Grundlagen der Abwassersysteme Kap. 3 Abwasserreinigung © PK, 2009 – Seite 1 3 Abwasserreinigung 3.1 Rahmenbedingungen der Abwasserreinigung 3.2 Aufbau

Grundlagen der Abwassersysteme Kap. 3 Abwasserreinigung © PK, 2009 – Seite 1

3 Abwasserreinigung

3.1 Rahmenbedingungen der Abwasserreinigung

3.2 Aufbau einer Kläranlage

3.3 Mechanische Reinigung

3.4 Biologische Verfahren

3.5 Nachklärung

Peter Krebs

Grundlagen der Abwassersysteme


3 Abwasserreinigung





3.5 Nachklärung

Peter Krebs



Ende 2000 sind mehr als 10.000 kommunale Kläranlagen in Betrieb

Größenklasse Anzahl Ausbaugröße in mio EW

10.000 – 100.000

> 100.000

2.000 – 10.000

50 – 2.000

272

1.817

2.617

5.677

83,1

56,1

12,3

3,2

Abwasserreinigungsanlagen in Deutschland


Europa

Deutschland

Sachsen

Richtlinie des Rates vom 21. Mai 1991 über die Behandlung von kommunalem Abwasser (91/271/EWG)

EU Wasserrahmenrichtlinie

Wasserhaushaltsgesetz

Abwasserverordnung

Abwasserabgabengesetz

Sächsisches Wassergesetz

Sächsisches Abwasserabgabengesetz

Sächsische Kommunalabwasserverordnung

Erlasse des SMUL

Gesetzgebung


Größenklasse CSB

(mg/l)

2 < 5000 EW 300 kg BSB5 / d

1 < 1000 EW 60 kg BSB5 / d

3 < 10000 EW 600 kg BSB5 / d

5 > 100000 EW 6000 kg BSB5 / d

4 < 100000 EW 6000 kg BSB5 / d

BSB5 (mg/l)

NH4-N (mg/l)

N* (mg/l)

Pges (mg/l)

150

110

90

90

75

40

25

20

20

15

-

-

10

10

10

-

-

-

18

13

-

-

-

2

1

* N = Summe von NH4+, NO3

-, und NO2-

Mindestanforderungen an Kläranlagenablauf


0

10

20

30

40

50

60

70

00:00 04:00 08:00 12:00 16:00 20:00 00:00

Uhrzeit (hh:mm)

CS

B-F

rach

t (

kg/h

)

0

1

2

3

4

5

6

7

NH

4-F

rach

t (

kg/h

)

Tagesmittel für CSB und NH4

NH4-Fracht

CSB-Fracht

Belastungsschwankungen im Zulauf zur KA


0

1

2

3

4

10:00 12:00 14:00 16:00 18:00 20:00 22:00 0:00 2:00

NH

4 F

rach

t / (

Qd·C

0)

0

2

4

6

8

10

12

14

16

Q/Q

d;

TS

S F

rach

t / (

Qd·C

0)

NH4 Fracht

Abfluss

TSS Fracht

Ausstoß von NH4+ und TSS aus der Kanalisation


Zeit

Ab

flu

ss

Zeit

Ko

nz.

, F

rach

t Fracht

Konzentration

KA-Belastung mit NH4+ durch Regenereignis


3 Abwasserreinigung





3.5 Nachklärung

Peter Krebs



Rechen Sand-u. Fettfang

Vorklär-becken

Belebungs-becken

Nachklär-becken

MÜSE

Faulbehälter Nacheindicker

RücklaufschlammPrimär-schlamm

Frisch-schlamm

Rechen-gut

Fett

Sand

Überschussschlamm

Biogas

Kehricht, Verbrennung

Waschen, Deponie

Nutzung, Entwässerung, Trocknung, Verbrennung, Deponie

Gewässer, Filtration

mechanische Stufe biologische Stufe

Fäll-mittel

Entwässerung

Prozess-wasser

Prozess-wasser

FHM

NitriDeni

Schlammbehandlung

Aufbau einer Kläranlage


Beispiel: Kläranlage Chemnitz-Heinersdorf


Mechanische Vorreinigung

Vorklärung

Belebungsbecken

Nachklärbecken

Schlammeindicker

Faulbehälter

Nachfaulraum, „Stapel“

Abwasser W (h)

Schlamm S (d)

0,2

1,5

10

5

0,01

1

10

2

2

20

100

< 1 d > 100 d

Typische Aufenthaltszeiten in den Reaktoren


3 Abwasserreinigung





3.5 Nachklärung

Peter Krebs



Rechenart Durchlassweite Spezifischer Anfall (m3/(E·a))

(mm) ungepresst (8% TS) gepresst (25% TS)

Grobrechen

Feinrechen

Sieb

50

15

3

0,003

0,012

0,022

0,001

0,004

0,007

Schwankungsbereich: -50% bis +100%

Rechengutanfall in kommunalen Kläranlagen


Harken-Umlaufrechen


Hans Huber AG, Typ Ro9

Siebschnecke


• 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

sin

gv

ed

h2

234

Regeln zur Gestaltung von Rechenbauwerken


L

H

U

VS

U

Q

Grenzfall

Absetzbedingung

L

U

HVS

SVH

UL

NBS A

QBLHBU

V VS qA

unabhängig von H !

Sedimentation: Flächenbeschickung qA = Q/A

(Hazen, 1904)


• 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

Sandfang

Schlamm im Sand ist lästig,

aber Sand im Schlamm ist schädlich !


Korn-durchmesser

Absetzgeschwindigkeit

[mm] = 100%[cm/s]

= 90%[cm/s]

= 85%[cm/s]

0,1250,1600,2000,2500,315

0,170,290,460,741,23

0,260,440,781,252,00

0,310,560,991,602,35

(Kalbskopf, 1966)

Empirisch ermittelte Absetzgeschwindigkeiten


• 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 !

hQ

b

5

ul

vh

s

Bemessung


Belüfteter Sandfang


0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0 1 2 3 4 5

Aufenthaltszeit (h)

Wir

kun

gsg

rad

(%

)

absetzbare Stoffe

TSS

BSB5

Wirkungsgrad im Vorklärbecken


Stoff Einheit Zulauf Ablauf* zu

abzu

CCC

TSS

BSB5

CSB

TKN

NH4-N

NO2-N

NO3-N

Ptot

Alkalinität

g TSS / m3

g O2 / m3

g O2 / m3

g N / m3

g N / m3

g N / m3

g N / m3

g P / m3

mol HCO3- / m3

360

300

600

60

40

0

1

10

= f( Trinkwasser) + NH4-N

180

230

450

56

40

0

1

9

0,5

0,23

0,25

0,067

0

0

0

0,1

* bei kurzer Aufenthaltszeit

Veränderung der Abwasserzusammensetzung im VKB


Bsp. eines rechteckigen Absetzbeckens


3 Abwasserreinigung





3.5 Nachklärung

Peter Krebs



Suspendierte Biomasse

Sessile Biomasse

• Durch Turbulenz in Schwebe gehalten

• Schlammflocken 0,1 – 1 mm Durchmesser

• Abbau spezifisch bezogen auf Biomasse

• Als Biofilm auf einer Aufwuchsfläche

• Bakterien werden nur vereinzelt erodiert

• Abbau spezifisch bezogen auf Bewuchsfläche

suspendierte Biomasse aufkonzentrieren

spezifische Oberfläche erhöhen

Biologische Verfahren

Belebtschlammverfahren

Biofilmverfahren


Wachstum

Zerfall

Hydrolyse

Aerober Abbau

Nitrifikation

Denitrifikation

Einbau von C, N, P in die Biomasse

wenn zu wenig externe Nährstoffe

schwer leicht abbaubare Stoffe, durch Enzyme

organischer Stoffe CH2O + O2 CO2 + H2O

NH4+ + 2 O2 NO3

- + H2O + 2 H+

5 CH2O + 4 NO3- + 4 H+ 2 N2 + 5 CO2 + 7 H2O

Wesentliche mikrobiologische Prozesse


Verdoppelungszeit tD

0·tD 1·tD 2·tD 3·tD i·tD ... n·tD

20 21 22 23 2i ... 2n

0

10

20

30

40

50

60

0 1 2 3 4 5 6

t /t D

X/ X

0

Belebter Schlamm:

tD = 6 h

Schlammalter = 10 d

Bakterienwachstum


Wachstum ist limitiert durch Nahrungs- und Sauerstoffangebot

Substrat, Nährstoff, O2

(T

-1)

max,2/2

max,1/2

KS,2KS,1

Wachstum

BB X

tdXd

r

spez. Wachstumsrate

SKSS

max

XB = Biomasse

max = maximale spezifische Wachstumsrate

S = Substratkonzentration KS = Halbsättigungskonstante

Bakterienwachstum


Zulauf

Belebungsbecken Nachklärbecken

Ablauf

Rücklaufschlamm Überschuss-schlamm

Nährstoffe

Bakterien

Luft, O2 Sedimentation

Belebungsverfahren


Belebungsbecken Nachklärbecken

Q Q + QRTSBB

TSBB

Q

TSe

QR = R·Q

TSR

(QÜS)

(TSÜS)

Stoffflussbilanz im Gleichgewichtszustand

RR

TSTS BBR 1

QQ

R Rmit

Schlammhaushalt im Belebungsverfahren


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

Fließschema des Belebungsverfahrens


0

500

1000

1500

2000

2500

3000

0 0,5 1 1,5 2Zeit (d)

Sc

hla

mm

ma

ss

e (k

g C

SB

)

Belebungsbecken

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

0 0,5 1 1,5 2Zeit (d)

Sc

hla

mm

ma

ss

e (k

g C

SB

)

Schlammbett

Dynamische Schlammverlagerung


Belüftung im Belebungsbecken


Schlammbelastung BBBB

zuTS TSV

BSBQB

,5

dTSSkg

BSBkgin 5

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)

die BSB5-Zufuhr wird zur Schlammmasse im BB in Beziehung gesetzt

Dimensionierung mittels Schlammbelastung


Schlammalter BTSzuB

BBBBBBBBX ÜSBBSBQÜS

TSVSP

TSV

1

5,

X Schlammalter in (d), 3 – 15 d

SP Schlammproduktion (kg TS / d)

ÜSB spezifische Schlammproduktion pro umgesetztem BSB5 (kg TS / kg BSB5)

die Schlammproduktion wird zur Schlammmasse im BB in Beziehung gesetzt

zuB BSBQÜSSP ,5

Dimensionierung mittels Schlammalter


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 !

Nährstoffbedarf von Mikroorganismen


Die Nitrifikanten („autotrophe Biomasse“ TSA) haben eine geringe Wachstumsrate A

hohes Schlammalter, damit Nitrifikanten nicht aus dem System ausgewaschen werden

BBBBAABBAA VTSVrSP ,

ABBBBAA

BBABB

A

BBABBX SF

VTS

TSVSF

SP

TSVSF

1

,

,,

mit Produktion autotropher Biomasse

und Sicherheitsfaktor SF ergibt sich das nötige Schlammalter mit

Beckenvolumen VBB muss groß sein

Nitrifikation NH4+ NO3

-


aerob

C-Elimination

Nitrifikation

Denitrifikation

„Bio-P“

aerob

anaerob anoxisch aerobanoxisch

Entwicklung des Belebungsverfahrens

anoxisch aerob


OVR Spezifischer O2-Verbrauch (kg O2 / kg BSB5)

fOVccc

OC Rs

sR Sauerstoffeintrag

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

Verbrauch Eintrag

Je geringer die aktuelle Sauerstoffkonzentration, desto effizienter der Sauerstoffeintrag

Sauerstoffverbrauch


T Schlammalter in d

4 8 10 15 20 25

10

12

15

18

20

0,85 0,99 1,04 1,13 1,18 1,22

0,87 1,02 1,07 1,15 1,21 1,24

0,92 1,07 1,12 1,19 1,24 1,27

0,96 1,11 1,16 1,23 1,27 1,30

0,99 1,14 1,18 1,25 1,29 1,32

(°C)

Spitzenfaktoren für C- und N-Abbau

fC

fN < 20‘000 EW

> 100‘000 EW

1,30 1,25 1,20 1,20 1,15 1,10

- - - 2,50 2,00 1,50

- - 2,00 1,80 1,50 -

Spezifischer Sauerstoffverbrauch OVR (kgO2/kgBSB5)


Anlagentyp Keine Nitrifikation

Nitrifikation >10°C

Denitrifi-kation

aerobe Schlamm-stabilisierung

X < 20‘000 EW

> 100‘000 EW

ÜSB

BTS

5

0,9 – 1,2

0,30

4

10

0,8 – 1,1

0,15

8

12 – 18

0,7 – 1,0

10 – 16

0,12

25

1,0

–

0,05 (kg BSB5 / (kg TS · d))

(kg TS / kg BSB5)

Dimensionierungswerte


QRS

QZu

NH4+

BSB5

O2

NO32-

QÜS

Längsprofile in der Belebung


Vorklärung

Tropfkörper

Nachklärung

Rezirkulation

SchlammrückführungSchlamm-

abzug

Biofilm auf Aufwuchsträger

Tropfkörperverfahren


Flächenbelastung TK

zuA Va

BSBQB

,5

BA Flächenbelastung der Kunststofffolien (g BSB5 / (m2·d))

ohne Nitrifikation 4 (g BSB5 / (m2·d)), mit Nitri. 2 (g BSB5 / (m

2·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)

Dimensionierung des Tropfkörpers


Konzentration

BSB5

NH4+

N03-

Tropfkörper-folie

C-Abbau und Nitrifikation laufen räumlich getrennt ab

Stoffabbau im Tropfkörper


3 Abwasserreinigung





3.5 Nachklärung

Peter Krebs



Trennen

Klären

Speichern

Eindicken

von Schlamm und gereinigtem Abwasser durch Sedimentation

möglichst niedrige Ablaufkonzentration

des aus dem Belebungsbecken verlagerten Schlamms, insbesondere bei Regenwetter

möglichst hohe Rücklaufkonzentration

Bauformen

• Rund, von innen nach außen durchströmt

• Rechteckig, längs durchströmt

• Rechteckig, quer durchströmt

• Vertikal, von unten nach oben durchströmt

Aufgaben des Nachklärbeckens


Klarwasserzone

Trennzone

Speicherzone

Eindickzone

Einlaufzone wirksamer Bereich

> 3 m

ATV A131 (2000)

Nachklärbecken, idealisierte Funktionen


Flächenbeschickung ISVTSq

VSVq

AQ

qBB

SVSVA

Schlammvolumenbeschickung ISVTSqq BBASV

Grenzwerte

qA qSV

(m/h) (l/(m2·h)

Horizontal durchströmte NKB

Vertikal durchströmte NKB

1,6

2,0 650

500

ATV A131 (2000)

Dimensionierung der Oberfläche von NKB


Klarwasserzone

Trennzone

Speicherzone

Eindickzone

m501 ,h

10001

1502 VSV

RVqh A

,

500

130513

RVqh SV

,,

BS

EABB

TStRVqTS

h 1

4311000

EBS tISV

TS

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)

Dimensionierung der Wassertiefe von NKB


Kon

zen

trati

on

Partikel-Interaktion

Eindickung

Behindertes Absetzen

Flockendes Absetzen

Freies Absetzen

keine flockend

hoch

niedrig

Vorklärbecken Nachklärbecken, Sedimentationszone

Nachklärbecken, Schlammbett

Nachklärbecken, Sohlbereich

Sedimentation


Schlammindex ISV ist ein Maß für die Voluminosität und die Absetzeigenschaften

0.5 h

H

hS

X0

V0

Hh

VV

VSV SS lml0

0XVSV

ISV

Vergleichsschlammvolumen

(ml / g TS)

VS

Schlammindex


X0 X0

>X0

hS

t

hS

hS

)( 0Xft

hV S

S

Absetzversuch


XnS eVV 0

0

1

2

3

4

5

6

7

8

0 2 4 6 8X (g/l)

VS

(m

/h)

Einzelne Messung

Vesilind (1968)

Absetzfunktion


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

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 500

2

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

120 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50

0

2

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 500

2

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12Profil y = 2,5 m

Profil y = 1 m

TS [g/l]

20 cm/s

Messungen ISI, NKB Kierspe Bahnhof, 2001


Einfluss von Sedimentation und Dichteunterschieden

Reine Advektion

Sedimentation

Dichte-beeinflussung


Beispiel Zufluss

H1 = 2,5 m

H0 = 0,5 m

U0 = 0,03 m/s

q0 = 0,015 m2/s

H

H1

H0

U0 X0

x

P

WPX

0

mit X0 = 3,5 kg/m3

P = 1500 kg/m3

W = 1000 kg/m3

= 1.17 kg/m3 (entspricht 1.17 ‰ !)

Dichteeffekt

ep0 = 0,43 W/m

Ek0 = 0,23 W/m

ep0 = g H1 q0

Ek0 = 0.5 0 q0 U0


Verweilzeitverteilung Kurzschluss


H0

LEin

U0Uzu

Qzu

121

0

00

/

'F

Hg

U

Minimierung des Energieinputs


30

28

26

24

22

20

18

16

14

13

10

8

6

4

2

0

x

x

x

xx

x

xx

x

xx

x

xxxx

x

xx

x

x

xxxx

xxx

xx x

x

x

xx

xxx

x

xxx

x

xx

xxx

x

xx x

x

xx

xx

xxx

xx

xx

x

xx

x

x

x

x

xxx

x xxx

xx

-0,1

-0,4

-0,7

-1,0

-1,3

-1,6

-1,9

-2,2

-2,5

-2,8

-3,1

-3,4

-3,7

-4,0

Klarw asserabzugsrohre

0-2

6-8

12-1

4

18-2

0

0-2

6-8

12-1

4

18-2

0

0-2

6-8

12-1

4

18-2

0

0-2

6-8

12-1

4

18-2

00

-2

6-8

12-1

4

18-2

0

0-2

6-8

12-1

4

18-2

00

-2

6-8

12-1

4

18-2

0

abfi

ltri

erb

are

Sto

ffe

[mg

/l]

Sch

lam

ms

pie

gel

abf. Stoffe [m g/l]

Schlam m spiegel

x

28.2.96 - 5 .3.96

Flockenfilter Ablaufkonzentration

Hoher Schlammspiegel wirkt als Flockenfilter

© Holthausen


Dynamische Belastung (Armbruster et al., 2000)


mit Schild- oder Saugräumer

Rundbecken


Längs durchströmtes Rechteckbecken

mit Ketten-, Schild- oder Saugräumer


Quer durchströmtes Rechteckbecken

mit Saugräumer


Vertikal durchströmtes Becken

Documents

Grundlagen der Abwassersysteme Kap. 3 Abwasserreinigung © PK, 2009 – Seite 1 3 Abwasserreinigung 3.1 Rahmenbedingungen der Abwasserreinigung 3.2 Aufbau