3 Abwasserreinigung 3.1 Rahmenbedingungen der Abwasserreinigung Peter Krebs Grundlagen der Abwassersysteme 3 Abwasserreinigung 3.1 Rahmenbedingungen der Abwasserreinigung 3.2 Aufbau einer Kläranlage 3.3 Mechanische Reinigung 3.4 Biologische Verfahren 3.5 Nachklärung

3 Abwasserreinigung 3.1 Rahmenbedingungen der Abwasserreinigung Peter Krebs Grundlagen der Abwassersysteme 3 Abwasserreinigung 3.1 Rahmenbedingungen der Abwasserreinigung 3.2 Aufbau einer Kläranlage 3.3 Mechanische Reinigung 3.4 Biologische Verfahren 3.5 Nachklärung

Abwasserreinigungsanlagen in Deutschland Ende 2000 sind mehr als 10.000 kommunale Kläranlagen in Betrieb Größenklasse Anzahl Ausbaugröße in mio EW > 100.000 272 83,1 10.000 – 100.000 1.817 56,1 2.000 – 10.000 2.617 12,3 50 – 2.000 5.677 3,2

Gesetzgebung Europa Richtlinie des Rates vom 21. Mai 1991 über die Behandlung von kommunalem Abwasser (91/271/EWG) EU Wasserrahmenrichtlinie Deutschland Wasserhaushaltsgesetz Abwasserverordnung Abwasserabgabengesetz Sachsen Sächsisches Wassergesetz Sächsisches Abwasserabgabengesetz Sächsische Kommunalabwasserverordnung Erlasse des SMUL

Mindestanforderungen an Kläranlagenablauf CSB (mg/l) BSB5 (mg/l) NH4-N (mg/l) N* (mg/l) Pges (mg/l) Größenklasse 1 < 1000 EW 60 kg BSB5 / d 150 40 - - - 2 < 5000 EW 300 kg BSB5 / d 110 25 - - - 3 < 10000 EW 600 kg BSB5 / d 90 20 10 - - 4 < 100000 EW 6000 kg BSB5 / d 90 20 10 18 2 5 > 100000 EW 6000 kg BSB5 / d 75 15 10 13 1 * N = Summe von NH4+, NO3-, und NO2-

Belastungsschwankungen im Zulauf zur KA

Ausstoß von NH4+ und TSS aus der Kanalisation

KA-Belastung mit NH4+ durch Regenereignis Zeit Abfluss

3 Abwasserreinigung 3.1 Rahmenbedingungen der Abwasserreinigung Peter Krebs Grundlagen der Abwassersysteme 3 Abwasserreinigung 3.1 Rahmenbedingungen der Abwasserreinigung 3.2 Aufbau einer Kläranlage 3.3 Mechanische Reinigung 3.4 Biologische Verfahren 3.5 Nachklärung

Aufbau einer Kläranlage mechanische Stufe biologische Stufe Belebungs-becken Fäll-mittel Prozess-wasser Deni Rechen Sand-u. Fettfang Vorklär-becken Nachklär-becken Nitri Gewässer, Filtration Rechen-gut Sand Primär-schlamm Rücklaufschlamm MÜSE FHM Überschussschlamm Schlammbehandlung Frisch-schlamm Biogas Prozess-wasser Nutzung, Entwässerung, Trocknung, Verbrennung, Deponie Fett Kehricht, Verbrennung Waschen, Deponie Faulbehälter Nacheindicker Entwässerung

Beispiel: Kläranlage Chemnitz-Heinersdorf

Typische Aufenthaltszeiten in den Reaktoren Abwasser W (h) Schlamm S (d) Mechanische Vorreinigung 0,2 0,01 Vorklärung 1,5 1 Belebungsbecken 10 10 Nachklärbecken 5 2 Schlammeindicker 2 Faulbehälter 20 Nachfaulraum, „Stapel“ 100 < 1 d > 100 d

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Spezifischer Anfall (m3/(E·a)) Rechengutanfall in kommunalen Kläranlagen Rechenart Durchlassweite Spezifischer Anfall (m3/(E·a)) (mm) ungepresst (8% TS) gepresst (25% TS) Grobrechen 50 0,003 0,001 Feinrechen 15 0,012 0,004 Sieb 3 0,022 0,007 Schwankungsbereich: -50% bis +100%

Harken-Umlaufrechen

Siebschnecke Hans Huber AG, Typ Ro9

Regeln zur Gestaltung von Rechenbauwerken Fließgeschwindigkeit: 0,6  v  2,5 m/s Gerinne um Fläche der Rechenstäbe erweitern Stauverlust d Stabdicke, e Durchlassbreite,  Winkel gegen Horizontale,  Formbeiwert, v Geschwindigkeit im ungestörten Querschnitt Zusätzlich Aufstau durch Verblockung mit Grobstoffen  Gerinne mind. um hydraulischen Aufstau absenken Betriebs- und Havariesicherheit (Doppelauslegung) Einhausung (Frost, Geruch)  teuer - alternativ: Kapselung der Anlagentechnik

Sedimentation: Flächenbeschickung qA = Q/A (Hazen, 1904) U Q VS H Grenzfall Absetzbedingung  VS  qA  unabhängig von H !

Sandfang 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 Schlamm im Sand ist lästig, aber Sand im Schlamm ist schädlich !

Absetzgeschwindigkeit Empirisch ermittelte Absetzgeschwindigkeiten Korn-durchmesser Absetzgeschwindigkeit [mm] = 100% [cm/s] = 90% = 85% 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)

Bemessung Fließgeschwindigkeit:  0,3 m/s Breite empirisch Sandfanglänge: Sandsammelrinne: rd. 0,2 x 0,3 m (nicht zu groß) Erweiterungswinkel (Gerinne  Sandfang) < 8° Venturigerinne zur Durchflussmessung nachschalten !

Belüfteter Sandfang

Wirkungsgrad im Vorklärbecken

Einheit Zulauf Ablauf* Veränderung der Abwasserzusammensetzung im VKB Stoff Einheit Zulauf Ablauf* TSS g TSS / m3 360 180 0,5 BSB5 g O2 / m3 300 230 0,23 CSB g O2 / m3 600 450 0,25 TKN g N / m3 60 56 0,067 NH4-N g N / m3 40 40 NO2-N g N / m3 NO3-N g N / m3 1 1 Ptot g P / m3 10 9 0,1 Alkalinität mol HCO3- / m3 = f( Trinkwasser) + NH4-N * bei kurzer Aufenthaltszeit

Bsp. eines rechteckigen Absetzbeckens

3 Abwasserreinigung 3.1 Rahmenbedingungen der Abwasserreinigung Peter Krebs Grundlagen der Abwassersysteme 3 Abwasserreinigung 3.1 Rahmenbedingungen der Abwasserreinigung 3.2 Aufbau einer Kläranlage 3.3 Mechanische Reinigung 3.4 Biologische Verfahren 3.5 Nachklärung

Biologische Verfahren Suspendierte Biomasse  Belebtschlammverfahren Durch Turbulenz in Schwebe gehalten Schlammflocken 0,1 – 1 mm Durchmesser Abbau spezifisch bezogen auf Biomasse  suspendierte Biomasse aufkonzentrieren Sessile Biomasse  Biofilmverfahren Als Biofilm auf einer Aufwuchsfläche Bakterien werden nur vereinzelt erodiert Abbau spezifisch bezogen auf Bewuchsfläche  spezifische Oberfläche erhöhen

Wesentliche mikrobiologische Prozesse Wachstum Einbau von C, N, P in die Biomasse Zerfall wenn zu wenig externe Nährstoffe Hydrolyse schwer  leicht abbaubare Stoffe, durch Enzyme Aerober Abbau organischer Stoffe CH2O + O2  CO2 + H2O Nitrifikation NH4+ + 2 O2  NO3- + H2O + 2 H+ Denitrifikation 5 CH2O + 4 NO3- + 4 H+  2 N2 + 5 CO2 + 7 H2O

Bakterienwachstum Verdoppelungszeit tD 0·tD 1·tD 2·tD 3·tD i·tD ... n·tD 20 21 22 23 2i ... 2n Belebter Schlamm: tD = 6 h Schlammalter = 10 d

Bakterienwachstum  Wachstum ist limitiert durch Nahrungs- und Sauerstoffangebot max,2/2 max,1/2 KS,2 KS,1 Wachstum spez. Wachstumsrate XB = Biomasse max = maximale spezifische Wachstumsrate S = Substratkonzentration KS = Halbsättigungskonstante

Belebungsverfahren Belebungsbecken Nachklärbecken Luft, O2 Sedimentation Ablauf Zulauf Nährstoffe Bakterien Rücklaufschlamm Überschuss-schlamm

Schlammhaushalt im Belebungsverfahren Belebungsbecken Nachklärbecken Q Q + QR TSBB TSe QR = R·Q TSR (QÜS) (TSÜS) Stoffflussbilanz im Gleichgewichtszustand mit

Fließschema des Belebungsverfahrens 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

Dynamische Schlammverlagerung

Belüftung im Belebungsbecken

Dimensionierung mittels Schlammbelastung  die BSB5-Zufuhr wird zur Schlammmasse im BB in Beziehung gesetzt BTS Schlammbelastung bezogen auf die Trockensubstanz Q Zufluss zum Belebungsbecken (m3/d) BSB5,zu Konzentration an BSB5 im Zufluss (kg BSB5 / m3) VBB Volumen des Belebungsbeckens (m3) TSBB Schlammkonzentration im Belebungsbecken, gemessen als TSS (kg TSS / m3)

Dimensionierung mittels Schlammalter  die Schlammproduktion wird zur Schlammmasse im BB in Beziehung gesetzt X Schlammalter in (d), 3 – 15 d ÜSB spezifische Schlammproduktion pro umgesetztem BSB5 (kg TS / kg BSB5) SP Schlammproduktion (kg TS / d)

Nährstoffbedarf von Mikroorganismen Stickstoff iN = 0.04 – 0.05 (g N / g BSB5) Phosphor iP = 0.01 – 0.02 (g P / g BSB5)  Elimination von Nährstoffen Abwasserzusammensetzung im Zulauf 300 (g BSB5/m3) 60 (g TKN/m3) 12 (g TP/m3) Ablaufwerte bei 100%-igem Abbau von BSB5 TKNAb = TKNZU – iN·BSB5,Zu = 60 – 0.045·300 = 46,5 (g N / m3) TPAb = TPZU – iP·BSB5,Zu = 12 – 0.015·300 = 7,5 (g P / m3)  Weitergehende Verfahren für Nährstoffelimination !

Nitrifikation NH4+  NO3- Die Nitrifikanten („autotrophe Biomasse“ TSA) haben eine geringe Wachstumsrate A mit Produktion autotropher Biomasse und Sicherheitsfaktor SF ergibt sich das nötige Schlammalter mit  hohes Schlammalter, damit Nitrifikanten nicht aus dem System ausgewaschen werden  Beckenvolumen VBB muss groß sein

Entwicklung des Belebungsverfahrens aerob C-Elimination aerob Nitrifikation anoxisch aerob Denitrifikation anaerob anoxisch aerob „Bio-P“

Sauerstoffverbrauch Sauerstoffeintrag Eintrag Verbrauch OVR Spezifischer O2-Verbrauch (kg O2 / kg BSB5) cs O2-Sättigungskonzentration (g O2 / m3) c O2-Konzentration (g O2 / m3) f Spitzenfaktor für Schwankungen (-) OCR Spez. O2-Eintragsvermögen Reinwasser (kg O2 / (m3·h))  Reduktionsfaktor für Eintrag ins Abwasser (0,4) 0,6 – 0,8  Je geringer die aktuelle Sauerstoffkonzentration, desto effizienter der Sauerstoffeintrag

Spezifischer Sauerstoffverbrauch OVR (kgO2/kgBSB5) Schlammalter in d (°C) 4 8 10 15 20 25 10 0,85 0,99 1,04 1,13 1,18 1,22 12 0,87 1,02 1,07 1,15 1,21 1,24 15 0,92 1,07 1,12 1,19 1,24 1,27 18 0,96 1,11 1,16 1,23 1,27 1,30 20 0,99 1,14 1,18 1,25 1,29 1,32 Spitzenfaktoren für C- und N-Abbau fC 1,30 1,25 1,20 1,20 1,15 1,10 fN < 20‘000 EW - - - 2,50 2,00 1,50 > 100‘000 EW - - 2,00 1,80 1,50 -

Dimensionierungswerte Anlagentyp Keine Nitrifikation Nitrifikation >10°C Denitrifi-kation aerobe Schlamm-stabilisierung X < 20‘000 EW 5 10 12 – 18 25 > 100‘000 EW 4 8 10 – 16 – BTS (kg BSB5 / (kg TS · d)) 0,30 0,15 0,12 0,05 ÜSB (kg TS / kg BSB5) 0,9 – 1,2 0,8 – 1,1 0,7 – 1,0 1,0

Längsprofile in der Belebung QZu QRS QÜS O2 BSB5 NH4+ NO32-

Tropfkörperverfahren Biofilm auf Aufwuchsträger Tropfkörper Vorklärung Nachklärung Rezirkulation Schlammrückführung Schlamm-abzug

Dimensionierung des Tropfkörpers Flächenbelastung BA Flächenbelastung der Kunststofffolien (g BSB5 / (m2·d)) ohne Nitrifikation 4 (g BSB5 / (m2·d)), mit Nitri. 2 (g BSB5 / (m2·d)) Q Zufluss zum Tropfkörper (m3/d) BSB5,zu Konzentration an BSB5 im Zufluss (kg BSB5 / m3) VTK Volumen des Tropfkörpers, mit Folien (m3) a spezifische Oberfläche der Folien (m2 Folien / m3 TK) 100 – 140 – 180 (m2 Folien / m3 TK)

Stoffabbau im Tropfkörper Konzentration BSB5 Tropfkörper-folie NH4+ N03-  C-Abbau und Nitrifikation laufen räumlich getrennt ab

3 Abwasserreinigung 3.1 Rahmenbedingungen der Abwasserreinigung Peter Krebs Grundlagen der Abwassersysteme 3 Abwasserreinigung 3.1 Rahmenbedingungen der Abwasserreinigung 3.2 Aufbau einer Kläranlage 3.3 Mechanische Reinigung 3.4 Biologische Verfahren 3.5 Nachklärung

Aufgaben des Nachklärbeckens Trennen von Schlamm und gereinigtem Abwasser durch Sedimentation Klären  möglichst niedrige Ablaufkonzentration Speichern des aus dem Belebungsbecken verlagerten Schlamms, insbesondere bei Regenwetter Eindicken  möglichst hohe Rücklaufkonzentration Bauformen Rund, von innen nach außen durchströmt Rechteckig, längs durchströmt Rechteckig, quer durchströmt Vertikal, von unten nach oben durchströmt

Nachklärbecken, idealisierte Funktionen Einlaufzone wirksamer Bereich Klarwasserzone Trennzone > 3 m Speicherzone Eindickzone ATV A131 (2000)

Dimensionierung der Oberfläche von NKB Flächenbeschickung Schlammvolumenbeschickung Grenzwerte qA qSV (m/h) (l/(m2·h) Horizontal durchströmte NKB 1,6 500 Vertikal durchströmte NKB 2,0 650 ATV A131 (2000)

Dimensionierung der Wassertiefe von NKB Klarwasserzone Trennzone Speicherzone Eindickzone TSBS Konzentration im Bodenschlamm tE Eindickzeit 1,5 – 2,0 ohne Nitrifikation 1,0 – 1,5 mit Nitrifikation 2,0 – (2,5) mit Denitrifikation ATV A131 (2000)

Partikel-Interaktion Sedimentation Vorklärbecken Nachklärbecken, Sedimentationszone niedrig Freies Absetzen Flockendes Absetzen Nachklärbecken, Schlammbett Konzentration Behindertes Absetzen Nachklärbecken, Sohlbereich Eindickung hoch keine flockend Partikel-Interaktion

Schlammindex 0.5 h X0 H V0 VS hS Schlammindex ISV ist ein Maß für die Voluminosität und die Absetzeigenschaften 0.5 h Vergleichsschlammvolumen X0 H V0 (ml / g TS) VS hS

Absetzversuch X0 X0 hS >X0 hS hS t

Absetzfunktion Einzelne Messung (m/h) V X (g/l) Vesilind (1968) 8 7 6 5 Einzelne Messung (m/h) 4 S V 3 2 1 2 4 6 8 X (g/l) Vesilind (1968)

Phänomene, die den Wirkungsgrad beeinflussen Sedimentation Dichteeffekte Kurzschluss in den Ablauf in den Rücklauf Einmischung Schergradienten, Instabilitäten Erosion des Schlammbettes Turbulenz und Flockung

Geschwindigkeitsfeld Anderson (1945)

Messungen in einem Rechteckbecken TS [g/l] Profil y = 2,5 m 20 cm/s Profil y = 1 m Messungen ISI, NKB Kierspe Bahnhof, 2001

Einfluss von Sedimentation und Dichteunterschieden Reine Advektion Sedimentation Dichte-beeinflussung

Dichteeffekt ep0 = Dr g H1 q0 Ek0 = 0.5 r0 q0 U0 ep0 = 0,43 W/m X0 x ep0 = Dr g H1 q0 Ek0 = 0.5 r0 q0 U0 ep0 = 0,43 W/m Ek0 = 0,23 W/m

Verweilzeitverteilung  Kurzschluss

Minimierung des Energieinputs LEin Qzu U0 Uzu H0

Flockenfilter   Ablaufkonzentration Hoher Schlammspiegel wirkt als Flockenfilter © Holthausen

Dynamische Belastung (Armbruster et al., 2000)

Rundbecken mit Schild- oder Saugräumer

Längs durchströmtes Rechteckbecken mit Ketten-, Schild- oder Saugräumer

Quer durchströmtes Rechteckbecken mit Saugräumer

Vertikal durchströmtes Becken