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Zweckverband Klärwerk Steinhäule
Abschlussberichtzum Verbundprojekt
Entwicklung einer adsorptiven Stufe zur Elimination organischer Spurenstoffe auf kommunalen Kläranlagen
Teilprojekt 1A:
Datenerhebung zur Entwicklung von Planungskonzepten und Betrieb einer halbtechnischen Versuchsanlage auf der Kläranlage
Steinhäule
Aufstockungsantrag zu Teilprojekt 1A:
Entwicklung von Planungskonzepten zum Aktivkohleeinsatz auf Abwasserreinigungsanlagen zur Elimination von Spurenschadstoffen unter Berücksichtigung des
Qualitätsmanagements
Sachbearbeiter:
Dipl.-Ing. Georg Hiller
Dipl.-Ing. Bodo Lamberth
Das diesem Bericht zugrunde liegende Vorhaben wurde mit Mitteln des Bundesministeriums für Bildung und Forschung unter dem Förderkennzeichen 02WA1020 gefördert. Die Verantwortung für den Inhalt dieser Veröffentlichung liegt beim Autor.
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Inhaltsverzeichnis
1. Einleitung 3
2. Aufgabenstellung 4
3. Planung und Ablauf des Vorhabens 4
4. Stand der Technik zu Beginn des Vorhabens 5
5. Zusammenarbeit mit anderen Stellen 5
6. Betrieb der Versuchsanlage 5
6.1. Funktionsbeschreibung der Versuchsanlage 6
7. Meßtechnik auf der Versuchsanlage 17
8. Simulation der Adsorptionsstufe 19
8.1. Randbedingungen und Zielstellung 19
8.2. Beschreibung des Simulationsmodells Klärwerk Steinhäule und der 20
Versuchsanlage
8.2.1. Aufbau des Simulationsmodells 20
8.3. Prozessabläufe im Simulationsmodell 22
8.4. Darstellung der Ergebnisse der Kläranlagensimulation 29
8.4.1. Datenauswahl 29
8.5. Simulation der Kläranlage Steinhäule 30
8.6. Simulation der Versuchsanlage 32
8.7. Simulation der Kläranlage Steinhäule und der Versuchsanlage 36
8.8. Erweiterung der KA Steinhäule mit einer nachgeschalteten 38
Adsorptionsstufe und Sandfilteranlage
9. Wechselwirkungen der Pulveraktivkohle mit bestehenden Anlagen 39
und Bauwerken
10. Großtechnische Umsetzung unter Berücksichtigung eines
Qualitätsmanagements 40
10.1. Organisationssicherheit für die Kläranlage 40
10.2. Vorgehensweise zur großtechnischen Umsetzung 45
10.3. Kalkulation der großtechnischen Umsetzung 46
11. Zusammenfassung 49
12. Veröffentlichungen 50
13. Literaturangaben 51
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1. Einleitung
Die Belastung zahlreicher Oberflächengewässer, die der Trinkwassergewinnung
dienen, resultiert aus der Tatsache, dass Schadstoffe durch punktuelle und diffuse
Quellen in Gewässer eingetragen werden. Seit Ende der 70er Jahre wurden verstärkt
Anstrengungen zur Verbesserung der Beschaffenheit der Fließgewässer
unternommen. Durch weitergehende Abwasserreinigungsmaßnahmen konnten
Schadstoffeinträge, bedingt durch kommunale und industrielle Abwassereinleitungen,
zwischenzeitlich deutlich verringert werden. In Deutschland werden über 90% des
kommunalen Abwassers durch Kläranlagen gereinigt. Dabei werden hauptsächlich
die Frachten der Stoffe Kohlenstoff, Stickstoff und Phosphor deutlich verringert. Für
diese Stoffe gibt es, abhängig von der Größenordnung (Einwohnergleichwerte im
Zufluß) der Kläranlage auch Grenzwerte für die Einleitung des Kläranlagenablaufs
ins Gewässer.
Seit einigen Jahren gibt es Messungen, daß zunehmende Konzentrationen von
Arzneimitteln, Hormonen, Drogen und anderen Komplexbildnern in
Oberflächengewässern nachgewiesen werden. Diese kommen nahezu
ausschließlich aus dem häuslichen Abwasser. Eine zukünftige Aufgabe der
Abwasserreinigung muß darin bestehen, diese Stoffe vor dem Zufluß in
Oberflächengewässer und Grundwasser zurückzuhalten. Ansonsten besteht die
Gefahr der Trinkwasserverunreinigung und negativen Beeinflussung der
menschlichen Nutzung. Auch liegen diese Stoffe in der Kläranlage in ihrer maximalen
Konzentration vor, so daß eine Elimination an dieser Stelle die wirtschaftlich
günstigste Variante darstellt. Nach der Durchmischung und Verdünnung in
Oberflächengewässer und Grundwasser ist zur Elimination ein vielfach höherer
Aufwand zu betreiben. Solche polaren und biologisch schlecht abbaubaren
Verbindungen werden bislang bei der Abwasserreinigung nur unzureichend
zurückgehalten. Deshalb ist eine zusätzliche Reinigungsstufe auf Kläranlagen
notwendig um diese Stoffe zu eliminieren.
Der Einsatz von Aktivkohle zur Elimination bestimmter Stoffe ist auf Kläranlagen kein
unbekanntes Verfahren. Zur Elimination von den oben beschriebenen organischen
Spurenstoffen wurde sie bisher noch nicht eingesetzt. Vorversuche auf der
Kläranlage Steinhäule in Neu-Ulm hatten erfolgversprechende Ergebnisse.
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2. Aufgabenstellung
Das Ziel des Forschungsvorhabens war es, die Grundlagen zu schaffen, für eine
großtechnische Umsetzung der Erweiterung der Kläranlage Steinhäule um eine
adsorptive Stufe zur Elimination organischer Spurenstoffe.
Die im Rahmen des Vorhabens geplanten Untersuchungen an der halbtechnischen
Versuchsanlage auf dem Klärwerk Ulm Steinhäule dienten der Erfassung und
Bewertung von Einsatzmengen von Pulveraktivkohle im Hinblick auf die technische
Machbarkeit der erreichbaren Eliminationsleistung unterschiedlich adsorbierbarer
Verbindungen. Dazu wurden verschiedene Aktivkohlen mit unterschiedlicher
Vorbelastung eingesetzt. Ein wesentlicher Gedanke war, die Verfahrens-
bedingungen für die Weiterverwertung von bereits teilbeladenen PAK in kommunalen
Kläranlagen soweit festzulegen, dass eine großtechnische Umsetzung direkt erfolgen
kann. Dies hätte auf die Ökobilanz des Einsatzes solcher Kohlen eine
außerordentlich positive Auswirkung.
Die Versuchsanlage sollte von den Mitarbeitern des ZVK Steinhäule während der
gesamten Projektlaufzeit betreut werden. Damit sollte auch an Wochenenden, in
Ferien und Pausen der Experimente sichergestellt werden, dass diese Anlage
weiterläuft und die aufgebauten Biozönosen nicht wieder zusammenbrechen.
Dazugehörig war auch Betreuung und Steuerung der Mess-und Regeltechnik.
Die Weiterentwicklung des von dem Partner Steinle Verfahrenstechnik begonnenen
Simulationsmodells war wesentlicher Bestandteil des Aufstockungsantrages.
Die großtechnische Umsetzung der Adsorptionsstufe soll in allen Stufen der Planung,
Ausschreibung, Vergabe, Bauphase und Inbetriebnahme von Elementen des
Qualitätsmanagements begleitet werden, so daß auch hier eine durchgehende
Transparenz, Nachvollziehbarkeit der Prozesse und Qualitätssicherung gewährleistet
wird.
3. Planung und Ablauf des VorhabensDie im ursprünglichen Antrag vorgesehenen Aufgaben des ZVK Steinhäule konnten
in Bezug auf die Verbindungen zu den Partnern TWZ Karlsruhe und Hochschule
Biberach planmäßig umgesetzt werden.
Durch den Wegfall des Projektpartners Steinle Verfahrenstechnik (Insolvenz)
während der Projektlaufzeit konnten die Projektziele in Bezug auf die Erstellung von
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Planungstools für die großtechnische Umsetzung der Adsorptionsstufe nur bedingt
erreicht werden. Die Fertigstellung des Simulationsmodells wurde durch eine
Aufstockung des ZVK-Anteiles und eine Projektlaufzeitverlängerung sichergestellt.
4. Stand der Technik zu Beginn des VorhabensZu Beginn des Vorhabens gab es lediglich Vorversuche auf der Kläranlage
Steinhäule. Was die großtechnische Umsetzung einer Aktivkohle-Adsorptionsstufe
angeht, gab es keine Erfahrungen.
5. Zusammenarbeit mit anderen StellenDie Zusammenarbeit mit den Projektpartnern und der Projektförderstelle verliefen
problemlos und mit gegenseitiger Hilfestellung. Auch die Zusammenarbeit mit dritten
Stellen, z.B. Wasserwerken oder Berufsverbänden (dwa), verlief in absolut positivem
Rahmen, da die Problematik allseits auf großes Interesse hervorgerufen hat.
6. Betrieb der VersuchsanlageDas Kläranlagenpersonal unterstützte immer beim Auf- und Umbau der
Versuchsanlage. In Abbildung 1 ist der Aufbau der Versuchsanlage dargestellt.
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Abb. 1: Aufbau der Versuchsanlage
Die Versuchsanlage wurde während der gesamten Projektlaufzeit von den
zuständigen Mitarbeitern der Kläranlage Steinhäule betreut. Dies betraf auch Sonn-
und Feiertage, sowie Ferienzeiten. Damit war sichergestellt, dass die Anlage ständig
für neue Versuchsreihen zur Verfügung stand und während der Versuche Störungen
sofort beseitigt werden konnten.
Die gesamte Mess-, Regelungs- und Steuerungstechnik für die Versuchsanlage
wurde vom ZVK erstellt und betreut.
Um den Umgang mit der Versuchsanlage für alle Mitarbeiter verständlich zu machen,
wurde eine Funktionsbeschreibung erstellt.
6.1. Funktionsbeschreibung
Die Funktionsbeschreibung beinhaltet die komplexe logische Verarbeitung der
aktuellen Prozessabläufe zum Betrieb der Aktivkohledosierung mit Sandfilteranlage.
Um ein hohes Maß an Flexibilität zu erreichen, sind alle Teilbereiche sowohl
automatisiert vom Prozessleitsystem, als auch manuell, steuerbar.
Die Software für die automatische Steuerung wurde für mehrere Verfahrensabläufe
regelmäßig neu angepasst.
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Auslaufwasserbereitstellung für die Versuchsanlage:
Mit der im Auslauf des ZV Klärwerk Steinhäule befindlichen Rückführpumpe
- 95 HWP00 AP001 "Anlagenablauf Rückführpumpe"
wird das Auslaufwasser abgegriffen und zum Vorlagebehälter der Versuchsanlage
gepumpt.
Dieser dient als Puffer und wird mit 2 binären Niveausonden überwacht.
Die Max-Messung Vorlagebehälter:
- 91 HTV01 CL301 "L Vorlagebehälter Versuchsanlage"
schaltet die im Auslauf befindliche Rückführpumpe ab (Schutz-Aus). Die Min-
Messung Vorlagebehälter:
- 91 HTV01 CL302 "L2 Vorlagebehälter Versuchsanlage"
schaltet Zufuhrpumpen und Dosierpumpen der Versuchsanlage ab (Schutz-Aus).
Schutzabschaltungen der Versuchsanlage:
Neben der Min-Messung des Vorlagebehälters haben zusätzlich noch weitere
Signale ein Schutz-Aus der Versuchsanlage zur Folge.
- 91 HTV20 CL302"Oberlauf Sedibecken 2 Versuchsanlage"
- 91 HTV10 CL301 "Oberlauf Kontaktreaktor Versuchsanlage"
- 91 HTV10 CL302"Oberlauf Sedibecken 1 Versuchsanlage"
- 91 HTV10 CL303 "Überlauf Verteilbauwerk Versuchsanlage"
- 91 HTV10 CL304"Oberlauf Sedibecken 2 Versuchsanlage"
Aktivkohledosierung
Zulaufregelung Auslaufwasser zum Kontaktreaktor:
Aus dem Vorlagebehälter wird der Kontaktreaktor mit ZVK-Auslaufwasser versorgt.
Die Fördermenge wird durch einen magnetisch Induktiven Durchflussmesser (MID)
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visualisiert und wird für die Zulaufmengenregelung logisch verarbeitet. - 91 HTV01
CF001 "Zulauf Versuchsanlage"
Die Fördermenge wird über 2 frequenzgesteuerte Pumpen bestimmt:
- 91 HTV01 AP001 "Zulaufpumpe 1 Kontaktreaktor Versuchsanlage' und
- 91 HTV01 AP002 "Zulaufpumpe 2 Kontaktreaktor Versuchsanlage"
Es gibt 3 verschiedene Möglichkeiten die Pumpen anzusteuern und die Fördermenge
zum Kontaktreaktor einzustellen.
1 .Jede der 2 Zulaufpumpen kann über eine frei wählbare Frequenz zwischen 10 und
50 Hz über die Sollwertsteller
- 91 HTV01 DF001 "Sollwert Zulaufpumpe 1 Versuchsanlage' und
- 91 HTV01 DF002 "Sollwert Zulaufpurnpe 2 Versuchsanlage
eingestellt werden, dabei ist die Durchflussmenge reine Anzeige und dient als
Kontrolle,
2. Über einen Teilsteuerungsbutton (TS) wird ein Sollwert zur Fördermengenvorgabe
zwischen 0 und 4000 l/h freigegeben. Der zusätzlich aktivierte Führungsregler
- 91 HTV01 DF100"Führungsregler Zulauf Versuchsanlage"
vergleicht die tatsächliche Fördermenge des MID mit dem Sollwert und regelt
übergeordnet die Frequenzsollwerte der Zufuhrpumpe 1 und 2.
3. Bei ausgeschaltetem TS und aktiven Führungsregler wird die Fördermenge
synchron im Maßstab 1:2400 zur ZVK-Auslaufmenge geregelt. Hierbei ist der
Führungsregler erneut über die Frequenzsollwerte der Zuführpumpen geschaltet.
Rücklaufkohle aus Sedimentationsbecken zum Kontaktreaktor
Für die Rückführung der abgesetzten Aktivkohle zum Kontaktreaktor werden 3
Pumpen betrieben.
Alle 3 Pumpen werden von Hand über das System gestartet. Pro Pumpe zeigt ein
MID die geförderte Rücklaufmenge an. Jede Pumpen kann sowohl örtlich, als auch
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mit einem Sollwertsteller vom Prozessleitsystem, mit einer variablen Frequenz
betrieben werden.
Sedimentationsbecken 1 -
- 91 HTV30 EE008",Steckdose 8" Pumpe 1 via schaltbarer Steckdose (230V)
- 91 HTV10 CF001 "F Rücklaufkohle 1 Versuchsanlage'
- 91 HTV10 DF001 "Sollwert Pumpe 1 Rücklaufkohle Versuchsanlage"
Sedimentationsbecken 2:
- 91 HTV30 EE007 "Steckdose 7" Pumpe 2 via schaltbarer Steckdose (230V)
- 91 HTV10 CF002 "F Rücklaufkohle 2 Versuchsanlage"
- 91 HTV10 DF002 "Sollwert Pumpe 2 Rücklaufkohle Versuchsanlage"
Sedimentationsbecken 3:
- 91 HTV10 AP003 "Pumpe 3 Rücklaufkohle Versuchsanlage"
- 91 HTV20 CF001 "F Rücklaufkohle 3 Versuchsanlage"
- 91 HTV10 DF003 "Sollwert Pumpe 3 Rücklaufkohle Versuchsanlage"
Aktivkohlesuspension
Für die Dosierung der Aktivkohle gibt es 3 Varianten:
1. Variante - vollautomatisiert
Als Führungsgröße dient der "gesamter Organischer Kohlenstoff Gehalt" (TOC) nach
Ablauf Sandfilter
91 HTV20 CQ001 "TOC LAR Abl. Sandfilter“
Der TS-Button
91 HTV10 EE004 "Pumpe Aktivkohle Zyklus Start"
muss deaktiviert sein und der Regler für die vollautomatische Dosierung
91 HTV10 DQ001 "TOC Regelung nach Sandfilter“
muss aktiviert werden.
Ober den Sollwertsteller
91 HTV10 DQ001 "TOC Regelung nach Sandfilter“
wird der zu haltende TOC Wert eingestellt.
Aus der Differenz zwischen Sollwert TOC und Istwert TOC wird, über einen
kontinuierlichen Regler die Dosiermenge an Aktivkohle bestimmt.
Die Dosiermenge wird zusätzlich über den spektralen Adsorptionskoeffizient (SAK)
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91 HTV20 CQ004 "SAK Kontaktreaktor Versuchsanlage"
des Kontaktreaktors und über die Zulaufmenge an ZVK-Auslaufwasser
91 HTV01 CF001 "Zulauf Versuchsanlage"
in Form eines modifizierten Faktors beeinflusst. Eine weitere Funktion dieses Faktors
ist das Verhindern einer Überdosierung an Aktivkohle und die Alarmierung bei einer
Unterdosierung.
Die Dosierpumpe
91 HTV10 AP004 "Pumpe Aktivkohledosierung Versuchsanlage"
fördert mindestens 15 mg / sec und hat eine Mindestlaufzeit von 10 sec. Aufgrund
dieser Störgröße wird eine exakte Dosierung der Aktivkohle über eine
lntegralberechnung in mindestens 150 mg Stufen erreicht.
2. Variante
Über den TS-Button
91 HTV10 EE004 "Pumpe Aktivkohle Zyklus Start“
wird eine zyklische Zuschaltung der Aktivkohledosierpumpe
91 HTV10 AP004 " Pumpe Aktivkohledosierung Versuchsanlage"
aktiviert. Bei dieser Variante wird nach fester Zeitvorgabe Aktivkohle dosiert (10 sec.
EIN/ 40 sec AUS).
3. Variante
Variante 1 und 2 sind deaktiviert. Über 2 zusätzliche Schlauchpumpen wird eine
kontinuierliche Menge an Wasser und Aktivkohle dosiert. Diese Variante wird über
die Funktion
91 HTV30 EE002"Aktivkohledosierung Versuchsanlage" gestartet.
Fällmitteldosierung zum Kontaktreaktor
Zum Kontaktreaktor wird ein Fällmittel (Aluminiumsulfat) dosiert. Die Dosiermenge
wird entweder über eine Frequenz durch den Sollwertsteller B,
91 HTV10 DF005 "Fällmitteldosierung Aluminium Versuchsanlage"
zwischen 10 und 50 Hz vorgegeben, oder über ein Mischungsverhältnis zur dosierten
Aktivkohle bestimmt. Das Mischungsverhältnis erfolgt über den Sollwertsteller A
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91 HTV10 DF005 "Fällmitteldosierung Aluminium Versuchsanlage"
Die Fällmitteldosierpumpe kann flexibel positioniert werden und wird mit der Funktion
91 HTV30 EE001 "Steckdose 1 Versuchsanlage"
aktiviert. Dadurch ist es möglich die Dosierstelle zwischen den 3 Kaskaden des
Kontaktreaktors frei zu wählen.
Überschusskohle Abzug aus Kontaktreaktor
Der Abzug der verbrauchten Aktivkohle wird über den TS-Button
91 HTV10 EE007" Pumpe Überschusskohle Zyklus Start" aktiviert. Die zyklische
Zuschaltung der Abzugspurnpe 91 HTV10 AP007 " Pumpe Überschusskohle
Versuchsanlage" erfolgt nach fester Zeitvorgabe (15 sec. EIN/ 285 sec AUS).
Flockungshilfsmitteldosierung zum Verteilbauwerk
Das Kontaktreaktorablaufwasser wird über das Verteilbauwerk auf die 3
Sedimentationsbecken verteilt. Um das Absetzen der Aktivkohle zu unterstützen wird
eine Flockungshilfsmittellösung zudosiert. Über den TS-Button
91 HTV30 EE003 "Steckdose 3 Versuchsanlage"
wird die Dosierpumpe gestartet.
Die Dosiermenge wird mit dem Sollwertsteller
91 HTV10 DF006 "Sollwert Pumpe Flockungshilfsmittel Versuchsanlage"
in einer Frequenz zwischen 10 und 50 Hz vorgegeben werden.
Der Ablauf der Sedimentationsbecken wird im Vorlagebehälter für die
Sandfilteranlage zur weiteren Reinigung aufgefangen.
Sandfilteranlage
Die Sandfilteranlage wird mit einer Untergruppenschrittkette
91 SFI01 EC001 "UGS Sandfilter“
in Betrieb genommen, um eine zyklische Abfolge von Teilfunktionen zu steuern.
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Bei einer Störung werden, über die Schrittfolge "Stillstand", alle Pumpen
ausgeschaltet und alle Kugelhähne und Ventile geschlossen. Der Stillstand erfolgt,
wenn eine der folgenden Signale ausgelöst wird:
91 SFI01 EY001 "Schutz Sandfilter“- Spülwasservorlagebehälter Niveau min
91 SFI01 CP506 "Manometer Rohwasserpumpe'- Druck max
91 SFI01 CP507 "Druck Spülluftgebläse" - Druck rnax
Schrittfolge "Betrieb":
1. Schritt - Aktivierungsschritt
Öffnen des Kugelhahns aus dem Vorlagebehälter Ablauf Versuchsanlage
91 SFI01 AA001 "Kugelhahn Hauptleitung Rohwasser Sandfilter“
2. Schritt - Grundstellung und Start der Wasserförderung
Kugelhahn Rohwasser vor Sandfilter Oben
91 SFI01 AA002"Kugelhahn Rohwasser Sandfilter“
wird geöffnet.
Start der Rohwasserförderung in den Sandfilter:
91 SFI01 AP001 "Rohwasserpumpe Sandfilter“
Bei aktivierten TS-Button
91 SFI01 DF001 "Regelung Zulauf Sandfilter“
wird die Fördermenge geregelt und ist abhängig von der Zulaufmenge zum
Kontaktreaktor. Für den Schritt 2 wird eine Regelstartfrequenz von 28 Hz
vorgegeben und die Regelung aktiviert.
Bei deaktiviertem TS-Button wird über den Sollwertsteller
91 SFI01 DF001 "Regelung Zulauf Sandfilter“
eine Durchflussmenge zwischen 0 und 4000 l/h vorgegeben.
Start der Fällmitteldosierung in die Rohwasserleitung nach Kugelhahn
Hauptleitung 91 SFI01 AP002 "Fällmitteldosierpumpe Sandfilter“
gleichzeitig wird noch eine Schaltbare Steckdose aktiviert
91 HTV30 EE004 "Steckdose 4 Versuchsanlage"
die zum flexiblen Einsatz der Fällmitteldosierpumpe dient. Die Dosiermenge wird
bei aktiviertem TS-Button
91 SFI01 DF003 "Fällmittelpumpenregelung Sandfilter“
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automatisch berechnet und ist in Abhängigkeit von der Durchflussmenge des
Rohwassers zum Sandfilter
91 SFI01 CF001 "Durchfluss Rohwasser“
Bei deaktiviertem TS-Button wird eine Frequenz zwischen 10 und 50 Hz über
einen Sollwertsteller
91 SFI01 DF003 "Fällmittelpumpenregelung Sandfilter“
vorgegeben.
Die Spülanforderung
91 SFI01 EE001 "Ansteuerung Sandfilter“
wird zurückgesetzt. Dies erfolgt auch wenn noch kein Spülzyklus durchlaufen ist.
Weiterschaltbedingung im Schritt 2:
91 SFI01 CL001 "Level Mehrschichtfilter“> 175 mbar (Niveau via Druckmessung) -
Füllniveau erreicht
3. Schritt - Filterung
Es wird geprüft ob die Rohwasserregelung aktiv ist und evtl. nachgestartet.
Start Niveauregelung im Sandfilter. Über Regelkugelhahn
91 SFI01 DL005 "LevelReg Regelkugelhahn Klarwasser Sandfilter“
wird kontinuierlich das filtrierte Klarwasser abgelassen.
Der Sollwert wird hierbei mit der Niveaumessung
91 SFI01 CL001 "Level Mehrschichtfilter“
verglichen um ein gleichbleibendes Niveau im Sandfilter zu halten.
Weiterschaltbedingung im Schritt 3:
Spülanforderung wird gesetzt. Dies erfolgt, wenn eine der folgenden Bedingungen
erfüllt sind:
Bei aktiven TS-Button
91 SFI01 EE001 "Ansteuerung Sandfilter“
wird täglich um 9 Uhr ein Spülvorgang eingeleitet.
Wenn der Regelkugelhahn für die Sandfilterniveauregelung vollständig geöffnet ist
und das Niveau (via Druckmessung) im Sandfilter über 195 mbar ist
Oder wenn der Druck im Sandfilter
91 SFI01 CP002 "Druck 1 Mehrschichtfilter“< 220 mbar ist
und gleichzeitig der Durchfluss an Rohwasser über 4000 l/h beträgt
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Das Klarwasser wird teilweise in einem separaten Vorlagebehälter aufgefangen und
wird beim Spülen des Sandfilters verwendet.
4. Schritt - Stop der Wasserförderung
Rohwasserpumpe sowie zugehörige Steckdose 4 wird ausgeschaltet
Durchflussmengenregelung Rohwasser wird deaktiviert.
Fällmitteldosierpumpe wird ausgeschaltet.
Kugelhahn Hauptleitung wird geschlossen
Kugelhahn Rohwasser vor Sandfilter Oben wird geschlossen
5. Schritt - Stop Klarwasserentnahme
Niveauregelung Sandfilter wird deaktiviert
Regelkugelhahn Klarwasser wird geschlossen
6. Schritt - Ventilstellung Spülvorgang von Oben
Der Ablaufkugelhahn
91 SFI01 AA003 "Kugelhahn Rückspülwasser Sandfilter“
wird geöffnet und dient während des gesamten Spülvorgangs als Ablaufstelle.
91 SFI01 AA00 7"Kugelhahn Spülwasser Saugfilter Sandfilter"
wird geöffnet. Der Kugelhahn Spülwasser stellt das Klarwasser aus dem
Spülvorlagebehälter bereit.
7. Schritt - Aktivierung der Rohwasserpumpe zum Spülen
Der Kugelhahn vor Sandfilter Oben wird geöffnet
Die Rohwasserpumpe wird eingeschaltet
Die Pumpe wird mit einer Festfrequenz von 40 Hz betrieben und die
Durchflussmengenregelung Rohwasser bleibt deaktiviert
8. Schritt - Spülzeit von oben
Die Spülzeit beträgt 3 sec
9. Schritt
Der Kugelhahn vor Sandfilter Oben wird geschlossen
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10. Schritt - Ventilstellung Spülvorgang von Unten
Der Kugelhahn vor Sandfilter Unten
91 SFI01 AA004 "Kugelhahn Hauptleitung Rohwasser Sandfilter“
wird geöffnet.
Die Rohwasserpumpe ist immer noch eingeschaltet und wird nun mit einer
Festfrequenz von 44 Hz betrieben und die Durchflussmengenregelung
Rohwasser bleibt deaktiviert.
11. Schritt - Spülzeit von Unten
Die Spülzeit beträgt 7 Min und 30 sec
12. Schritt
Der Kugelhahn vor Sandfilter Unten wird geschlossen
13. Schritt - Niveauabsenkung Sandfilter
Die Rohwasserpumpe wird ausgeschaltet
Das Absenkmagnetventil
91 SFI01 AA009 "Magnetventil Filterabsenkung Sandfilter“ wird geöffnet
Weiterschaltbedingung in Schritt 13:
Das Niveau (via Druckmessung) im Sandfilter muss < 40 mbar sein
14. Schritt - Luftspülung
Das Absenkmagnetventil wird geschlossen Das Spülluftmagnetventil
91 SFI01 AA008 "Magnetventil Spülluft Sandfilter“
wird geöffnet
Das Spülluftgebläse
91 SFI01 AN001 "Spülluftgebläse Sandfilter“
wird gestartet
Die Luftmenge wird mit einer Festfrequenz über einen Sollwertsteller
91 SFI01 DF002" Sollwert Spülluftgebläse"
mit 48 Hz betrieben.
15. Schritt - Spülzeit Luft
Die Spülzeit beträgt 2 Min
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16. Schritt - gleichzeitige Luft- und Wasserspülung
Der Kugelhahn vor Sandfilter Unten wird geöffnet
Die Rohwasserpumpe wird eingeschaltet und wird mit einer Festfrequenz von 13
Hz betrieben und die Durchflussmengenregelung Rohwasser bleibt deaktiviert
Das Spülluftgebläse ist immer noch ein und die Luftmenge wird nun mit einer
Festfrequenz von 56,6 Hz betrieben.
17. Schritt - Spülzeit Luft/Wasser von Unten
Die Spülzeit beträgt 140 sec
18. Schritt - Luftspülung beenden
Die Wasserspülung läuft noch.
Das Spülluftgebläse wird ausgeschaltet
Das Spülluftmagnetventil wird geschlossen
Die Rohwasserpumpe ist immer noch eingeschaltet und wird nun mit einer
Festfrequenz von 46 Hz betrieben und die Durchflussmengenregelung
Rohwasser bleibt deaktiviert
19. Schritt - Spülzeit von Unten
Die Spülzeit beträgt 260 sec
20. Schritt - Wasserspülung beenden
Der Kugelhahn vor Sandfilter Unten wird geschlossen
21.Schritt
Die Rohwasserpumpe wird ausgeschaltet
Der Kugelhahn Spülwasser wird geschlossen
22. Schritt - Wartezeit
Die Wartezeit beträgt 8 sec
23. Schritt
Der Ablaufkugelhahn wird geschlossen
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24. Schritt - Niveauabsenkung Sandfilter
Das Absenkmagnetventil wird geöffnet
Weiterschaftbedingung in Schritt 24:
Das Niveau (via Druckmessung) im Sandfilter muss < 145 mbar sein
25. Schritt - Ende Schrittkettenzyklus "Betrieb"
Das Absenkmagnetventil wird geschlossen
Die Schrittkette springt zurück in Schritt 1 und beginnt erneut mit dem zyklischen
Ablauf.
Schrittfolge „Stillstand"
50. Schritt - Alle Aggregate AUS/ZU
Rohwasserpumpe sowie zugehörige Steckdose 4 wird ausgeschaltet
Durchflussmengenregelung Rohwasser wird deaktiviert
Fällmitteldosierpumpe wird ausgeschaltet
Kugelhahn Hauptleitung wird geschlossen
Kugelhahn Rohwasser vor Sandfilter Oben wird geschlossen
Kugelhahn vor Sandfilter Unten wird geschlossen
Regelkugelhahn Klarwasser wird geschlossen
Ablaufkugelhahn wird geschlossen
Der Kugelhahn Spülwasser wird geschlossen
Das Absenkmagnetventil wird geschlossen
Das Spülluftmagnetventil wird geschlossen
51. Schritt - Ende Schrittkettenzyklus "Stillstand"
Dieser Schritt bleibt stehen bis über das Prozessleitsystem der Sandfilter wieder
gestartet wird.
7. Meßtechnik auf der VersuchsanlageFür die Untersuchungen der Hochschule Biberach mit der auf der Kläranlage
Steinhäule installierten Versuchsanlage wurden vom Kläranlagenpersonal die
Umbauarbeiten für die jeweiligen Untersuchungsreihen durchgeführt. Dabei wurde
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auch jeweils die Meß- und Regeltechnik umgebaut und neu installiert. Abbildung 2
zeigt beispielhaft einen Versuchsaufbau.
Abbildung 2: Aufbau der Versuchsanlage mit mess- und regeltechnischem Schema
Um ein hohes Maß an Flexibilität zu erreichen, sind alle Teilbereiche sowohl
automatisiert vom Prozeßleitsystem, als auch manuell steuerbar.
Die Software für die automatische Steuerung wurde für mehrere Verfahrensabläufe
regelmäßig neu angepasst.
Während der Versuchsreihen wurde die Probenahme und ein Teil der Analytik
ebenfalls vom ZVK durchgeführt. Im November 2009 wurde ein umfangreiches
Meßprogramm zur Kalibrierung der Simulation von Frau Nusch (Steinle)
durchgeführt. Außer den vielen online-Werten der installierten Meßgeräte wurden:
im Zulauf : DOC
AK Dosierung
TOC
Fällmitteldosierung
Flockungshilfsmitteldosierung
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TS-Gehalt
und im Ablauf:
Überschusskohlemenge
TS
DOC
TOC
gemessen, bzw. analysiert.
Die an der Anlage installierten Online-Messgeräte für total organic carbon (TOC),
Pges., Trübung, pH-Wert, Leitfähigkeit, Temperatur und SAK wurden regelmäßig
gewartet und ihre Werte gespeichert.
8. Simulation der AdsorptionsstufeDie Entwicklung eines Simulationstools für eine Adsorptionsstufe wurde von Steinle
Verfahrenstechnik begonnen und vom ZVK in abgeänderter Form fertiggestellt.
8.1. Randbedingungen und Zielstellung
Das Ziel der Versuche und damit auch Randbedingung für die Simulation ist den
abgaberechtlichen CSB-Wert von 20 mg CSB/l ganzjährig sicher zu unterschreiten.
Die Versuchsanlage bestand aus einer Adsorptionsstufe (Kontaktreaktor und
Sedimentationsbecken) und einem Sandfilter (s. Abb. 1). Mit der Pulveraktivkohle
sollten die gelösten organischen Verbindungen (u.a. Spurenstoffe wie Arzneimittel,
Röntgenkontrastmittel, Hormone) dem Abwasser entnommen werden. Fällmittel und
Aktivkohle wurden im Kontaktreaktor dem Abwasserstrom zudosiert. Die Trennung
der Aktivkohle vom Wasser erfolgte im Sedimentationsbecken mit dem Einsatz von
Fällmitteln und Polymeren. Die Aktivkohle wurde zur Mehrfachbeladung im Kreislauf
gefahren. Im Sedimentationsbecken konnte die Aktivkohle nicht vollständig
zurückgehalten werden. Deshalb wurde der Adsorptionsstufe eine Sandfilteranlage
nachgeschaltet.
Die gelösten organischen Verbindungen können derzeit in der Kläranlage nur als
Summenparameter gemessen werden. Im Zulauf und Ablauf des Klärwerks sowie im
20
Ablauf der Versuchsanlage sind Online-Messgeräte zur Messung der organischen
Verbindungen stationiert. Die Messung der Einzelstoffe bzw. die Anfertigung einer
Spurenstoffanalyse ist derzeit sehr aufwendig und teuer. Während die
Mikroorganismen in der Biologie ca. 97 Prozent der organischen Verbindungen
biologisch abbauen können, bleiben im Ablauf der Kläranlage Steinhäule ca. 3
Prozent an organischen Verbindungen, die schwer biologisch abbaubar sind. Diese
Substanzen reichern sich in der Umwelt an und können auch in der
Trinkwasseraufbereitung teilweise nachgewiesen werden.
Ziel dieses Teiles des Forschungsvorhabens war die Erstellung eines
Kläranlagenmodells für das Klärwerk Steinhäule und für die Versuchsanlage im
Klärwerk Steinhäule mit der Software Matlab und Simba. Das Modell soll die
Kläranlage und die Versuchsanlage möglichst genau nachbilden. Die Simulation der
Kläranlage und der Versuchsanlage befasst sich mit der Reduzierung der
organischen Belastung (gemessen als CSB, TOC, SAK) von Zulauf Kläranlage bis
Ablauf Versuchsanlage. Es soll gezeigt werden, dass mit Hilfe der Software Matlab
und Simba die biologischen und chemischen Reinigungsleistungen für das Klärwerk
Steinhäule nachgebildet werden können. Des weiteren soll das
Versuchsanlagenmodell an das Kläranlagenmodell gekoppelt werden, sodass nicht
nur die chemischen und physikalischen Vorgänge des Spurenstoffabbaus in der
Versuchsanlage simuliert werden können, sondern auch die biologischen,
chemischen und physikalischen Abläufe der Reduzierung der organischen
Verbindungen vom Zulauf Kläranlage bis zum Ablauf der Aktivkohlefilteranlage. Das
Simulationsmodell der Kläranlage und der Versuchsanlage soll Ingenieurbüros oder
Kläranlagenbetreibern dazu dienen, eine nachgeschaltete Adsorptionsstufe ohne
halbtechnische Versuchsanlage für eine Kläranlage zu planen.
8.2 Beschreibung des Simulationsmodells Klärwerk Steinhäule und der Versuchsanlage
8.2.1 Aufbau des Simulationsmodells
Die Software “Matlab“ mit dem Tool “Simba“ ermöglicht die Modellierung der
Kläranlage Steinhäule und der Versuchsanlage. In der Abbildung 3 ist das Modell
Klärwerk Steinhäule und das Modell Versuchsanlage kombiniert dargestellt.
21
Das Simulationsmodell ‘ZVK‘ und ‘VA‘ ist aus verschiedenen Modellblöcken
aufgebaut. Der gelbe Block ‚Input-Datei‘ ermöglicht Datenreihen der Online-
Messungen zu simulieren. Die Daten sind als Vektor in die Datei einzugeben.
Weitere gelbe Blöcke im Modell geben ein konstantes Signal vor, das in der
Simulation berücksichtigt wird.
Die blauen Blöcke sind virtuelle Messstellen zur Überprüfung der Stoffströme
während der Simulation. Mit Hilfe des “Monitors“ können die Stoffströme an jeder
Stelle der angeordneten blauen Blöcke im Modell kontrolliert werden.
Die Dreieck-Blöcke im Modell multiplizieren das Signal mit einem Wert, da das
Ausgangssignal eventuell in einer anderen Dimension online gemessen wurde.
Weitere Modellblöcke sind „Mischer“ (Stoffstromzusammenführung), „Verteiler“
(Stoffstromteilung), „Pumpe“ (Abpumpen eines Abwasser- bzw.
Belebtschlammstroms), „Relay“ (regelt einen Wert bei Überschreiten eines Wertes x
auf den Wert y, in dem ein Stoffstrom z dem System entnommen wird), „O2-Regler“
(regelt den Sauerstoffgehalt in einem Reaktor auf einen Wert w).
Abbildung 3 Schema Modell Kläranlage Steinhäule (ZVK) und halbtechn. Versuchsanlage (VA)
Kläranlage Steinhäulehalbtechn. Versuchsanlage
22
Die Modellblöcke „Reaktor“ stellen einen volldurchmischten idealen Rührkessel dar.
Mehrere Eingangssignale wie Temperatur, Fällmitteleinsatz, Aktivkohleeinsatz und
Sauerstoffzufuhr können eingesetzt werden. Dem Block „Nitrifikation“ wird Sauerstoff
zugeführt; dem Block „Denitrifikation“ wird kein Sauerstoff zugeführt.
8.3Prozessabläufe im Simulationsmodell
Neben den Modellblöcken sind die Eingangsfraktionierung, die Reaktorkinetik und
die Prozessgeschwindigkeit die wichtigsten Stellorgane in der Simulation.
Abbildung 4 Eingangsfraktionierung
Der Block „Eingangsfraktionierung“ (Abbildung 4) teilt die Eingangssignale in
Untergruppen auf. Jeder Zulaufabwasserstrom einer Kläranlage setzt sich
unterschiedlich zusammen. Das Abwasser ist ein organisches Vielstoffgemisch. Je
nach Industrieabwasser, Gewerbeabwasser oder kommunales Abwasser sind im
Abwasser Stoffe enthalten, die in der Kläranlage besser oder auch schlechter
abgebaut werden können. Hierbei werden z.B. die organischen Verbindungen im
23
Abwasser (gemessen als CSB, TOC, DOC, SAK, etc.) im Zulauf der Kläranlage
aufgeteilt in schnell biologisch abbaubares gelöstes Substrat (SS), schnell biologisch
abbaubares partikuläres Substrat (XS), inertes gelöstes organisches Substrat (SI),
inertes partikuläres organisches Substrat (XI) und biologisch sehr langsam
abbaubares partikuläres organisches Substrat (XH). Diese Stoffgruppen können nicht
einzeln direkt gemessen werden. Erfahrungswerte für die
Abwasserzusammensetzung des Klärwerks Steinhäule sind bereits untersucht
worden.
Die biologische Abbaubarkeit der organischen Verbindungen eines
Abwassergemischs kann nach dem “Zahn-Wellens-Test“ (DIN 38412 L 25)
untersucht werden. Einer Prüfsubstanz wird belebter Schlamm und Nährstoffe
zugegeben, um die biologische Abbaubarkeit zu analysieren. Die Probe wird im Test
bei konstanter Temperatur belüftet. Kontinuierliche Messungen in der Probe zeigen
den Organikgehalt zum Zeitpunkt X. Je größer der Abbaugradient ist, desto besser
ist die biologische Abbaubarkeit von Stoffen im Abwassergemisch.
Die Fraktionierung der biologischen Abbaubarkeit der Inhaltsstoffe eines
Abwassergemisches kann aber auch über UV-Sondenversuche im Klärwerk
Steinhäule vollzogen werden. Zur Erfassung der Eingangsparameter wird eine
Sonde im Zulauf zur Biologie der Kläranlage stationiert. Die zweite Sonde wird
(Beispiel Kläranlage Steinhäule) im Bio-P Becken installiert, die dritte Sonde im
Ablauf der DN-Zone und die vierte Sonde im Ablauf der Kläranlage. Bereits im Bio-P-
Becken werden die leicht biologisch abbaubaren Stoffe (SS) von den
Mikroorganismen verarbeitet (Differenzwert von Sonde 1 und 2); der Differenzwert
der Messstellen Ablauf Kläranlage und Ablauf Denitrifikation (DN) repräsentiert die
langsam biologisch abbaubaren organischen Stoffe (XS) und der Messwert im Ablauf
der Kläranlage stellt die biologisch gelösten und partikulären inerten organischen
Stoffe (SI, XI) des Abwassergemischs dar.
Die DOC-Fraktionierung des UV-Sondentests wurde in der Modellsimulation “ZVK“
berücksichtigt.
24
Abbildung 5: Editor
Unter der „Reaktorkinetik“ sind die biologischen, chemischen und physikalischen
Umwandlungsprozesse zu verstehen, die in den Reaktorbecken des Klärwerks
ablaufen. Im ASM 3 Modell der Simulation “ZVK“ sind folgende Prozesse
berücksichtigt:
- Aerobes Wachstum der heterotrophen Biomasse (O2-Verbrauch,
Organikabbau)
- Anoxisches Wachstum der heterotrophen Biomasse (Denitrifikation)
- Wachstum der autotrophen Biomasse (O2-Verbrauch, NO3-Bildung bzw.
Nitrifikation)
- Zerfall heterotropher Biomasse (Unterhalt, Absterben, Lyse, Fraß durch
andere Mikroorganismen etc.); beschrieben als aerobe bzw. anaerobe
endogene Atmung
- Zerfall autotropher Biomasse (Unterhalt, Absterben, Lyse, Fraß durch andere
Mikroorganismen etc.); beschrieben als aerobe bzw. anaerobe endogene
Atmung
- Hydrolyse der langsam abbaubaren organischen Stoffe (Umwandlung der
inerten organischen Stoffe in biologisch abbaubare Stoffe)
- Prozess Biologische Phosphorelimination :
25
o Speicherung von leicht abbaubarem Substrat SS
o Aerobe Speicherung von Polyphosphat (XPP)
o Anoxische Speicherung von Polyphosphat (XPP)
o Aerobes Wachstum der Phosphor akkumulierenden Organismen (PAO)
o Anoxisches Wachstum der PAO
- Fällmitteldosierung (Elimination von CSB und PO4)
- Adsorption der gelösten organischen Verbindungen an Pulveraktivkohle (neu)
Jeder Prozess ist in der Stöchiometrietabelle (Abbildung 5, mittleres Fenster) im
“Editor“ abgebildet. Negative stöchiometrische Koeffizienten stehen für den Abbau
bzw. Verbrauch eines Stoffes und positive stöchiometrische Koeffizienten für die
Produktion eines Stoffes.
Die Prozesse unterliegen bestimmten Umwandlungsgeschwindigkeiten. Folglich
werden den ablaufenden Prozessen Prozessgeschwindigkeiten zugeteilt (Abbildung
5, rechtes Fenster). Die Kinetik der biologischen, chemischen und physikalischen
Stoffumwandlung kann linear und mit Hilfe von Monod-Termen beschrieben werden.
In der biologischen Kinetik erfolgt die Stoffumwandlung mit Katalysatoren, den
Enzymen. In der Enzymkinetik ist das Phänomen der Sättigung zu beobachten. Ist
die Substratkonzentration im Reaktor sehr hoch, kann die Umsatzgeschwindigkeit v
nicht weiter gesteigert werden; eine maximale Umsatzgeschwindigkeit vmax ist
erreicht. Grafisch lässt sich die Enzymkinetik der Sättigungsfunktion nach Michaelis-
Menten abbilden (Abbildung 6). Der Wert der maximalen Umsatzgeschwindigkeit
vmax wird als horizontale Asymptote dargestellt.
26
Abbildung 6: Sättigungsfunktion nach Michaelis-Menten
Die Funktion nach Michaelis-Menten lässt sich unter Verwendung der Parameter Km
und vmax wie folgt formulieren:
Eine kleine Michaelis-Menten-Konstante sagt aus, dass schon bei geringen
Substratkonzentrationen eine hohe Umsatzgeschwindigkeit erzielt werden kann; eine
große Michaelis-Menten-Konstante weist auf eine geringe Enzymaktivität hin. Die
Prozessgeschwindigkeiten vor allem der biologischen Prozesse im
Simulationsmodell unterliegen der Michaelis-Menten-Funktion (auch Monod-Term
genannt). Die Prozessgeschwindigkeiten sind von mehreren Parametern abhängig -
mehrere Monod-Terme werden multipliziert.
Der Block Fraktionierung DOC im Modell Versuchsanlage teilt die organischen
Verbindungen (gemessen als CSB) wieder in die bekannten Fraktionen (SS, XS, SI,
XI, XH) auf. In diesem Fall wird der Block Fraktionierung DOC nicht zur Einteilung
Parameter:
vmax max. Umsatzgeschwindigkeit[S] SubstratkonzentrationKm Michaelis-Menten Konstante bei
halber max. Umsatzgeschwindigkeit
27
der organischen Verbindungen zur biologischen Abbaubarkeit genutzt. Die
organischen Verbindungen werden in gut an die Aktivkohle adsorbierbare und
schwer bzw. nicht an die Aktivkohle adsorbierbare Stoffe eingeteilt. Dazu wird der
Parameter SI als gut adsorbierbar und die restlichen Fraktionen (SS, XS, XI, XH) als
schwer bzw. nicht adsorbierbar eingestuft.
In der chemischen Industrie wurde die Adsorptionsanalyse, die Einteilung der
gelösten, organischen Verbindungen in Adsorptionsstufen, bereits 1988 durch Völker
et al angewandt. Um das Abwassergemisch im Ablauf Nachklärbecken in Bezug auf
die Adsorbierbarkeit an die Aktivkohle charakterisieren zu können, sind
Batchversuche im Vorfeld durchzuführen. Den Abwasserproben werden
Aktivkohlemengen beigemischt und aus der DOC-Messung der Nullprobe und der
Aktivkohle-Probe kann die Beladung ‘q‘ der Aktivkohle mit folgender Formel
ermittelt werden:
Im Batchversuch stellt sich nach einer Kontaktzeit X ein Zustand ein, wobei die an
der Aktivkohle adsorbierten Moleküle und die Moleküle in der Lösung im
Gleichgewicht sind. Dieses Adsorptionsgleichgewicht kann im Allgemeinen durch
eine Isotherme beschrieben werden. Ein Isothermenpunkt kann mit Hilfe der o.g.
Formel bestimmt werden.
Die mathematische Beschreibung der Isothermen kann auch nach Freundlich
erfolgen:
Die Freundlichisotherme wird in einem doppellogarithmischen Maßstab abgebildet (Abbildung 7). Die Freundlich-Konstante ist der Wert der Beladung q bei c = 1 mg/l; der Freundlich Exponent n stellt die Steigung der Freundlichisotherme dar.
L Lösungsmittelmenge c0 Ausgangskonzentration der Nullprobec Konzentration im Adsorptionsgleichgewichtm Aktivkohlemenge
KF Freundlich-Konstante n Freundlich Exponenten (dq / dc)
28
Abbildung 7: Freundlich Isotherme a) lineare Auftragung b) doppeltlogarithmische AuftragungDie Regressionsgerade in b) ist mit n = 0,2 und Kf = 10² = 100 dargestellt.
Die Adsorption nach Freundlich beschreibt die Adsorptionseigenschaft eines
Adsorbens für einen Einzelstoff. Das Abwasser ist aber ein Vielstoffgemisch. Die
Einstufung einzelner Gruppen eines Vielstoffgemisches kann mit Hilfe einer Software
(z.B. Adsana) berechnet werden. Die Software führt eine Anpassungsrechnung
anhand der ermittelten Freundlichisotherme durch und erstellt durch Variation der
Konzentrationsverteilung eine fiktive Komponente, die die gemessene DOC-
Isotherme am besten beschreibt. Das Ergebnis ist die Einteilung eines
Summenparameters eines Vielstoffgemisches (z.B. CSB, DOC) in unterschiedliche
Fraktionen, die sehr gut, gut, mäßig und schwer bzw. nicht adsorbierbar sind.
Desweiteren ist die Adsorbierbarkeit gelöster organischer Verbindungen vom
Absorbens abhängig. Je größer die spezifische Oberfläche eines Adsorbens ist,
desto besser ist die Adsorptionsfähigkeit gelöster organischer Verbindungen. Als
Adsorbens wurden in Versuchen bereits verschiedene Stoffe wie Steinkohle,
Braunkohle, Kokosnussschalen eingesetzt. Die Adsorbentien unterschieden sich in
der Adsorbierbarkeit von organischen gelösten Verbindungen. In der Versuchsanlage
wurde als Aktivkohle eine Steinkohle der Firma Norit eingesetzt.
29
8.4 Darstellung der Ergebnisse der Kläranlagensimulation8.4.1 Datenauswahl
Das ASM 3 Modell war die Grundlage der Kläranlagensimulation. Als
Eingangsparameter wurden folgende Daten als Vektormatrix erstellt:
- CSB (Summenparameter für die organische Belastung)
- NH4 (Ammonium)
- PO4 (Orthophosphat)
- Abwassermenge Zulauf Kläranlage Steinhäule
- Rezirkulierte Abwassermenge in der Biologie
- Rücklaufschlammmenge
- Überschussschlammmenge
- Zentrat (Rückbelastung aus der Schlammbehandlung)
- Temperatur
- Schieberstellung, in welches Kaskadenbecken das rezirkulierte Abwasser
gefördert wird
- Alton (Fällmittel aus Aluminium)
- dosierte Aktivkohlemenge
- Rücklaufkohlemenge
- Abwassermenge Zulauf Versuchsanlage
Die Datenreihe (November bis Dezember 2006, 50 Tage) wurde gewählt. Die
Messreihen basieren auf ½-Stunden-Werten. Mit 50 Tagen hat die Datenreihen 2400
Messwerte. Die Daten mussten aufgrund von Messfehlern, Betriebsstörungen,
Wartungen der Messgeräte etc. aufbereitet werden.
Im Zulauf der Kläranlage messen zwei verschiedene Messgeräte die gelösten
organischen Verbindungen. Die gesamten organischen Verbindungen sind im Zulauf
nur sehr schwer messbar. Partikuläre Stoffe verstopften das Messgerät. Die
Messung der gelösten organischen Verbindungen mit einem TOC-Messgerät und
einer Ultrafiltration erwies sich auch als schwierig. Die Ultrafiltration war regelmäßig
verstopft. Folglich waren die Messdaten unvollständig. Die UV-Sondenmessung im
Zulauf war dagegen sehr stabil; die Messabweichung ist mit ca. 10 % größer als die
TOC-Messung mit ca. 4 %. Desweiteren ist eine UV-Sonde deutlich günstiger wie ein
TOC-Messgerät und die Messung findet im Medium statt. Über eine
30
Probenahmeleitung wird dem TOC-Messgerät die Abwasserprobe zugeführt, wobei
die Messung zeitlich versetzt stattfindet. In der Probenahmeleitung kann sich ein
Biofilm anlagern, der die organischen Verbindungen ebenfalls biologisch abbaut.
Deshalb wurden zur Simulation die Messdaten der UV-Sonde im Zulauf zur
Kläranlage Steinhäule gewählt.
Im Ablauf der Kläranlage Steinhäule und im Ablauf der Versuchsanlage sind die
partikulären Stoffe sehr gering. Der TOC-Wert im Ablauf der Nachklärung setzt sich
zusammen aus dem DOC-Wert und 1 mg POC/l. Im Ablauf der Sandfilteranlage sind
die abfiltrierbaren Stoffe (AFS) kleiner als 1 mg/l. Für den Vergleich der Online-
Messdaten mit den simulierten Werten wurden die gemessenen DOC-Daten gewählt.
8.5Simulation der Kläranlage Steinhäule
Für die Simulation der organischen Verbindungen von Zulauf bis Ablauf des
Klärwerks Steinhäule sind die Daten der CSB-Zulauffrachten, die Zentratmengen, die
Sauerstoffzufuhr, die Beckenvolumina, die Altondosierung, der TS-Gehalt, die
Abwassermengen, die Rezirkulation, die Rücklaufschlammmengen, die
Überschussschlammmengen, die Ammonium- und Phosphorzulauffrachten, die
Temperatur und der pH-Wert relevant. Die Zentratmengen werden über einen IDM
gemessen. Die Zentratfrachten sind jedoch unbekannt. Stichproben ergaben einen
CSB-Wert zwischen 5000 bis 7000 mg O2/l.
31
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
10001
72 143
214
285
356
427
498
569
640
711
782
853
924
995
106
611
37
120
812
79
135
014
21
149
215
63
163
417
05
177
618
47
191
819
89
206
021
31
220
222
73
234
4
CSB
[mg
o2/
l]
Zeit Winter 2006
Online-Messdaten Winter 2006 Zulauf und Ablauf ZVK
CSB Zulauf ZVK
CSB Ablauf ZVK
Abbildung 8: Online-Messdaten Winter 2006 Zulauf und Ablauf Zweckverband Klärwerk Steinhäule
In der Abbildung 8 sind die gemessenen Online-Daten der UV-Sonde im Zulauf (rote
Linie) und der TOC-Messung (grüne Linie) im Ablauf der Kläranlage Steinhäule
abgebildet. Die CSB-Frachten ändern sich im Tagesgang stark. Bei
Regenereignissen können die CSB-Zulaufwerte unter 200 mg O2/l fallen; bei
Trockenwetterereignissen können die CSB- Zulaufwerte über 800 mg O2/l liegen.
Die CSB-Ablaufwerte sind dagegen sehr stabil. Die sehr starken Schwankungen im
Zulauf treten in den Ablaufwerten minimiert auf, d.h., das System Biologie puffert
größere CSB-Differenzen sehr gut ab. Bei Regenereignissen werden die CSB-
Frachten stark verdünnt, so dass diese größeren CSB-Differenzen auch in den CSB-
Ablaufwerten zu erkennen sind (siehe Abbildung 8).
32
Abbildung 9: Simulation CSB Zulauf bis Ablauf ZVK im Winter 2006 (50 Tage)
Die Abbildung 9 zeigt die Ergebnisse der CSB-Simulation mit den Online-Messdaten
der UV-Sonde im Zulauf zur Kläranlage Steinhäule (Abbildung 8, Werte der roten
Linie). Die CSB-Werte der grünen Linie sind die Online-Messdaten des TOC-
Messgerätes im Ablauf Nachklärung. Die blaue Linie stellt die simulierten CSB-Werte
dar. Die simulierten CSB-Werte bei den Regenereignissen (Tag 7 und Tag 35) sind
zu niedrig. Die Messwerte der UV-Sonde werden durch die Regenmengen sehr
verdünnt und die Abwasserfraktionierung wird verändert. Die Kläranlagensimulation
mit “Simba“ ermöglicht lediglich eine konstante Fraktionierung der CSB-Werte.
Ansonsten bildet die Simulation die Online gemessenen Werte sehr gut ab.
8.6 Simulation der Versuchsanlage
Die Hochschule Biberach führte im Klärwerk Steinhäule in einer halbtechnischen
Versuchsanlage Untersuchungen zur Verringerung gelöster organischer
Verbindungen mit Aktivkohle durch. Mit dem Einsatz von Fällmittel und der
CSB [mg O2/l]
Zeit [Tage]
Simulation CSB Zulauf bis Ablauf ZVK
33
Frischaktivkohle SAE Super von Norit konnte folgendes Diagramm zur DOC-
Entnahme erstellt werden (Abbildung 10).
Abbildung 10: Prozentuale DOC-Entnahme in der Adsorptionsstufe in Abhängigkeit der Aktivkohledosierung (Abschlussbericht „Maßnahmen zur Verbesserung der Gewässergüte durch Entnahme der organischen Restverschmutzung mittels Aktivkohle,“ Hochschule Biberach November 2009, UM-Vorhaben, S. 37)
Die Versuchsanlage wurde mit unterschiedlichen Aktivkohlemengen betrieben. Die
Fällmitteldosierung im Kontaktreaktor betrug 0,2 mg Al/mg PAK und im Filter ca. 0,5
mg Al/l. Je größer die Aktivkohledosierung war, desto größer war die prozentuale
DOC-Entnahme. Bereits mit einer relativ geringen Aktivkohledosierung von 4 mg/l
lassen sich DOC-Entnahmeraten von ca. 30 Prozent erzielen. Mit einer Dosierung
von 10 mg/l Aktivkohle können ca. 40 Prozent der gelösten organischen
Verbindungen im Abwasser entfernt werden. Eine Aktivkohledosierung von ca. 20
mg/l ermöglicht eine Reduzierung von 50 % der gelösten organischen Verbindungen.
Der Fällmitteleinsatz trägt ebenfalls zur Verringerung der gelösten organischen
Restverschmutzung von ca. 1 mg DOC/l (ca. 3 mg CSB/l) bei. Der
Kontaktreaktor wurde mit einem TS-Gehalt von ca. 4 g PAK/l betrieben. Eine
34
Überschussschlammpumpe hielt den TS-Gehalt konstant. Im Modell regelt ein Relay
den TS-Gehalt.
Die Untersuchungen wurden in einer halbtechnischen Versuchsanlage durchgeführt,
d.h., dass nicht alle Geräte an das Prozessleitsystem angeschlossen waren. Die
Rücklaufkohlepumpen mussten beispielsweise ständig kontrolliert werden, ob die
konstante Menge von 300 l/h pro Pumpe gefördert wurde. Die Menge der
Aktivkohledosierung wurde in der Datenbank über eine Füllstandssonde im
Aktivkohlesuspensionsbehälter ermittelt. Aus der Differenz von Füllständen während
einem Zeitintervall konnte die Menge an dosierter Aktivkohlesuspension pro
Zeiteinheit berechnet werden.
Im “Editor“ wurde für die Aktivkohleadsorption von gelösten organischen
Verbindungen die Reaktorkinetik formuliert. Eine e-Funktion beschreibt die
Stöchiometrie, die sich an der DOC-Entnahme der Laborversuche (Abbildung 10)
orientiert. Die e-Funktion wurde anhand der Daten der Tabelle 1 erstellt. Die
gewählte Formel lässt sich wie folgt grafisch darstellen (Abbildung 11).
Tabelle 1: Daten zur Erstellung der e-Funktion
DOC-Entnahme mitFrischaktivkohle und Aluminium
gewählte Formel:X Y4 -28 y = -15,70 ln (x+3)-410 -4212 -4520 -52
35
y = -15,70 ln(x+3) - 4R² = 0,9992
-60
-50
-40
-30
-20
-10
0
0 5 10 15 20 25
DO
C-V
err
ing
eru
ng
[%
]
PAC - Dosierung [ mg PAK/l ]
DOC -Entnahme in der nachgeschalteten Adsorptionsstufe
Frischaktivkohle und Aluminium
Log. (Frischaktivkohle und Aluminium)
Abbildung 11: DOC – Entnahme in der nachgeschalteten Adsorptionsstufe
Das Versuchsanlagenmodell wurde mit vier konstanten Vektormatrizen mit
denselben Parametern wie der Abwassermenge, der CSB-Zulaufkonzentration und
der Temperatur simuliert (Abbildung 12). Die Vektormatrizen unterscheiden sich in
der Menge der Aktivkohledosierung, die mit 0 mg/l, 4 mg/l, 10 mg/l und 20 mg/l
angegeben wurde. Die CSB-Eliminationsraten liegen mit einer Aktivkohledosierung
von 4, 10 und 20 mg PAK/l bei ca. 28%, 43% und 50 %.
36
0
5
10
15
20
25
0,81
1,29
2,16
4,39
7,25
13,2
8
23,2
8
29,0
8
39,0
8
47,6
8
54,8
8
64,8
8
74,8
8
84,8
8
89,1
5
89,2
9
90,8
5
90,8
9
92,8
0
100,
00
Simulation der Versuchsanlage mit konstantem Vektor
Ablauf NKB
Ablauf NKB + FM + 4 mg PAK/L
Ablauf NKB + FM + 10 mg PAK/L
Ablauf NKB + FM + 20 mg PAK/L
20,34 mg/l
14,73 mg/l
11,68 mg/l
10,20 mg/l
Abbildung 12: Simulation mit konstanten Vektoren
8.7 Simulation der Kläranlage Steinhäule und der Versuchsanlage
Für die Simulation der organischen Verbindungen von Zulauf bis Ablauf der
Versuchsanlage sind die Daten der CSB-Zulauffrachten vom Ablauf der biologischen
Stufe der Kläranlage Steinhäule, die Beckenvolumina, die Fällmitteldosierung (Alton),
die Abwassermengen, die Rücklaufkohlemengen, die Überschusskohlemengen, der
TS-Gehalt im Kontaktreaktor, die Temperatur und der pH-Wert relevant.
37
Abbildung 13: Simulation CSB Zulauf bis Ablauf VA im Winter 2006 (50 Tage)
In der Abbildung 13 sind die Ergebnisse der CSB-Simulation mit den Online-
Messdaten der UV-Sonde im Zulauf zur Kläranlage Steinhäule (Abbildung 8, Werte
der roten Linie) dargestellt. Die CSB-Werte der grünen Linie sind die Online-
Messdaten des TOC-Messgerätes im Ablauf Sandfilteranlage. Die blaue Linie stellt
die simulierten CSB-Werte dar. Die Pics der Regenereignisse werden bei den
simulierten CSB-Werten (Tag 7 und Tag 35) nicht richtig abgebildet. Die Ergebnisse
sind für die Anforderungen der Simulation ausreichend. Die Simulation soll später
dazu dienen, die Versuchsanlage an andere Kläranlagen im Modell nachzuschalten.
Ziel ist es, den Kläranlagenbetreiber über den möglichen CSB-Abbau mit einer
Aktivkohledosieranlage zu informieren.
CSB [mg O2/l]
Zeit [Tage]
Simulation CSB Zulauf bis Ablauf VA
38
8.8 Erweiterung der Kläranlage Steinhäule mit einer nachgeschalteten Adsorptionsstufe und Sandfilteranlage
Die Bemessung der Adsorptionsstufe (Kontaktreaktor und Sedimentationsbecken) ist
von der Aufenthaltszeit bzw. Kontaktzeit des Abwassers mit der Aktivkohle
(Kontaktreaktor) und von der Abwassermenge (Reinigung Teil- bzw. Vollstrom) bzw.
der Wehrbelastung (Sedimentationsbecken) abhängig. Die Aufenthaltszeit des
Abwassers im Kontaktreaktor beträgt bei Trockenwetter ca. 75 Minuten, bei
Regenwetter ca. 40 Minuten.
Abbildung 14: Auswirkungen der Größe des Kontaktreaktors auf die prozentuale DOC-Entnahme in der Adsorptionsstufe (Abschlussbericht „Maßnahmen zur Verbesserung der Gewässergüte durch Entnahme der organischen Restverschmutzung mittels Aktivkohle,“ Hochschule Biberach November 2009, UM-Vorhaben, S. 90)
Abbildung 14 zeigt Untersuchungen der Hochschule Biberach, wobei das Kontaktreaktorvolumen bei konstanter Zuflusswassermenge und konstanter Aktivkohledosierung von 10 mg PAK/l verändert wurde. Die Verdreifachung des Kontaktreaktorvolumens hatte mit einer Aufenthaltszeit zwischen ca. 20 min und 60 min für die Reduzierung der gelösten organischen Verbindungen nur geringe Auswirkungen auf die Reinigungsleistung. Eine Erhöhung der Abwassermenge um 60 Prozent bei konstanter Rücklaufkohlemenge hatte eine Verringerung des TS-Gehalts im Kontaktreaktor von 1 g/l zur Folge. Für den Bemessungsfall wird
39
empfohlen das Kontaktreaktorvolumen nicht zu klein zu wählen, so dass bei Regenwetter noch ausreichend TS-Gehalt an Aktivkohle im Kontaktreaktor verbleibt.
Das Sedimentationsbecken wurde nach der Oberflächenbeschickung (OTW =0,92 m/h, ORW =1,74 m/h) und nach der erforderlichen Wehrbelastung (qTW =4,4 m³/m*h, qRW =8,4 m³/m*h) bemessen. Die Oberflächenbeschickung sollte nicht größer sein als 2 m/h bei maximaler Abwassermenge. Um eine bessere Sedimentation im Becken zu erzielen, wurde die Sohlneigung des Sedimentationsbeckens abweichend von den Empfehlungen des Arbeitsblattes 131 der DWA vergrößert. Der Zweischichtfilter ist mit einer maximalen Filtergeschwindigkeit von 12 m/h bei maximaler Abwassermenge auszulegen.
Der Trockenwetterzufluss zum Klärwerk Steinhäule beträgt einschließlich der Filterspülung ca. 5.200 m³/h und der Regenwetterzufluss 9.800 m³/h.Die Adsorptionsstufe des Klärwerks Steinhäule hat ein Kontaktreaktorvolumen von ca. 6.600 m³ und eine Oberfläche der 2 Sedimentationsbecken von 5.650 m². Die Filteranlage wurde mit 20 Filterkammern bemessen. Eine Kammer hat eine Oberfläche von 46,8 m². Die Filterfläche beträgt insgesamt 936 m².
9. Wechselwirkungen der Pulveraktivkohle mit bestehenden Anlagen und Bauwerken
Die Betriebsmittel Pulveraktivkohle, Fällmittel (Alton) und Flockungshilfsmittel werden im Kontaktreaktor eingesetzt. Die Pulveraktivkohle im Abwasser wirkt abrasiv. Das Fällmittel und Flockungshilfsmittel bewirkt eine bessere Sedimentation der Aktivkohle in den Sedimentationsbecken.
Die Aktivkohle wird zukünftig im Klärwerk Steinhäule über einen Injektor einem Wasserstrom zugemischt. Der Wasserstrom ist ein filtriertes Abwasser, das von der Filteranlage über das Technikgebäude zum Kontaktreaktor gepumpt wird. Im Technikgebäude wird die Aktivkohle dem Wasserstrom über einen Injektor zugemischt. Das Wasser-Kohlegemisch fließt dann in den Kontaktreaktor. Die genaue Dosierung der Aktivkohlemengen erfolgt durch eine Waage. In zwei Silos mit je 100 m³ Volumen wird die Aktivkohle gelagert.Für die Abwasserbeschickung des Kontaktreaktors, der Filteranlage und die Rückführung der Aktivkohle von dem Sedimentationsbecken zum Kontaktreaktor ist aus hydraulischen Gründen ein Hebewerk erforderlich, das als Schneckenpumpen ausgeführt wird. Pro Straße ist jeweils eine Schneckenpumpe vorgesehen. Eine dritte Schnecke dient in jedem Pumpwerk als Reserveschnecke. Das Abwasser aus der Adsorptionsstufe ist ein Aktivkohle-Fällmittel-Polymergemisch. Die Aktivkohlekonzentration im Abwasser zur Filteranlage beträgt maximal 4-5 g AK/l.
40
Das Rücklaufkohlewasser vom Sedimentationsbecken zum Kontaktreaktor kann eine Aktivkohlekonzentration von bis zu 12 g Ak/l erreichen. Im Hinblick auf das erhöhte Abrasionsverhalten des Fördermediums auf die Förderaggregate werden diese Schneckenpumpen mit Ortbetontrögen und Schmelzbasaltauskleidung sowie einer Beschaufelung der Schnecken mit einem Verschleißblech aus Hardox 400 erstellt. Die Überschusskohlepumpen und die Schlammwasserpumpen müssen ein Aktivkohle-Abwassergemisch von 4-5 g AK/l fördern. Die Pumpenausführung erfolgt mit einem Spiralgehäuse und Laufrad aus Hartguss. Die Förderleitungen werden als VA-Stahlleitungen ausgeführt.Im Kontaktreaktor sorgen 6 Hyperboloidrührer in 6 Kaskaden für die erforderliche Durchmischung der Aktivkohle mit dem Abwasser. Die Hyperboloidrührer werden aus hochwertigem, glasfaserverstärktem Kunststoff und biologisch neutralem Gel-Coat vollständig beschichtet.
10. Großtechnische Umsetzung unter Berücksichtigung eines Qualitäts-managements
10.1. Organisationssicherheit für die Kläranlage
In der Abwasserreinigung selbst und damit auch auf einer Kläranlage sind die
ablaufenden Vorgänge sehr komplex. Dies gilt für den Abwasserreinigungsprozess,
der physikalische, chemische und mikrobiologische Komponenten enthält, für den
Bau, der sich aus unterschiedlichsten Gewerken der Bau-, Maschinenbau- und
Elektrotechnik zusammensetzt und auch für den Betrieb, welcher vom
Explosionsschutz bis zu komplexer MSR-Technik und Eigenenergieversorgung alles
beinhaltet. Als erster Ansatz in Richtung eines QM-Systems werden auf einigen
Kläranlagen Kennzahlen erfasst und ein Benchmarking-Vergleich durchgeführt.
Darauf aufbauend sollten Elemente der verschiedenen Managementsysteme (z.B.
Qualitätsmanagement nach DIN EN ISO 9001, Umweltmanagement nach DIN EN
ISO 14001 ff., Energiemanagement und Sicherheitsmanagement) eingeführt werden
um ein Organisationsverschulden im Unternehmen zu vermeiden.
Ansonsten besteht die Gefahr, dass § 823 BGB, Absatz 1 “Wer vorsätzlich oder
fahrlässig das Leben, den Körper, die Gesundheit, die Freiheit, das Eigentum oder
ein sonstiges Recht eines anderen widerrechtlich verletzt, ist dem anderen zum
41
Ersatz des daraus entstehenden Schadens verpflichtet” zur Anwendung kommt.
Denn auch das Bundesverfassungsgericht hat eindeutig festgestellt, dass „Die
Kenntnis der Regelungen im Strafgesetzbuch, das die wesentlichen Straftatbestände
zusammenfasst, darf im Allgemeinen erwartet werden. Darüber hinaus ist von
Betreibern gewisser technischer Anlagen zu verlangen, dass sie über die
einschlägigen Vorschriften unterrichtet sind.“
Eine schuldhafte Verletzung der originären Organisationspflichten zieht eine
unmittelbare Haftung des Unternehmens aus § 823 BGB nach sich; mit den Folgen:
- Vorwurf gegen die Führungsebene
- Haftungsfolgen für das Unternehmen
- Konsequenzen für den Unternehmensleiter
Gemäß BGB ist eine gute Unternehmensorganisation gekennzeichnet durch
- Auswahl von fachlich qualifiziertem und persönlich geeignetem Personal
- Anleitung zur sachgerechten Arbeit
- Überwachung und Einhalten der Vorgaben
- Bereitstellung geeigneter und funktionstüchtiger Produktionsmittel
Damit ergeben sich als Organisationspflichten der Betreiber z.B.
- klare und eindeutige Zuweisung von Zuständigkeitsbereichen
- Einsatz ausreichend qualifizierten Personals
- Leitung, Überwachung und Schulung der Mitarbeiter
- Bereitstellung der erforderlichen Ausstattung
- Bereitstellung der technischen Regelwerke
- Verfügen über Dienst- und Betriebsanweisungen
Dies bedeutet, dass auch in Organisationen zur Abwasserreinigung ein
prozessorientiertes QM-System zugrunde gelegt werden kann.
42
Auch die in Abbildung 16 dargestellten QM-Grundsätze der DIN EN ISO 9004
sollten beachtet werden.
Abb.15: Struktur eines prozessorientierten QM-Systems
Abb.16: QM-Grundsätze
43
Die Aufbau- und Ablauforganisation auf der Kläranlage Steinhäule wurden
untersucht und werden mit geringen Ergänzungen den Ansprüchen des BGB
genügen.
Abb. 17. Organisationsdiagramm des ZVK
Der kontinuierliche Verbesserungsprozess eines QM-Systems wird teilweise schon in
Abteilungsbesprechungen durchgeführt und soll in Zukunft als eigener Prozeß
behandelt werden.
Sowohl Dienst- und Betriebsanweisungen, als auch dringend notwendige
Planunterlagen (z.B. Explosions-Schutz-Zonen, s. Bild 1) sind vorhanden und für alle
Mitarbeiter zugänglich.
44
Bild 1: Ex-Zonen-Plan der KA Steinhäule
Dies alles ist ein erster Ansatz zu einem integrierten Managementsystem für
Abwasserreinigungsanlagen und sollte dann sicherstellen, dass auch große
Baumassnahmen, wie der Neubau einer Adsorptionsstufe, bestmöglichst
durchgeführt werden.
Abb.18: Integriertes Managementsystem
45
10.2. Vorgehensweise zur großtechnischen Umsetzung
Aus dem Forschungsvorhaben ergeben sich folgende Schritte, welche als
Grundlagenermittlung vor Beginn der Planung sinnvoll und notwendig wären:
- Zieldefinition:
Die Aktivkohle bindet die gelösten organischen Verbindungen. Mit einfachen
Stichproben kann im Vorfeld der Anteil an gelösten organischen Verbindungen im
Ablauf der Kläranlage X ermittelt werden. Die Stichprobe wird vor der Messung mit
einem 0,45 µm Filter filtriert. Der gelöste organische Anteil am gesamten
organischen Kohlenstoff im Ablaufwasserstrom des Klärwerks X kann mit der
Aktivkohle reduziert werden.
Des Weiteren ist mit den Betreibern der Kläranlage X der Zielwert (z.B. Kläranlage
Steinhäule CSB < 20 mg/l) festzulegen, der mit der Aktivkohleanlage zu erreichen ist.
- Versuche zur Fraktionierung der Abwasserzusammensetzung:
Die Fraktionierung der biologischen Abbaubarkeit der Inhaltsstoffe des
Abwassergemisches kann entweder über den Zahn-Wellens-Test oder mit UV-
Sondenversuche im System der Kläranlage X erfolgen. Zur Adsorptionsanalyse sind
Batchversuche zur Bestimmung der Isothermenpunkte notwendig. Mit Hilfe einer
Software zur Adsorptionsanalyse eines Vielstoffgemischs kann das
Abwassergemisch fraktioniert werden. Es soll die biologische Abbaubarkeit der
organischen Abwasserinhaltsstoffe im Belebungsbecken und die Adsorbierbarkeit
der gelösten organischen Verbindungen an die eingesetzte Atkivkohle Y in der
Adsorptionsstufe quantifiziert werden.
-Modellierung der Kläranlage X
Die Kläranlage X ist mit der Simulationssoftware “Matlab und Simba“ zu modellieren.
Hierbei kann das Modell „Kläranlage Steinhäule“ umgebaut werden. Mit Simba
Blöcken kann die Kläranlage X nachgebildet werden. Verfügt die Kläranlage X über
Online-Messgeräte, können die gesammelten Daten zur Kläranlagensimulation
46
verwendet werden. Sind keine Online-Messgeräte auf der Kläranlage X vorhanden,
können Messreihen im Zulauf und Ablauf der Kläranlage X mit CSB-Bestimmung im
Labor durchgeführt werden.
- Modellanpassung
Die Signale im Ablauf der Kläranlage X (v.a. die Fraktionen des CSB) sind in den
Zulaufparametern der Versuchsanlage zu berücksichtigen. Auch die Nges- und
Pges-Zulaufkonzentrationen sowie die Temperatur und die Abwassermenge sind im
Versuchsanlagenmodell zu berücksichtigen.
Mit dem Ergebnis der Simulation kann dann die Ausplanung der Adsorptionsstufe
beginnen.
10.3. Kalkulation der großtechnischen Umsetzung
Abbildung 19 zeigt ein Verfahrensbild der KA Steinhäule mit zusätzlicher
Adsorptionsstufe. Die Kläranlage hat eine Kapazität von 440.000 EW und reinigt ca.
35 Mio m3 Abwasser im Jahr.
47
Abb. 19: Verfahrensbild der KA Steinhäule
Bild 2 zeigt die Kläranlage von der Klärschlammverbrennung aus.
Bild 2: KA Steinhäule mit Erweiterungsfläche
48
Die Kläranlage Steinhäule will zukünftig mit der Erweiterung der
Aktivkohlefilteranlage die abgaberechtlichen Schwellenwerte des
Abwasserabgabegesetzes unterschreiten, damit keine Abwasserabgabe (2011 rund
1 Mio. €) mehr bezahlt werden muss. Die Kosten der Erweiterung um eine
Aktivkohelfilteranlage betragen ca. 42 Millionen Euro (s. Tabelle 4).
Tabelle 4: Investitionskosten der Aktivkohlefilteranlage
Adsorptionsstufe
(Kontaktreaktor mit Schneckenpumpwerk, 2 Sedimentationsbecken, Technikgebäude)
23.700.000 €
Filteranlage mit Schneckenpumpwerk 18.300.000 €
Summe 42.000.000 €
Die Betriebskosten der Aktivkohlefilteranlage sind v.a. abhängig vom Stromverbrauch
der Schneckenpumpwerke und Rührwerke, dem Aktivkohleverbrauch, dem Fällmittel-
und Polymerverbrauch, den Kosten der Messgeräte und den Personalkosten
(Tabelle 5). Der Aktivkohleverbrauch wurde mit einem jährlichen Mittel von 7 mg/l
berechnet. Die Überschusskohle wird in der Monoverbrennunganlage mit dem
Klärschlamm verbrannt. Die Aktivkohle verfügt über einen höheren Heizwert als der
Klärschlamm, so dass zukünftig bei der Kohleverbrennung mehr elektrische Energie
erzeugt wird.
Falls bereits teilbeladene Wasserwerkskohle verwendet wird, würde sich dies
außerdem sehr positiv auf eine Ökobilanz auswirken.
Die Phosphorelimination erfolgt in der Adsorptionsstufe. Deshalb wird die
Fällmittelmenge in den Betriebskosten (Tabelle 5) nicht aufgeführt, da die
Fällmittelmenge für die Adsorptionsanlage ungefähr der Fällmittelmenge der
Simultanfällung entspricht.
49
Tabelle 5: Betriebskosten der Aktivkohlefilteranlage
StromkostenPumpen und Rührwerke
65 Wh/m³ * 35 Mio. m³ * 0,12 €/kWh = 273.000 €
Aktivkohleverbrauch 7 g/m³ * 35 Mio. m³ * 1.150 €/t = 281.750 €
Energieeinsparung 245 t PAK/a * 32.000 kJ/kg/ 42.650 kJ/kg* 0,685 €/t =
- 126.000 €
FHM (Polymer) 10.000 kg/a * 2 €/kg = 20.000 €
Personal 50.000 €
Wartung 370.000 €
Messgeräte 60.000 €
Kapitalkosten (42-11,6) Mio. € * 0,058 * (30 J 4 %) =
Fördermittel und Drittmittel
1.774.800 €
Summe 2.703.550 €
Die spezifischen Betriebskosten für das Klärwerk Steinhäule betragen:
2.703.550 €__14.000.000 m³
Weitere im Bau befindliche Anlagen (Mannheim und Sindelfingen) müssen zeigen
wie dieser Wert einzuordnen ist. Die Verbandsversammlung des ZVK hat
beschlossen diese Investition im Sinne einer nachhaltigen Umweltschutzpolitik zu
tätigen.
11. ZusammenfassungHauptziel des Teilprojektes 1A des Verbundforschungsvorhabens „Entwicklung einer
adsorptiven Stufe zur Elimination organischer Spurenstoffe auf kommunalen
Kläranlagen“ war, Grundlagen für eine großtechnische Umsetzung einer solchen
adsorptiven Stufe zu schaffen. Um keinen rein theoretischen Ansatz als Ergebnis zu
= 0,19 €/ m³
50
bekommen, wurde als Beispielkläranlage das Klärwerk Steinhäule in Ulm gewählt.
Die Vorgabe war die Ergebnisse auf andere Kläranlagen übertragen zu können.
Dieses Ziel wurde erreicht, so dass nach Beendigung des Vorhabens Planung und
Ausschreibung der großtechnischen Anlage in Angriff genommen wurde. Für dieses
Projekt mit einem Umfang von ca. 42 Mio. Euro wurden wertvolle Daten geliefert.
Außerdem wurde eine beispielhafte Vorgehensweise für die Grundlagenermittlung
und Ausführungsvorschläge für Anlagenteile, die mit der Pulveraktivkohle in
Berührung kommen erarbeitet. Wird hierbei noch bereits beladene wasserwerkskohle
verwendet, hat dies sehr positive Auswirkungen auf die Gesamtökobilanz des
Vorhabens (Weiternutzung eines Abfallproduktes und gesteigerter Brennwert bei der
Klärschlammverbrennung).
Im Teilprojekt 1A wurden umfangreiche Messprogramme mit dazugehöriger Analytik
auf der Kläranlage und an der Versuchsanlage durchgeführt. Auch wurden
unterschiedlichste Online-Messgeräte eingesetzt. Der Betrieb der halbtechnischen
Versuchsanlage wurde sichergestellt.
Im Aufstockungsprojekt wurde ein Simulationstool für eine Adsorptionsstufe fertig
gestellt. Dies stellt eine Neuheit im Simulationsbereich dar. Beim ZVK wurden die
Grundzüge eines Qualitätsmanagementsystems für Planung, Ausschreibung,
Bauphase und Betrieb der neuen Adsorptionsstufe eingeführt. Die
Gesamtprojektleitung mit den entsprechenden Koordinationsarbeiten wurde vom
ZVK durchgeführt
12. VeröffentlichungenAm 23. Juni wurden von Herrn Hiller auf der DWA-Veranstaltung „Vorstellung
aktueller Projekte zum Ausbau von kommunalen Klärwerken mit einer
Absorptionsstufe“ in Mannheim die bisherigen Ergebnisse des Teilprojektes 1A mit
dem Titel „Klärwerk Steinhäule, Neu-Ulm“ vorgestellt.
51
13. Literaturangaben
BTZ Weiterstadt der HWK Frankfurt
PIMM, Integrierte Managementsysteme für KMU, Leonardo da Vinci-Projekt der EU
DIN
DIN EN ISO 9001, Qualitätsmanagement, Beuth-Verlag
DIN
DIN EN ISO 14001, Umweltmanagement, Beuth Verlag
DWA
Seminar Technisches Sicherheitsmanagement Abwasser
Lamberth, Bodo
„Development of Human Ressources as an important part of a Total Performance Management”, Vortrag auf dem 23rd World Water Congress der IWSA in Buenos Aires, September 1999
Lamberth, Bodo
“Environmental Impact Assessment”, Vortrag auf dem workshop des EU-Business-Support-Projects “Bussiness Support Programme for Bulgaria, Romania, Croatia and Turkey” in Antalya am 18.02.2009
Berichtsblatt
__________ _______________1Auf das Förderkennzeichen der BMBF soll auch in der Veröffentlichung hingewiesen werden. BMBF-Vordr. 3831/01.96
1. ISBN od. ISSN 2. Berichtsart Schlußbericht
3. Titel des Berichtes Verbundprojekt:
Entwicklung einer adsorptiven Stufe zur Elimination organischer Spurenstoffe auf kommunalen Kläranlagen
Teilprojekt 1A:
Datenerhebung zur Entwicklung von Planungskonzepten und Betrieb einer halbtechnischen Versuchsanlage auf der Kläranlage Steinhäule
Aufstockungsantrag zu Teilprojekt 1A:
Entwicklung von Planungskonzepten zum Aktivkohleeinsatz auf Abwasserreinigungsanlagen zur Elimination von Spurenschadstoffen unter Berücksichtigung des Qualitätsmanagements
4. Autoren des Berichtes (Name, Vorname(n))Hiller, GeorgLamberth, Bodo
5. Abschlussdatum des Vorhabens31.01.20116. Veröffentlichungsdatum
7. Form der Publikation
8. Durchführende Institution(en) (Name, Adresse)
Zweckverband Klärwerk SteinhäuleReinzstrasse 1, 89233 Ulm
9. Ber.Nr. Durchführende Institution
10. Förderkennzeichen1
02 WA 102011a. Seitenzahl Bericht5111b. Seitenzahl Publikation
13. Fördernde Institution (Name, Adresse)
Bundesministerium für Bildung, Wissenschaft, Forschung und Technologie (BMBF)
53170 Bonn
12. Literaturangaben614. Tabellen515. Abbildungen19
16. Zusätzliche Angaben
17. Vorgelegt bei (Titel, Ort, Datum)
18. KurzfassungHauptziel des Teilprojektes 1A des Verbundforschungsvorhabens „Entwicklung einer adsorptiven Stufe zur Elimination organischer Spurenstoffe auf kommunalen Kläranlagen“ war, Grundlagen für eine großtechnische Umsetzung einer solchen adsorptiven Stufe auf dem Klärwerk Steinhäule zu schaffen. Dieses Ziel wurde erreicht, so dass nach Beendigung des Vorhabens Planung und Ausschreibung der großtechnischen Anlage in Angriff genommen wurde. Für dieses Projekt mit einem Umfang von ca. 40 Mio. Euro wurden wertvolle Hinweise geliefert.Im Teilprojekt 1A wurden umfangreiche Messprogramme mit dazugehöriger Analytik auf der Kläranlage und an der Versuchsanlage durchgeführt. Auch wurden unterschiedlichste Online-Messgeräte eingesetzt. Der Betrieb der halbtechnischen Versuchsanlage wurde sichergestellt. Die Entwicklung von Planungstools für eine Kläranlagenerweiterung um eine adsorptive Stufe konnte nicht in vollem geplanten Umfang des Projektes fertig gestellt werden, da der Partner des Teilprojektes 1B während der Projektlaufzeit Insolvenz anmelden musste.Im Aufstockungsprojekt wurde ein Simulationstool für eine Adsorptionsstufe fertig gestellt. Dies stellt eine Neuheit im Simulationsbereich dar. Beim ZVK wurden die Grundzüge eines Qualitätsmanagementsystems für Planung, Ausschreibung, Bauphase und Betrieb der neuen Adsorptionsstufe eingeführt. Die Gesamtprojektleitung mit den entsprechenden Koordinationsarbeiten wurde vom ZVK durchgeführt.19. Schlagwörter
Weitergehende Abwasserreinigung, Spurenstoffe, Abwassersimulation, großtechnische Umsetzung
20. Verlag 21. Preis
Document Control Sheet
________________BMBF-Vordr. 3832/01.96
1. ISBN od. ISSN 2. Type of reportFinal report
3. Report Title
Joint research project: Development of an adsorptive treatment for elimination of organic micropollutants in municipal sewage works
Subproject 1A:
Data collection for the development of planning tools and operation of a half technical examination plant on the municipal sewage plant Steinhäule
Additional Subproject 1A:
Development of planning tools for the use of activated carbon in sewage plants for the elimination of micropollutants under the conditions of Quality Management
4. Author(s) of the Report (FamilyName, First Name(s))Hiller, GeorgLamberth, Bodo
5. End of Project31.01.20116. Publication date
7. Form of Publication
8. Performing Organization(s) (Name, Address)
Abwasserverband Klärwerk SteinhäuleReinzstrasse 1, 89233 Ulm
9. Originator`s Report No.
10. Reference Ne.02 WA 102011a. Ne. of Pages Report5111b. No. of Pages Publication
13. Sponsoring Agency (Name, Address)
Bundesministerium für Bildung, Wissenschaft, Forschung und Technologie (BMBF)
53170 Bonn
12. No. of References614. No. of Tables515. No. of Figures19
16. Supplementary Notes
17. Presented at (Title, Place, Date)
18. AbstractAim of the subproject 1A of the joint research project „ Development of an adsorptive treatment for elimination of organic micropollutants in municipal sewage works” was, to get datas for the transfer of an absorptive treatment part from the half technical step into the technical size of the sewage plant Steinhäule. This aim war reached. After finishing of the research project planning and invitation to bid of the technical plant with the volume of 40 Mio. Euro were done. In the subproject 1A a lot of measurement programs with appendant analytics on the half technical plant were done. Also a lot of online-measurement instruments were used. In the additional subproject a simulation tool for an adsorptive step on a waste water plant, based on Matlab-Simulink, was developed. This is a complete new tool in the world of simulation. Within the ZVK the basics of Quality Management systems were introduced. The leading of the total project with all coordination works was done by the ZVK19. Keywords
Additional wate water treatment, organic micropullants, wate water simulation, technical size of adsorption of micropullutants in a sewage plant
20. Publisher 21. Price
