3 Abwasserreinigung 3.1 Rahmenbedingungen der Abwasserreinigung

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1 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

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

4 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

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

6 Belastungsschwankungen im Zulauf zur KA

7 Ausstoß von NH4+ und TSS aus der Kanalisation

8 KA-Belastung mit NH4+ durch Regenereignis
Zeit Abfluss

9 3 Abwasserreinigung 3.1 Rahmenbedingungen der Abwasserreinigung
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10 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

11 Beispiel: Kläranlage Chemnitz-Heinersdorf

12 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

13 3 Abwasserreinigung 3.1 Rahmenbedingungen der Abwasserreinigung
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14 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%

15 Harken-Umlaufrechen

16 Siebschnecke Hans Huber AG, Typ Ro9

17 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

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

19 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 !

20 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)

21 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 !

22 Belüfteter Sandfang

23 Wirkungsgrad im Vorklärbecken

24 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

25 Bsp. eines rechteckigen Absetzbeckens

26 3 Abwasserreinigung 3.1 Rahmenbedingungen der Abwasserreinigung
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27 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

28 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 NH O2  NO3- + H2O + 2 H+ Denitrifikation 5 CH2O + 4 NO H+  2 N2 + 5 CO2 + 7 H2O

29 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

30 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

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

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

33 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

34 Dynamische Schlammverlagerung

35 Belüftung im Belebungsbecken

36 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)

37 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)

38 Nährstoffbedarf von Mikroorganismen
Stickstoff iN = – (g N / g BSB5) Phosphor iP = – (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 !

39 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

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

41 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

42 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 -

43 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

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

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

46 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)

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

48 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

49 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

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

51 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)

52 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)

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

54 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

55 Absetzversuch X0 X0 hS >X0 hS hS t

56 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)

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

58 Geschwindigkeitsfeld
Anderson (1945)

59 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

60 Einfluss von Sedimentation und Dichteunterschieden
Reine Advektion Sedimentation Dichte-beeinflussung

61 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

62 Verweilzeitverteilung  Kurzschluss

63 Minimierung des Energieinputs
LEin Qzu U0 Uzu H0

64 Flockenfilter   Ablaufkonzentration
Hoher Schlammspiegel wirkt als Flockenfilter © Holthausen

65 Dynamische Belastung (Armbruster et al., 2000)

66 Rundbecken mit Schild- oder Saugräumer

67 Längs durchströmtes Rechteckbecken
mit Ketten-, Schild- oder Saugräumer

68 Quer durchströmtes Rechteckbecken
mit Saugräumer

69 Vertikal durchströmtes Becken