil ohne Wäsche üblicherweise > 20 %  Deponierung i.d.R. nicht möglich Organik-Anteil mit Wäsche üblicherweise < 5 %  Deponierung Deponieklasse II möglich

i Sandfänge – Entsorgung Sand Möglichkeiten der Entsorgung des Sandfanggutes Behandlung in Sandrecyclinganlagen Erhöhung der Sandqualität Abtrennung des Überkorns > 2 mm Abtrennung der Fraktion  0,66 mm Reduzierung der organischen Fracht (z.B. durch Wirbelschichtsortierer) Einsatz nur bei großen Durchsatzmengen möglich; evtl. in Kombination mit der Aufbereitung von Kanalspülsanden (Anfall Kanalspülsande: ca. 2 bis 3-fache Menge des Sandfanggutes) Erreichbare Qualitäten durch Sandrecyclinganlagen: Z2 der LAGA-Regeln: Sand kann als Baustoff z.B. im Straßen- oder Deponiebau eingesetzt werden Deponieklasse I: GV < 3 %, Grenzwerte der relevanten Schadstoffe werden üblicherweise unterschritten. Evtl. im Landbau für Rekultivierungs-/Abdeckmaßnahmen einsetzbar https://www.niersverband.de/zentrale-aufgaben/abfallwirtschaft/abfallarten/ Oder Deponieklasse 0 (Bauschuttdeponie)?

i Sandwäsche – Merkmale & Funktion Waschen und Entwässern in einer Maschine. Optimale Ausnutzung der Behältergeometrie und der Strömungsbedingungen zur Klassierung über 95 % von Partikeln der Größe d = 0,2 mm. Unterscheidung in Beschickung der Sandwäsche mittels Sandfangpumpe als Wasser-Sand-Gemisch oder trockene Beschickung aus dem Sandklassierer. Auswaschung des Materials unterstützt durch ein Rührwerk zur Reduzierung der Organik im ausgetragenen Sand. Quelle: Werkstoff+Funktion „Trockene“ Sandwäsche

Sandwaschanlage i Sandwäsche mit Beschickung mittels Sandfangpumpe als Wasser-Sand-Gemisch Quelle: Huber SE

i Kompaktanlagen (Komponenten) Kompaktanlagen bestehend aus Rechen/Sieb, Sand- und Fettfang Es handelt sich üblicherweise um Edelstahlkonstruktionen, die anschlussfertig aufgestellt werden können. Alle erforderlichen Fördereinrichtungen sind bereits enthalten. Die Hersteller haben unterschiedliche Ausführungen und Größen in Ihrem Programm: Durchsatzleistungen zwischen 10 und 300 l/s sind möglich. Rechengutbehandlung im Austrag des Zulaufrechen/-Sieb integriert oder mit separater (Schnecken-)Waschpresse möglich. Ausführung als belüfteter oder unbelüfteter Sandfang, für kleine Durchsatzmengen (< 10 l/s) i.d.R. unbelüftete Sandfänge. Integrierter Fettfang evtl. mit automatischem Fetträumpaddel Sandförderung und Sandklassierung üblicherweise mittels Förderschnecken.

i Kompaktanlagen (Aufstellung) Kompaktanlagen Installation in Betonschacht bei Zulauf im Freispiegel Ebenerdige Aufstellung bei gepumpten Zuläufen Quelle: Werkstoff + Funktion

i Kompaktanlagen (Systemskizze) Abwurf Rechengut Rechen/Sieb Rechengutbehandlung (waschen & pressen) Abwurf Sandfanggut Abwurf Rechengut Sandfang Zulauf Ablauf Quelle: HUBER SE

entwässertes Sandfanggut Kompaktanlagen (Systemskizze) i Notüberlauf Fettfang Skimmer Vorlaufbehälter Verdichter entwässertes Siebgut Belüfterkerzen Langsandfang, belüftet entwässertes Sandfanggut Quelle: Aqseptance Group

i Kompaktanlagen (Sandfang) Fettfang/Trennbleche Belüftungs- rohre Sandaustrags- schnecke Quelle: PWL Anlagentechnik

i Kompaktanlage Anlage vollkommen geschlossen Be- und Entlüftung Gebäude ! Quelle: pwl Anlagentechnik

Kompaktanlagen i Quelle: Aqseptence Group

Kompaktanlagen i Walzensandfang Quelle: Werkstoff + Funktion

Kompaktanlagen (Systemskizze)

i Fäkalschlammannahme Fäkalschlammannahmen sind für Kläranlagen ab 10.000 E geeignet, wenn in der biologischen Stufe einschließlich Belüftung sowie in der Faulung und Schlammbehandlung entsprechende Leistungsreserven vorhanden sind. Problematisch ist oft die zopfreiche und mit Feuchttüchern belastete Beschickung. Ziel Fäkalschlammannahme: Entfernung von Grobstoffen Vermeiden von Verzopfungen Auswaschung von Organik Quelle: Werkstoff + Funktion Quelle: HUBER SE

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