Dieter-Heinz Hellmann, Ciinther Riegler

Maschinentechnik in der Abwasserrein igu ng

Verfahren und Ausrustung

BWILEY-VCH

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Dieter-Heinz Hellmann, Cunther Riegler

Maschinentechnik in der Abwasserreinigung

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Dieter-Heinz Hellmann, Ciinther Riegler

Maschinentechnik in der Abwasserrein igu ng

Verfahren und Ausrustung

BWILEY-VCH

Die Herausgeber dieses Bandes

Pmf Dr.-lng. Dieter-Heinz Hellmann Universitat Kaiserslautem FB Maschinenbau und Verfahrenstechnik Gottlieb-Daimler-Str. Geb. 44, Zi. 510 D-67633 Kaiserslautem

Prof Dr.-lng. Giinther Riegler Fachhochschule Mainz Fachrichtung Bauingenieurwesen Holzstr. 36 D-55116 Mainz

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Printed in the Federal Republic of Germany

Gedruckt auf saurefreiem Papier

Satz Mittenveger & Partner, Kommunikationsgesellschaft mbH, Plankstadt Druck betz-dmck GmbH, Darmstadt Bindung Litges & Dopf, Heppenheim

ISBN 3-527-30606-4

I"

In haltsverzeichnis

Vorwort xrrr

1 1.1 1.2 1.2.1 1.2.2 1.2.3 1.3 1.3.1 1.3.1.1 1.3.1.2 1.3.1.3 1.3.2 1.3.2.1 1.3.2.2 1.3.2.3 1.4 1.4.1 1.4.2 1.4.2.1 1.4.2.2 1.4.3 1.4.3.1 1.4.3.2 1.4.3.3 1.4.4 1.5

Prozesse in Anlagen zur Abwasserreinigung und Klilrschlarnrnbehandlung Einfiihrung 1 Abwasserhebung im Zulaufpumpwerk 2 Allgemeines 2

fieiselpumpen 4 Abwasserforderschnecken 4

Abwasserreinigung 5 Mechanische Abwasserreinigung 5 Rechenanlagen 5 Sand- und Fettfang 6 Vorkliirung 7 Biologische und weitergehende Abwasserbehandlung 7 Belebungsverfahren 8 Weitergehende Reinigungsmagnahmen 12

Ablauflcontrolle 13

Schlammbehandlung 13 Schlammeindickung vor der Stabilisierung (Voreindickung) Schlammstabilisierung 16 Schlammfaulung 16 Aerobe Stabilisation 17 Entwasserung 18 ,,Nacheindickung" undloder Schlammvorlage 18

Schlammstapelbehalter 19 Entwasserungsverfahren 19 Schlammtrocknung 20 Schlammabtransport 21

1

15

2 2.1 2.2 2.3

2.4 2.5 2.5.1 2.5.2 2.5.3 2.5.4 2.5.5 2.5.6 2.5.7 2.5.8 2.6 2.6.1 2.6.2 2.6.3 2.7 2.7.1 2.7.2 2.7.3 2.7.4 2.8

2.8.1 2.8.2 2.8.3 2.9

3 3.1 3.2 3.2.1 3.2.2 3.2.2.1 3.2.2.2 3.2.3 3.3

3.3.1 3.3.2 3.3.3

Rechenanlagen in kommunalen Kllrwerken 23

Einleitung 23

Verfahrenstechnische Anordnung von Rechenanlagen 24

Verfahrenstechnische Anfordemngen und Bemessung von Rechenanlagen 24

Betriebliche Anforderungen 25 Bau- und Funktionsweise von Rechenanlagen Allgemeine Grundsatze 26

Kletterrechen 27 Bogenrechen 29

Doppellenkerrechen 29

Stabrechen mit Handraurnung 30

Siebrechen 30 Filterstufenrechen 32 Spiralsiebrechen 33 Rechengutbehandlung 35 Rechengutpressen 35 Rechengutwascher 36

Rechengutwaschpressen 37 Rechengutforderung und -abfuhr 38 Allgemeines 38 Gurtforderer 38

Spiralforderer 39 Containeradagen 40

Hygienische und sicherheitstechnische Aspekte bei der Planung von Rechenanlagen 41 Hygienische Situation 41

Aspekte der Arbeitssicherheit 42 Explosionsschutz 42

Ausschreibung von Rechenanlagen 43

26

Pumpen in abwassertechnischen Verfihren und Anlagen Einleitung 47 Abwassertechnische Anlagen (aus Pumpensicht) 49 Anlagenkennlinie 49 Einbauort der Pumpe 58 Kavitation 58 Ungeloste (freie) Gase 62 Arbeitspunkt 65 Hinweise zur Auswahl und zum Betrieb von Kreiselpumpen und Ruhnverken GG Kennlinien von Kreiselpumpen 66 Feststoffgehalt/Viskositat (s. a. Abschnitte 3.2.1 und 3.4.2) Ungeloste (freie) Gase (s. a. Abschnitte 3.2.2.2 und 3.4.4)

47

78 81

3.3.4 3.3.5 3.3.6 3.3.7 3.3.8 3.3.9 3.4 3.4.1 3.4.2 3.4.3 3.4.4 3.4.5 3.4.6 3.4.7 3.4.8

4 4.1 4.2 4.3 4.4 4.4.1 4.4.2 4.4.2.1 4.4.2.2 4.4.2.3 4.4.2.4 4.4.2.5 4.4.3

5 5.1 5.2 5.2.1 5.2.2 5.2.3 5.2.4 5.2.5 5.3 5.3.1 5.3.2 5.3.3 5.4 5.5 5.6

Kavitation (s. a. Abschnitte 3.2.1 und 3.4.3) Pumpenaufstellungen/Pumpenantriebe 87 Wellenabdichtungen (s. a. Abschnitt 3.4.5 und Kapitel 4) Schwingungen (s. a. Abschnitt 3.4.6) Regelung (s. a. Abschnitt 3.4.7) 90 Riihrwerke 97 Hinweise zur Auswahl und zum Betrieb von Verdrangerpumpen Kennlinien von Verdrangerpumpen 102

Feststoffgehalt/Viskosimt (s. a. Abschnitte 3.2.1 und 3.3.2) Kavitation (s. a. Abschnitte 3.2.2.1 und 3.3.4) Ungeloste (freie) Gase (s. a. Abschnitte 3.2.2.2 und 3.3.3) Wellenabdichtungen (s.a. Abschnitt 3.3.6 und Kapitel 4) Schwingungen (s. a. Abschnitt 3.3.7) Regelung (s. a. Abschnitt 3.3.8) 115 Schneckenpumpen 118

83

88 88

102

108 109

113 114

114

Wellenabdichtungen irn Bereich AbwasseP 123

Einleitung 123

Wellendichtungen in der Abwassertechnik 124 Beriihrungsfreie Dichtsysteme im Bereich Abwasser Beriihrende Dichtungen im Bereich Abwasser 127 Stopfbuchspackungen 127 Gleitringdichtungen 128 Grundlagen zur Funktionsweise 128 Werkstoffe von Gleitringdichtungen 131

Dichtungsraume 133

Bauarten von Dichtungen fur feststoffbeladene Medien Fahrweisen von Gleitringdichtungen 137 Gasgeschmierte Gleitringdichtungen fur chemische Abwasser

126

134

140

Belufiungseinrichtungen 143 Einleitung 143

Feinblasige Druckluftbeliiftungssysteme 144 Material und Form 144 Feinblasige flachendeckende Druckluftbeliiftung 146 Feinblasige Beliiftungssysteme mit getrennter Umwalzung Probleme mit feinblasigen Beliiftungselementen 148

Beliiftungssystem - Rohrleitungssystem - Drucklufterzeuger Oberflachenbeliiftungssysteme 151 Rotoren in Umlaufbecken 151 Kreisel in Mischbecken 151 Kreisel in Umlaufbecken 152

a-Werte von Druckluft- und Oberflachenbeluftungssystemen Modifizierte Richtwerttabelle 156

Bemessung von Beliiftungssystemen 158

146

149

152

Vlll lnhaltsuerzeichnis I 5.7 5.8

6 6.1 6.2 6.3 6.4 6.5 6.6 6.7 6.8

7

7.1 7.1.1 7.1.2 7.1.3 7.2 7.3 7.3.1 7.3.2 7.4 7.5

8 8.1 8.2 8.2.1 8.2.2 8.2.2.1 8.2.2.2 8.2.2.3 8.2.3 8.3 8.3.1 8.3.2 8.3.2.1 8.3.2.2 8.3.2.3 8.3.3 8.3.3.1 8.3.3.2

Tendenzen und Perspektiven bei der Beluftungstechnik Zusammenfassung 162

160

Wirtschaftlicher Betrieb von Drehkolbengebliisen 165 Uberblick 165 Funktionsprinzip 165 Normen 171 Auslegung 172 Drehkolbengeblaseaggregate 175 Regelung 179 Gesamtstation 182 Fazit 183

Wirtschaftlicher Betrieb von Turboverdichtern 185 Verdichter in Klaranlagen 185 Drehkolbenverdichter 186 Schraubenverdichter 186

Turboverdichter 187

Stromungstechnisches Verhalten 188 Regelanforderungen in Klaranlagen 189 Regelung von Turboverdichtern 189 Regelung mehrerer Verdichter 192

Wirtschaftlichkeitsvergleich verschiedener Verdichterbauarten 198

Zusammenfassung 199

Hinweise zur Betriebsoptimierung der Beluftung Einleitung 201 Optimierung des Beluftungssystems 202 Allgemeines 202

MaBnahmen zur Verbesserung des Energieverbrauchs Energieanalysen mithilfe von Kennzahlen 202 Beispiel fiir die Anwendung stoffumsatzbezogener Kennzahlen Kennzahlen auf der Basis von Sauerstoffeintragsmessungen MaBnahmen zur Senkung des Energieverbrauchs Optimierung des Reinigungsprozesses mithilfe der Beluftung Allgemeines 207

Regelung der Sauerstoffzufuhr 207

Festwertregelung 207 Sollwertfiiihrung nach Zeitplan 210 0,-Sollwertftihrung mit Storgroi3enaufschaltung 212

Regelungen auf Basis der Beluftung NH4-N- und N03-N-Regelung 213

Regelung der Sauerstoffzufuhr in Abhangigkeit vom Redoxpotenzial

201

202

203 206

206 207

213

213

I IX fnhaltsveneichnis

8.3.3.3 Steuerung / Regelung der Sauerstoffzufuhr mithilfe von Fuzzy-Algorithmen 21 5

8.4 Zusammenfassung 21 8

9 Dosieren in der komrnunalen Abwasserreinigung 221

10 10.1 10.2 10.2.1 10.2.2 10.2.3 10.3 10.3.1 10.3.1.1 10.3.1.2 10.3.2 10.3.3 10.3.4 10.4 10.4.1 10.4.1.1 10.4.2 10.4.2.1 10.4.2.2 10.5 10.5.1 10.5.2 10.5.3 10.5.4 10.5.5

11 11.1 11.2 11.3 11.4 11.4.1 11.4.2 11.4.2.1 11.4.2.2 11.4.2.3 11.4.2.4 11.4.2.5 11.4.2.6

Anforderungen an die Maschinentechnik 229 Allgemeine Arten der Beanspruchung 230 Besonderheiten der Fordermedien 23 I Fluide Fordermedien 23 1

Gasformige Fordermedien 232 Sonstige Fordermedien 232 Hinweise zum Rohrleitungsbau 233 Vergleich verschiedener Werkstoffe 233 Mechanische Kennwerte 233

Thermische Kennwerte 234 Einsatzbereiche 235 Hinweise zu Auslegung und Trassenf&-ung 236 Konstruktive Hinweise 238 Werkstofflcundliche Betrachtungen 238 Metallische Werkstoffe 239 Edelstahl und seine Eigenschafien 239 Kunststoffe 243

Thermoplaste 243 Duroplaste 243 SchweiBtechnische Betrachtungen 244

Allgemeines zu Rohrverbindungen 244 SchweiBtechniken 246 Qualit2tssicherung an SchweiBntihten 246 Nachbehandlung von Schweifnahten 247

Forderungen an die Ausfiihrung von SchweiBarbeiten 248

Die RPumer in der Abwasserreinigung 251 Einleitung 251 Bauarten 251 Venvendungszweck 252 Konstruktive Merkmale 253 Raumerbsiicke 254 Untenvasseraussiistung 255 Sandschildraumer 255 Sandsaugraumer 256 kngsschildraumer 256 kngssaugraumer 256 Rundschildraumer 256 Rundsaugraumer 257

X lnhaltsverzeichnis I 11.4.3 11.4.3.1 11.4.3.2 11.4.3.3 11.5

12

12.1 12.2 12.2.1 12.2.2 12.2.3 12.2.4 12.3

12.3.1 12.3.1.1 12.3.1.2 12.3.1.3

12.3.1.4 12.3.2 12.3.3 12.3.3.1 12.3.3.2 12.3.3.3 12.3.3.4 12.3.3.5 12.3.4 12.3.5 12.3.6 12.4

13 13.1 13.2 13.2.1 13.2.1.1 13.2.1.2 13.2.1.3 13.2.1.4 13.2.1.5 13.2.2 13.2.2.1

Schwimmschlammbeseitigungsausriistung 259 Sandschildraumer/Sandsaugraumer 259 L&gsschildraumer/Eingssaugraumer 259 Rundschildraumer/Rundsaugraumer 260

Zusammenfassung 26 1

Anforderungen an die technische/rnaschinelle Ausrustung von Schlarnrnbehandlungsanlagen 263 Einleitung 263 Allgemeine Anforderungen 265 Generelles 265 Emissions- und immissionsorientierte Anfordemngen 265 Betriebsorientierte Anforderungen 267

Kostenorientierte Anforderungen 268

Fallbeispiele zu Anforderungen und Losungen bei technischen Ausriistungen der Schlammbehandlung 270 Rohschlammbehandlung 270 Allgemeines 270 Primarschlammabzug und -eindickung 270 Abzug von Uberschussschlamm und maschinelle Uberschussschlammvoreindickung 272 Anforderungen an Pumpen, Armaturen und Rohrleitungen Aerobe Schlammstabilisierung 275 Anaerobe Schlammstabilisierung (Faulung) 276 Allgemeines 276 Beschickung 277 Fadbehater-Heizung 277 Durchmischung (Umwdzung) des Faulbehalters 278 Sonstige Betriebssysteme bzw. Ausriistungen fur die Faulung Faulgasbehandlung und Faulgasvenvertung 280

Nacheindickung 281 Schlammentwasserung 281

Zusammenfassung 284

273

279

Korrosion und VerschleiK 287 Begriffsbestimmung 287 Korrosion 287 Grundlagen der Korrosion von Metallen in wassrigen Losungen Grenzflachenreaktionen 287

Spannungsreihe der Metalle 289 Elektrochemische Elemente 289 Saure- und Sauerstoffkorrosion 290 Passivitat 291 Erscheinungsformen der Korrosion 292

Korrosionsformen ohne mechanische Beanspruchung 292

287

I In haltsverzeichnis

13.2.2.2 13.3 13.3.1 13.3.2 13.3.3 13.3.3.1 13.3.3.2 13.3.3.3 13.3.4 13.3.5 13.4 13.4.1 13.4.2 13.4.2.1 13.4.2.2

14 14.1 14.1.1 14.1.1.1 14.1.1.2 14.1.1.3 14.2 14.3

14.4 14.4.1 14.4.2 14.5 14.6 14.7 14.8 14.9

15 15.1 15.2 15.2.1 15.2.2 15.2.3 15.3 15.4 15.4.1 15.4.2 15.4.2.1

Korrosionsformen mit mechanischer Beanspruchung 298 Maanahmen zum Korrosionsschutz 301 Mediumseitige Maanahmen 301 Konstruktive Maanahmen 302 Schutz durch Uberzuge 302 Organische Beschichtungen 302 Metallische Beschichtungen 302 Anorganische, nichtmetallische Beschichtungen 303 Korrosionsbesandige Werkstoffe 303 bthodischer Schutz 304 Verschleig 305 GleitverschleiB 305 Hydroabrasiver Verschleia 306 Abhangigkeit von den einwirkenden Grogen 306 Abhangigkeit vom Werkstoff 308

Explosionsschutz in abwassertechnischen Anlagen 309 Explosion 309 Explosionsfahige Atmosphare 3 10 Vorliegen einer gefahrdrohenden Menge 310 Vermeiden von Ziindquellen 3 1 1 Zundtemperatur 313 Ziindschutzmagnahmen 314 Pflicht zur Beurteilung von Explosionsgefahren und zur Anwendung von Explosionsschutz-Maanahmen 314 Neue Verordnung zum Explosionsschutz 3 1 G Nationale Umsetzung der Richtlinie in Deutschland 318

Zertifizierung und Kennzeichnung 319 Begriffsbestimmungen 319 Kriterien fur die Auswahl und den Einsatz von Betriebsmitteln 320 Beurteilung der Explosionsgefahren in abwassertechnischen Anlagen 320 Organisation des betrieblichen Arbeitsschutzes 321 Beispiel fur den Aufbau eines Explosionsschutzdokuments 322

Mess- und Regelungstechnik der Cesarntanlage 325 Einleitung 325 Kanalisation und Regenwasserbehandlung 325 Pumpwerke 326 Regenentlastungsbauwerke 327 Datenauslesen und Datenfemubertragung 329 Klaranlagenzulauf und mechanische Vorreinigung 330 Biologische Abwasserbehandlung 333 Vorklarbecken 333 Biologische Abwasserreinigung 334 Biologische Stickstoffelimination 334

XI1 Inhaltsuerzeichnis I 15.4.2.2 15.4.3 15.4.4 15.4.4.1 15.4.4.2 15.4.4.3 15.4.4.4 15.4.4.5 15.4.4.6 15.5 15.5.1 15.5.2 15.5.3 15.5.4 15.5.4.1

15.5.4.2 15.6

16 16.1 16.2 16.2.1 16.2.2 16.2.2.1

16.2.2.2 16.2.2.3 16.2.2.4 16.3 16.4 16.5 16.6

Phosphorelimination 335

Verfahren 336

MSR-Strategie 337

Nitrifikation 337

Denitrifikation 337

Phosphor-Elimination 338

Intermittierende sowie alternierende NitrifikationlDenitrifikation 338

Steuerung der Rucklaufschlammmenge 339

Uberschussschlammabzug 339

Schlammbehandlung 341

Eindicker, Stapelbehalter 341

Fadturm 342

Gasbehalter 342

Schlammentwasserung 343

Prozessoptimierung bei der Schlammentwasserung und deren Einsparpotentiale 343

Messmethoden zur Bestimmung des TS-Gehaltes von Schlammen 3 4

Chemikalienstation 345

Regelantriebe 347

Einleitung 347

Ubersicht der Varianten an Regelantrieben Mechanische Regelantriebe 349 Elektrische-/elektronische Regelantriebe 350

Schleifringlaufermotoren mit untersynchroner Stromrichterkaskade (USK) oder Widerstandsschaltung 350 Gleichstrommotoren mit Stromrichter 350

Drehstrom-Asynchronmotoren mit Frequenzumrichter 351

Servomotoren rnit Frequenzumrichter 352

Drehstrom-Asynchronmotoren 352 Geregelter Drehstrom-Asynchronmotor mit Frequenzumrichter 356 Ausblick 360

Projektierung/Anwendungsbeispiel 361

348

Index 365

VOMlOrt

Mit dem Buch Maschinentahnik in abwassertechnischm Vefahren und Anlagen werden sowohl Planern, Genehmigungsbehorden und Betreibern von Klaranlagen als auch Herstellern von Komponenten fi.ir Khanlagen grundlegende Hinweise zum Ver- sundnis der Einflusse auf die Verfiigbarkeit (Betriebssicherheit) und die Wirtschaft- lichkeit des Gesamtsystems von Abwasserreinigung und Schlammbehandlung gege- ben.

Kapital- und Betriebskosten (Energie- und Instandhaltungskosten) der technischen Ausriistung von Klaranlagen entstehen in erster Linie aus der Notwendigkeit und dem Zusammenwirken seiner maschinen- und verfahrenstechnischen Komponenten und den Kosten fur deren Verfugbarkeit. Das gro%e Ziel der Senkung von Kapital- und Betriebskosten bei gleicher oder hoherer Verfiigbarkeit einer Klaranlage kann nur unter Beriicksichtigung aller Komponenten erfolgen, indem die unterschiedlichen technischen Liisungen der Aufgaben unter Beachtung der Kosten und Betriebssicher- heit diskutiert werden. Dam gehort selbstversthdlich auch die Gesamtoptimierung der bautechnischen und ausriistungstechnischen Bestandteile in ihrem Zusammen- spiel uber dem Nutzungszeitraum der Anlage hinsichtlich der gewiinschten Reini- gungsleistung sowie der resultierenden Kosten.

Ausgehend von einer Darstellung der Prozesse in Anlagen zur Abwasserreinigung und Klarschlammbehandlung, in der ein Uberblick uber die Behandlungsziele und die in kommunalen Klaranlagen ublichenveise angewandten verfahrenstechnischen Vorgange gegeben wird, stellen weitere 16 Autoren in Einzelbeitragen die Maschinen- technik dieser Verfahren und Anlagen dar, wobei die Aneinanderreihung dem ver- fahrenstechnischen Prozess durch die Klaranlage folgt.

Die Herausgeber

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I’

1 Prozesse in Anlagen zur Abwasserreinigung und KlPrschlammbehandlung

Ciinther Riegler und Kainan Seiler

1.1 Einfiihrung

Anlagen zur Abwasserreinigung und Klarschlammbehandlung werden auch Klaran- lagen oder Klarwerke genannt. Sie sind das letzte Glied der kommunalen Entwasse- rungsanlagen und stellen sicher, dass das gereinigte Abwasser mit der gewiinschten Quditat in die Gewasser eingeleitet wird. Die einzuhaltenden Qualiatsanforderungen resultieren aus der Umweltgesetzgebung bzw. aus besonderen ortlichen Anforderun- gen [3, 41.

In den Klaranlagen unterscheidet man in der Regel die Anlagenteile zur Abwasser- reinigung von denen der Klarschlammbehandlung. Die Abwasserreinigung uber- nimmt dabei die Aufgabe, das zuflieBende Abwasser gemag den gesetzlichen Vorga- ben zu reinigen. Die Klarschlammbehandlung wird mit dem Ziel betrieben, den an- fallenden Schlamm qualitativ so zu verandern und mengenmagig so zu reduzieren, dass er schadlos und zu vertretbaren Kosten entsorgt werden kann. In beiden Berei- chen werden die ablaufenden Vorgange in den letzten Jahren durch einen versarkten Einsatz maschineller Technik, unterstiitzt durch immer besser am Bedarf orientierte Steuerungen, optimiert.

In dieser Einfiihrung wird ein einfacher aberbhck iiber die Behandlungsziele und die in kommunalen Klaranlagen ublicherweise angewendeten verfahrenstechnischen Vorgange prasentiert (Abb. 1.1).

Auf naturnah gestaltete Abwasserreinigungsverfahren, deren Einsatz wegen ihres groBen spezifischen Flichenbedarfs meist auf kleinere AnschlussgroBen beschrankt ist, wird hier nicht eingegangen.

2 I Prozesse in Anlagen zur Abwasserreinigung und Kliinchlammbehandlung

Rechen Lang- Vorklilrung Belebungs- Nachklarung ggf weitere pumpwerk sandfang becken Behandlung

I Zulauf -

;1 F c 0

d

Abb. 1.1 Funktionsprinzip einer kommunalen Klaranlage

1.2 Abwasserhebung im Zulaufpumpwerk

1.2.1 Allgerneines

Die Abwasser aus Siedlungsgebieten gelangen iiber Misch- oder Trennkanalisationen zu den Klaranlagen. Dabei werden bevorzugt Freigefallekanale eingesetzt. Daher liegen die Kanale im Bereich des Klaranlagenstandortes i. d. R. einige Meter tief unter dem Niveau des Gelandes. Damit Klaranlagen kostengiinstig gebaut und betrieben werden konnen, wird das Abwasser im Allgemeinen auf eine Hohe iiber dem Niveau des Anlagengelandes angehoben. Nach der Zulaufhebung wird angestrebt, den Durchfluss durch alle nachfolgenden Bauwerke der Anlage im freien Gefalle zu realisieren.

Die notwendige Forderhohe ergibt sich aus der Differenz zwischen der erforderli- chen Hohenlage am Auslauf aus der Klaranlage plus dem erforderlichen Hohenver- lust zum DurchflieBen der Anlage und der Tiefenlage des ankommenden Abwasser- kanals. Geodatische Forderhohen von bis zu 7 m sind durchaus iiblich. Gelegentlich sind sie jedoch auch hoher. In seltenen Fallen kann auf Grund der bestehenden giin- stigen Topographie auf Zulaufhebewerke verzichtet werden.

Die Hebung des Rohabwassers wird durch Pumpwerke realisiert, in denen meist Kreisel- oder Schneckenpumpen eingesetzt werden. Oft fungieren die Pumpen des Zulaufhebewerkes nicht nur als Forderaggregat, sondern sie iibernehmen gleichzei- tig die Funktion der Drosselung des Zuflusses zur Klaranlage bei groBeren Regen- wetterzufliissen. Dies ist erforderlich, um die hydraulischen Durchsatze durch die Abwasserreinigungsanlage i. d. R. auf etwa das Doppelte des Spitzenzuflusses bei Trockenwetter zu begrenzen. Dariiber hinaus gehende Abwassermengen miissen in Regenwasserbehandlungsanlagen bewirtschaftet bzw. entlastet werden.

Wegen der durch den Lebensrhythmus im Einzugsgebiet gepragten Ganglinie des Abwasserzuflusses (Abb. 1.2) sowie der gelegentlichen Regenwasserzufliisse miissen Abwasserpumpwerke stark schwankende Fordermengen bewatigen. So kann es durchaus sein, dass nachts bei Trockenwetter nur wenige Prozente des Spitzenzuflus- ses bei Regenwetterereignissen anfallen und zu heben sind. Ein diskontinuierliches Fordern nach dem Ansammeln in einem Punpensumpf wird nur bei sehr kleinen Klaranlagen hingenommen, bei denen oft aus Griinden der Betriebssicherheit zu gro- Ue Pumpen gew&lt werden miissen, urn Betriebsstorungen durch Verstopfung 0. a. zu vermeiden. Die in solchen Fdlen sehr geringen Abwasserzufliisse konnen dem- nach nicht kontinuierlich weggefordert werden. Bei grogeren Anlagen (iiber etwa 5000 Einwohnerwerte) ist eine kontinuierliche Beschickung der Anlage anzustreben.

Bei der Auswahl und Planung von Zulaufhebewerken ist des Weiteren zu beachten, dass das Fordermedium aus Abwasser besteht, das sich durch die Anwesenheit grob- er, zu Verstopfungen neigender Verunreinigungen auszeichnet. Es handelt sich hier- bei um Inhaltsstoffe wie Textilien, Hygieneartikel, Steine, Sande (je nach Art des Ein- zugsgebietes und der dortigen Bautiitigkeit) , absetzbare Inhaltsstoffe, die zur Sedi- mentation und Ablagerung neigen, sowie andere storende Gegensande (Bauholz, Werkzeug, Schrauben u. a.).

Die Forderaggregate miissen daher neben einer extrem weiten AnpassungsGhig- keit an die durchzusetzenden Volumenstrome eine ausreichende Robustheit aufwei- sen, damit sie trotz der oben angegebenen Inhaltsstoffe einen betreuungsarmen Be- trieb ermoglichen.

Abwasserpumpwerke sind so zu bemessen, dass bei Beriicksichtigung ausreichen- der Forderreserve die gleiche Sicherheit erreicht wird, wie bei einer Ableitung im freien Gefalle. Dies kann an elektrisch unsicher versorgten Standorten auch bedeu- ten, dass ein Antrieb iiber Verbrennungsmotoren vorgesehen wird.

.........................

01.01.2000 01.03.2000 30.04.2000 29.06.2000 28.08.2000 27.10.2000 26.12.2000

Datum

Abb. 1.2 Abwasserzufluss zu einer komrnunalen Klaranlage (ca. 40000 EW)

4 7 Prozesse in Anlagen zur Abwasserreinigung und KIarschlammbehandlung

Obwohl die aufzubringenden Energiekosten fur die Abwasserforderung an den Ge- samtenergiekosten der Klaranlagen einen nur marginalen Anteil einnehmen, ist aus Griinden der Nachhaltigkeit bei der Pumpenauswahl ein moglichst guter Wirkungs- grad anzustreben. Wegen der Forderung nach einer Eignung fur Abwasser sind bei Rohabwasserpumpwerken allerdings oft Kompromisse einzugehen.

Generell wird bei Pumpwerken ein automatischer, storungsarmer und gefahrloser Betrieb mit minimalem Aufwand an Wartungsarbeiten gefordert.

Zur Standardausriistung von Pumpwerken gehoren Pegelmesseinrichtungen auf der Zulaufseite fur die Steuerung des Forderaggregates.

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1.2.2 Kreiselpumpen

Als kostengiinstige Variante werden in Zulaufhebewerken oft nicht selbstansaugende Kreiselpumpen eingesetzt.

Diese konnen unter der Hinnahme unhygienischer, Eke1 erregender und zum Teil gefahrlicher Wartungsarbeiten mit geringen Investitionskosten als vertikal montierte Tauchmotorpumpen in Nassaufstellung (explosionsgeschutzt) realisiert werden. Bei Wertschatzung komfortablerer Arbeitsbedingungen fur das Personal werden die Pumpwerke jedoch so ausgefiihrt, dass die Pumpen trocken in einem vom Pumpen- sumpf getrennten Betriebsraum stehen. Dabei sind horizontale (ggf. mit aufgesattel- tem Motor) und vertikale Aufstellungsvarianten moglich.

Zur Sicherheit gegen Verstopfing wird ein freier Kugeldurchgang von mindestens 100 mm fur die Fordereinrichtung und die Druckleitung empfohlen. Bei gewiinsch- ten geringeren Durchgangsmagen konnen Pumpen mit Zerkleinerungseinrichtun- gen gewahlt werden.

Um sich dem schwankenden Zufluss anpassen zu konnen, werden haufig Fre- quenzumrichter venvendet, welche eine Drehzahlregelung und damit eine Regulie- rung des Fordervolumenstromes ermoglichen. Die dabei verstarkt auftretenden War- meverluste sind bei der Festlegung der erforderlichen Leistungsreserve des Antriebs- motors zu beachten.

Zur Feststellung der Druckhohe an der Pumpe werden Rohrfedermanometer rnit Reinwasservorlagen gewahlt oder auch elektrische Druckaufnehmer an die Drucklei- tung angeflanscht. Durchflusse werden dabei standardmagig mit Magnetisch-Induk- tiven Durchflussmessern (MID) beriihrungslos aufgezeichnet.

1.2.3 Abwassedbrderschnecken

Obwohl sie in der Investition deutlich teurer sind als Kreiselpumpwerke, sind Schnek- kenpumpen wegen ihrer stufenlosen selbstregulierenden Fordercharakteristik mit gleichbleibend gutem Wirkungsgrad zwischen 25 und 100 % der maximalen Forder- menge immer noch sehr beliebt. Sie zeichnen sich augerdem aus durch einen gerin-

1 5 1.3 Abwasserreinigung

gen Wartungsbedarf aufgrund der Unempfindlichkeit gegeniiber den im Zulauf zur Anlage enthaltenen Abwasserinhaltstoffen. Die Forderung erfolgt drucklos in meist offenen Fordertrogen nach dem seit iiber 2000 Jahren bekannten Prinzip der Archi- medes-Schraube.

Der Einsatz von Forderschnecken ist jedoch auf geodatische Forderhohen von unter 6 m beschrankt, um die Verformungen der Stahlschnecken zu begrenzen. Wegen des auf meist unter 38" begrenzten Anstellwinkels der Forderrinne mit der ein- bis drei- gangigen Schnecke wird das Gesamtbauwerke mit dem Zulaufsumpf und dem h u m zur Unterbringung der Antriebe sowie Schaltanlagen relativ grog und teuer.

Die Messung der Forderleistung erfolgt oft hinter den Schneckenpumpwerken in offenen Venturi-Messrinnen.

1.3 Abwasserreinigung

Die Abwasserreinigung erfolgt in hintereinander geschalteten Anlagen, in welchen vom Groben zum Feinen fortschreitend dem Abwasser die unenviinschten Inhalts- stoffe entzogen werden. Die einzelnen Anlagen werden der mechanischen, der bio- logischen und der weitergehenden Abwasserreinigung zugeordnet.

1.3.1 Mechanische Abwasserreinigung

Die mechanische Abwasserreinigung (auch primare Reinigung genannt) umfasst tra- ditionell die Verfahren

Rechen Sand- und Fettfang Sedimentation in der Vorklarung

In diesen Anlagenteilen werden Grobstoffe, Sande und Fette sowie absetzbare Inhalts- stoffe aus dem Abwasser entfernt.

1.3.1.1 Rechenanlagen In Rechenanlagen werden die groben Verunreinigungen mechanisch aus dem Ab- wasser entnommen. Dabei durchflieBt das Abwasser einen meist senkrecht angeord- neten Gitterrost, an dem die Grobstoffe hangen bleiben. Vom Rost werden die Ver- unreinigungen automatisch maschinell entnommen. Vom lichten Mag des Stabab- standes bzw. der Durchgangsoffnung hangt es ab, bis zu welcher GroBe Grobstoffe entfernt werden konnen. In den letzten Jahren ist ein Trend zu einer immer umfas- senderen Entnahme feinerer Stoffe zu erkennen. Warend noch in den 70er Jahren Rechenanlagen mit einem Stababstand von 20 mm iiblich waren, sind heute Durch- gangsweiten von 5 - 7 mm an der Tagesordnung.

6 7 Prozesse in Anlagen zur Abwasserreinigung und KIiirschlammbehandlung

Eine umfangreiche Rechengutentnahme verringert in den nachfolgenden Schritten der Abwasserreinigung und Schlammbehandlung die lastige Zopfiildung durch Zu- sammenspinnen von Faserbestandteilen, erhoht jedoch den Anfall an Rechengut. Zur Vermeidung grogerer Entsorgungskosten wird daher immer grogeres Augenmerk darauf gelegt, das entnommene Rechengut von den f&l-organischen Bestandteilen durch Waschen zu befreien und es zu entwassern.

Wegen des vom entnommenen Rechengut ausgehenden hygienischen Gefahr- dungspotenzials ist bei der Ausstattung von Rechenanlagen vor allem darauf zu ach- ten, dass eine storungsarme und mit minimaler personeller Betreuung auskom- mende Technik zurn Einsatz kommt. Die Rechengutentnahme, -wasche und -entwas- serung ist selbstverstandlich vollstandig zu automatisieren.

Die groge Bedeutung reibungslos funktionierender Rechenanlagen wird vom Be- triebspersonal von Klaranlagen immer wieder hervorgehoben.

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1.3.1.2 Sand- und Fettfang Im Sand- und Fettfang wird im Anschluss an die Entnahme der Grobstoffe im Rechen die moglichst komplette Abscheidung von Sand und Fett angestrebt. Hierdurch wer- den nachfolgende Pumpen geschutzt und Sandablagerungen in Becken oder Behal- tern vermieden. Bei Klaranlagengrogen mit uber ca. 5000 Einwohnenverten hat sich dazu die Technik des belufteten Langsandfangs, sehr haufig erganzt durch eine langs- seits angeordnete Fettkammer, bewtihrt. Eine gegenuber dem Fettfang installierte Beluftungseinrichtung gewahrleistet durch eine Spiralstromung im Sandabscheide- raum die Mindeststromungsgeschwindigkeit, welche das unenviinschte iibermagige Sedimentieren von organischen Schlammbestandteilen verhindert. Die Entnahme des in der Bodenrinne des Sandfangraumes abgelagerten Sandes erfolgt in der Regel entweder mit einem Schild- oder Saugraumer. Durch den haufig bei kleineren An- lagen gewahlten Schildraumer wird der Sand in den Sandentnahmetrichter gescho- ben und von dort entweder mit einem Druckluftheber (Mammutpumpe) oder einer speziell fur diesen Forderzweck konstruierten Sandforderpumpe in den Sandklassie- rer oder -wascher gefordert. Im Gegensatz dazu entnimmt der Saugraumer den Sand wfirend der Bestreichung der Sandrinne direkt von der Stelle seiner Lagerung. Dies erfolgt entweder mit einer Sandpumpe oder mittels eines Hebers. Im Regelfall wird der Sand dabei in eine langs zum Sandfang liegende Sandrinne gefordert, in der das gehobene Sand-Wasser-Gemisch der Sandbehandlung zufliegt. Friiher wurden hau- fig Sandbehandlungsanlagen auf den Raumeinrichtungen befestigt. Aus Griinden der Frostgefahr und der bei dieser Ausfuhrung unnotig schweren Gestaltung des Rau- menvagens wird dies heute kaum noch angeboten.

Die Sandbehandlung verfolgt das Ziel der Abtrennung ubermagiger organischer Verschmutzung (Sandklassierer, -wascher). Wird die Forderung nach einem mini- mierten Restgehalt an organischen Bestandteilen von unter 5 % oder gar weniger ge- stellt, so ist eine Sandwasche zu wahlen. Diese ermoglicht es, den Sand so sauber zu waschen, dass er trotz gestiegener Anforderungen 111 auf Deponien abgelagert oder sogar wiedervenvertet werden kann.

1 7 1.3 Abwasseninigung

Die in der Fettfangkammer aufgeschwommenen Schwimmstoffe werden i. d. R. mit einem Schwirnmschlammraumschild in einen Fettschacht geschoben und von dort moglichst wasserfrei der Schlammbehandlung zugefiihrt. Bevorzugt wird die direkte Zugabe in die Faulung. Bei Klaranlagen ohne Faulung muss das Fett als Abfall entsorgt werden.

1.3.1.3 Vorkkirung In der Vorklarung sedimentieren die absetzbaren, tiberwiegend organischen Abwas- serbestandteile und werden als Primarschlamm (auch Vorklarschlamm) aus der Ab- wasserbehandlung entfemt. Meist erfolgt die Schlammentnahme mit Hilfe eines Schildraumers, der die flache Sohle der Vorklarung bestreicht und den Schlamm in die in der Regel zuflussseitig angeordneten Schlammtrichter befordert.

Die Entnahme des Primarschlammes aus den Trichtem erfolgt normalerweise iiber eine baulich realisierte Hohendifferenz zwischen den Wasserspiegeln im Becken und dem Schlammablassschacht. Wegen der meist sehr guten Eindickbarkeit des Vorklar- schlammes ist auf Vorkehrungen zur Spiilung der Entnahmevorrichtungen zu ach- ten, um Verstopfungen vorzubeugen.

Das mechanisch geklarte Abwasser verlasst die Vorklarung nach Passieren einer Tauchwand, welche Reste von Schwimmstoffen von der nachfolgenden Biologie femhalten soll. Schwimmstoffe sind durch automatisch arbeitende Entnahmevor- richtungen von der Wasserspiegeloberflache zu entnehmen. Ihre Weiterbehandlung bzw. Entsorgung kann zusammen mit den Schwimmstoffen aus dem Fettfang erfolgen.

1.3.2 Biologische und weitergehende Abwasserbehandlung

In der biologischen Reinigung erfolgt iiber die rein mechanische Abwasserreinigung hinausgehend eine Entfemung der noch enthaltenen organischen Kohlenstoffierbin- dungen durch Mikroorganismen in Bioreaktoren. Gegebenenfalls konnen in einer weitergehenden Abwasserbehandlung die Ntihrstoffe Stickstoff und Phosphor eben- falls umgewandelt und aus dem Abwasser entfemt werden.

In den Bioreaktoren konnen die Mikroorganismen entweder suspendiert im Ab- wasser vorhanden sein (Belebtschlamm- oder Belebungsverfahren) oder auf Auf- wuchskorpem fuciert vorgehalten werden (z. B. Tropfkorper). Da sich als biologischer Reaktor in den meisten Fdlen der Suspensionsreaktor "Belebungsbecken" (gegen- iiber dem Festbettreaktor ,Tropfkijrper" oder "Tauchkorper") durchgesetzt hat, wird im Weiteren ausschliefilich auf die biologische Reinigungsstufe nach dem Be- lebungsverfahren eingegangen.

8 7 Prozesse in Anlagen zur Abwasserreinigung und Klarschlammbehandlung

1.3.2.1 BelebungsverFdhren Das Belebungsverfahren besteht im Wesentlichen aus zwei Komponenten (Abb. 1.3):

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1. dem Belebungsbecken, in dem der Abbau bzw. die Umwandlung der Schmutzstof- fe erfolgt und das ausgestattet ist mit der Beluftungs- und Umwalzeinrichtung zur Deckung des Sauerstoffbedarfs der Mikroorganismen und Optimierung des Stoff- umsatzes sowie

2. dem Nachklarbecken, in dem die Mikroorganismenmasse durch Absetzen vom gereinigten Abwasser getrennt und anschliegend zur Aufrechterhaltung der Be- lebtschlammkonzentration in das Belebungsbecken zuriickgefihrt wird (Ruck- laufschlamm).

Der Belebtschlamm besteht aus Flocken zusammengeballter Mikroorganismenkolo- nien, welche sich infolge Schwerkrafteinwirkung im hydraulisch ruhigen Milieu der Nachklarung absetzen lassen.

Belebungsbecken Moderne, weitergehend biologisch arbeitende Anlagen zur Abwasserreinigung mit Nahrstoffelimination weisen entweder Belebungsbeckenteilvolumen oder Betriebs- phasen auf, in denen im turbulenten Milieu entweder eine kiinstliche Beluftung zum Zweck des Sauerstoffeintrages erfolgt oder bewusst ohne Sauerstoffeintrag nur eine Umwalzung sicherzustellen ist. Als klassische Verfahren kommen beispiels- weise zur Stickstoffentfernung Anlagen mit ,,vorgeschalteter", ,,simultaner" oder ,,al- ternierender" Stickstoffelimination zum Einsatz. Im sog. Nitrifikationsmilieu muss durch die Beliiftungseinrichtungen ausreichend Sauerstoff angeboten werden, so- dass die mikrobielle Oxidation des Ammonium-Stickstoffes moglichst weitgehend und schnell erfolgt. Zur Denitrifikation (N-Entfernungsprozess) muss dagegen das Milieu im Abwasser anoxisch sein, d. h. es darf kein geloster Sauerstoff gegenwartig sein, damit der im gelosten Nitrat enthaltene Sauerstoff von den Mikroorganismen

VORGESCHALTETE DENTRFKATW UND B0-P

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Abb. 1.3 Belebungsanlage mit vorgeschalteter Denitrifikation und biologischer Phosphoreliminierung

1 9 7.3 Abwasserreinigung

herangezogen wird. Dabei ist zur Vermeidung von Sedimentationsvorgangen, jedoch auch wegen der gewiinschten hohen Umsatzraten der Inhalt des Belebungsbeckens umzuwalzen.

Die Entfemung des Phosphors kann durch die biologische Phosphorelimination oder traditionell mit Hilfe der chemischen Falung erfolgen. Der biologische Weg lauft ab, wenn die Biomasse zeitweilig anaeroben Umweltbedingungen ausgesetzt wird, also weder Sauerstoff noch Nitrat zugegen sind. Diese f3r einen an sich aeroben Schlamm kritischen Milieubedingungen induzieren die verstarkte Aufnahme von Phosphat in die Biomasse und ermoglichen somit die Fixierung von Phosphor im Uberschussschlamm.

Wahrend die biologische Phosphorelimination noch nicht gezielt durchgefiihrt wer- den kann, ist es mit Hilfe der chemischen Phosphorfallung moglich, die festgelegten Ablaufwerte sicher durch eine Beeinflussung der Dosiermengen an Metallsalzen zu unterschreiten.

Sauerstofbersorgung Der Sauerstoffversorgung des belebten Schlammes kommt im Reinigungsprozess eine herausragende Bedeutung zu. Die Oxidation von organischen Verbindungen (biochemischer Abbau) sowie des Stickstoffes zur Minimierung des Ammoniumge- haltes im Ablauf der Abwasserreinigung sind die primaren Prozessziele. Wegen des grogen Bedarfs an Energie zur Sauerstoffversorgung des belebten Schlammes im Belebungsbecken ist die technische Optimierung der Beluftungseinrichtungen eine herausragende Aufgabenstellung. Einerseits ist es aus Griinden des gewiinsch- ten Energiesparens wichtig, unnotig hohe Sauerstoffgehalte im Becken zu vermeiden, andererseits sind Mindestgehalte an gelostem Sauerstoff (ca. 1 - 1,s mg O,/L) erfor- derlich, um die Reinigungsprozesse optimal ablaufen zu lassen. Erfahrungsgemag sind etwa 213 bis 314 des Verbrauchs an elektrischer Energie auf einer Klaranlage der Beliiftungsanlage zuzuordnen. Dies hebt die groge Bedeutung einer gut regulier- baren Beliiftungsardage hervor. Um in Schwachlastzeiten eine unnotige Energiever- schwendung zu vermeiden, muss die Sauerstoffeintragsleistung der Beluftungsanla- ge in weiten Bereichen regelbar sein. Denn wegen der erheblichen Belastungsschwan- kungen der Abwasserreinigungsardagen durch die Lebens- und Produktionsgewohn- heiten im Einzugsgebiet sowie moglicher Belastungsspitzen bei Starkregenereignis- sen ist mit Sauerstoflbedarfsschwankungen bis 1 zu 10 und ggf. sogar noch hoher zu rechnen. Eine Vorhaltung von angemessenen Sicherheitsresemen ist wegen der zen- tralen Bedeutung der Sauerstoffversorgung zu berticksichtigen.

Erfkrderliche UmwPlzung Zur Gewahrleistung optimaler Reinigungsablaufe sind je nach verfahrenstechnischer Konzeption die betrieblichen Ziele "ausreichende Turbulenz" und ,technisch opti- mierter Sauerstoffeintrag" zu unterschiedlichen Zeiten oder an verschiedenen Orten in der Belebung zu realisieren.

Der gewiinschten Mindestturbulenz kommt eine groge Bedeutung zu, um sicher zu sein. dass auch samtliche im Becken vorhandene Biomasse aktiv am Stoffwech-

10 7 Prozesse in Anlagen zur Abwasserreinigung und Klijrxhlammbehandlung

selprozess beteiligt ist und Ablagerungen auf der Belebungsbeckensohle und in den Ecken vermieden werden.

An Umwalzaggregaten unterscheidet man vom Prinzip her Stromungserzeuger mit horizontaler und vertikaler Antriebswelle. W&rend in Umlaufbecken bevorzugt Pro- pellernihrer mit horizontaler Welle zum Einsatz kommen, werden bei Becken, die eher einem Riihrkessel entsprechen, sowohl Riihrer mit vertikaler als auch horizon- taler Welle eingesetzt.

Die erforderliche Energiedichte, welche die Sedimentation von Belebtschlamm im biologischen Reaktor verhindert, kann nicht generell festgelegt werden. In der Regel liegen Praxiswerte bei bis zu 3-5 W/m3. Eine Auslegung erfolgt auf der Grundlage von Hersteller-Know-how, welche die speziellen Bedingungen wie Beckenform und Schlammgehalt beriicksichtigen.

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Rikklaufjchlammpumpwerk Zur Bereitstellung einer moglichst hohen Biomassenkonzentration in der Belebung ist, wie eingangs schon aufgezeigt, die Ruckforderung des sedimentierten Schlammes aus der Nachklarung in die Belebung erforderlich. Dieser Rucklaufschlammvolumen- strom gewahrleistet das eigentliche Reinigungspotenzial der Belebungsanlagen, nam- lich die aktive Biomasse. Die Riicklaufschlammpumpwerke fordern den aus den Nachklarbecken entnommenen Belebtschlamm mit Kreiselpumpen in den Zulauf zu den Belebungsbecken zuriick. Hierbei sind im Normalfall allerdings nur geringe geodatische Forderhohen von ca. 0,s -2 m zu ubenvinden. Die Volumenstrome, die diese Pumpwerke zu fordem haben, liegen etwa in der gleichen Grogenordnung wie die der Abwasserreinigungsanlage zufliei3enden Abwassermengen. Somit ist auch bei diesen Aggregaten auf eine ausreichend gute Anpassungsmoglichkeit an die schwan- kenden Durchsatzmengen zu achten. Hierzu wird heute oft die Drehzahlregelung durch Frequenzumrichter bevorzugt. Die Vorhaltung eines Reserveaggregates ist bei Rucklaufschlammpumpwerken mit weniger als drei Pumpen erforderlich. Zur Schonung des belebten Schlammes gegen Flockenzerstorung werden Kreiselpum- pen gewahlt, die bevorzugt mit niedrigen Drehzahlen arbeiten. Fur die Nutzung hoher Wirkungsgrade konnen hier Mehrkanalradkreiselpumpen gewahlt werden, wenn Feinrechen im Anlagenzulauf ausreichend Schutz vor Grob- und Spinnstoffen bieten.

Rezirkulationspumpwerke Eine andere besondere Art der Pumpwerke in Verbindung mit der weitergehenden biologischen Abwasserreinigung mit Stickstoffelimination sind die bei vorgeschalte- ten Denitrifikationsanlagen notwendigen Rezirkulationspumpwerke, die das nitra- thaltige Schlamm-Wasser-Gemisch vom Ablaufbereich der Belebungsbecken wieder zuriick in den Denitrifikationsbereich fordem. Diese Pumpwerke mussen zur Ge- wahrleistung einer ausreichend niedrigen Konzentration an Nitrat im Ablauf der Ab- wasserreinigung relativ hohe Rezirkulations- oder Ruckfiihrraten realisieren. Oft sind Ruckfiihrungen von 100- 300 % der Zulaufivassermenge erforderlich. In seltenen Fallen konnen die Kreislaufivasserstrome sogar noch hoher liegen. Eine besondere

I " 1.3 Abwasseneinigung

Eigenart dieser Rezirkdationspumpwerke sind die aderordentlich geringen Forder- hohen von meist nur wenigen Dezimetern. Deshalb haben sich bei dieser Aufgaben- stellung insbesondere Propellerpumpen bewhrt. Auch bei den Rezirkdationspump- werken ist es wichtig, eine gute Abstufung der installierten Leistung zu realisieren, wenn je nach Denitrifhtionsumfang und schwankendem Bedarf an nitrathaltigem Abwasser-Belebtschlamm-Gemisch die Denitrifhtion optimiert werden soll. Eine geeignete Anpassung kann bei kleineren Anlagen jedoch auch mit einer diskontinu- ierlichen Rezirkdation (bedarfsabhangig mit einer Arbeitszeit-Pausen-Steuerung) er- folgen.

Phosphorelimination Die Elimination von Phosphor aus dem Abwasser erfolgt meist nach dem traditionel- len Verfahren der Fallung mit Metallsalzen. Hierzu wird Eisensalz (bei ausreichend hoher Saurekapazit2t) oder Aluminat in flussiger Form in das Abwasser dosiert. Nach einer meist sehr schnell erfolgten Reaktion mit dem Phosphat kann der Metall-Phos- phatkomplex in Form einer Schlammflocke vom Abwasser abgetrennt werden.

In den meisten Anlagen erfolgt diese Fallung simultan im Belebungsbecken und der gefallte Phosphor wird dabei mit dem Uberschussschlamm entfernt (Simultan- allung). Die Verfahren der Vorfallung (FUung vor der Vorklarung und Entnahme mit dem Primarschlamm), sowie die klassische Variante der Nachfallung (in einer eigens zu diesem Zweck errichteten Sedimentationsstufe fur den Fallungs- schlamm) entsprechen nicht den aktuellen Bedidkissen an die Abwasserreini- gung. Die Vorfdlung birgt den Nachteil einer unvermeidlich zu weitgehenden Elimi- nation organischer Kohlenstoffe vor der spateren Denitrifikation, was zum Bedarf einer externen Dosierung von organischen Kohlenstofierbindungen fiihren kann. Im Vergleich zu einer leistungsstarken Flockungsfdtration (s. Abschnitt 1.3.2.2) schneidet eine eigenstkdige Nachfaung mit F3lungsschlammsedimentation we- gen des dam erforderlichen erheblichen baulichen Aufwandes oft schlechter ab, so- dass die klassische Nachfallung heutzutage kaum noch vorgeschlagen wird.

Attraktiv sind die verfahrenstechnischen Moglichkeiten der biologischen Phospho- relimination durch Bereitstellen von anaeroben Phasen im Kreislauf des belebten Schlammes. Der Milieuwechsel von der anaeroben Phase im ,,Bio-P"-Becken (- teil), bei der nicht nur kein geloster Sauerstoff sondem auch kein Sauerstoff in Form des Nitrates vorhanden ist, zu einer aeroben Phase im belufteten Teil des Be- lebungsbeckens fordert die deutlich erhohte Aufnahme von Phosphor im belebten Schlamm. Auf dem Weg der Uberschussschlammentnahme kann somit auch ohne eine chemische Fallung ein betrachtlicher Ted des im Abwasser enthaltenen Phosphors entfemt werden. Zum sicheren Einhalten der gesetzlichen Grenzwerte reicht die biologische Methode der Phosphorelimination jedoch leider nicht aus.

Nachklrrbecken Mit dem biologisch gereinigten Abwasser verlasst der Belebtschlamm den biologi- schen Reaktor, um in der Nachklarung abgetrennt zu werden. Zu diesem Zweck wer- den meist Sedimentationsbecken verwendet, in denen sich der Schlamm beim Durch-

12 1 Prozesse in Anlagen zur Abwasserreinigung und Kfiirschlammbehandlung

flieBen mit sehr kleinen Flieggeschwindigkeiten vom Wasser trennt, sich auf dem Boden der Becken absetzt und dort eindickt.

Zur Raumung des Schlammes werden Schild- oder Saugraumer venvendet. Schild- raumer schieben den eingedickten Belebtschlamm in einen Trichter, in dem die Rucklaufschlammsaugleitung ansetzt. Altemativ zum Schildraumer konnen Saug- raumersysteme venvendet werden. Dabei wird der sedimentierte Schlamm direkt vom Beckenboden entweder uber Saugrohre oder seltener auch uber Pumpen in das Fordersystem gehoben, das den Schlamm meist uber das Mittelbauwerk des Nachklarbeckens auf die Saugseite des Rucklaufschlammpumpwerkes fuhrt. Die Rucklaufschlammpumpen befordern den Schlamm dann wieder in die Belebung.

Zur Vermeidung von Aufwirbelungen des schon sedimentierten und eingedickten Schlammes ist sicherzustellen, dass sich das an der Raumerbriicke hangende Schlammraumsystem ausreichend langsam durch das Becken bewegt. Weiterhin ist sicherzustellen, dass das Raumsystem in der Lage ist, die in das Becken verfrach- tete Schlammmenge nach deren Sedimentation und Eindickung komplett aus dem Becken zu entfernen (Nachweis der Raumleistung).

Von groBer Bedeutung fur die Einhaltung der Ablaufanfordemngen ist es auch, mogliche sich auf der Nachklarbeckenoberflache bildende Schwimmstoffe sicher vor einem AbflieBen im Ablauf zuriickzuhalten und vom Wasserspiegel zu entfer- nen. Hierzu werden Schwimmschlammraumsysteme eingesetzt, die an der Raumer- briicke befestigt werden. Schwimmschlamm ist zur Vermeidung der Anreicherung im Schlammkreislauf aus diesem zu entfernen und in die Schlammbehandlung zu verbringen.

Das vom Schlamm befreite und gereinigte Abwasser verlasst die Nachklarung nach Passieren einer Tauchwand und Absttirzen uber eine Uberfallkante. Als Ablaufkon- struktion werden seit Jahrzehnten genormte Uberfallbleche verschiedener Formen venvendet. In jungerer Zeit wkihlt man auch getauchte Ablaufrohre, die hydraulisch weniger empfindlich sind gegenuber durch Wind unterschiedlich beeinflussten Was- serspiegellagen im Becken.

Ein nach wie vor erhebliches Problem ist die Aufgabe der Sauberung der Ablaufkon- struktionen. An den Tauchwanden, Ablaufrinnen, Tauchrohren und deren Konsolen bauen sich, unterstiitzt durch die vom Licht verursachte Fotosynthese, Ablagerungen und Zopfe von mit Schlamm durchsetzten Algen auf. Diese bergen bei einem Abtrieb als Trager organischer Substanz die Gefahr der Uberschreitung der Ubenvachungs- werte und mussen beseitigt werden. Die dazu venvendeten Burstensysteme eignen sich fur sehr nahe an der Oberflache liegende Einbauten. Sie bringen allerdings eine unerwiinschte hydraulische Unruhe ins Becken, wenn die mehrere Dezimeter tief unter dem Wasserspiegel angeordnete Oberflachen gereinigt werden.

I

1.3.2.2 Weitergehende Reinigungsmagnahmen Wahrend noch vor etwa 15 Jahren die Elimination von Stickstoff und Phosphor aus dem Abwasser als weitergehende MaBnahmen eingestuft wurden, sind diese heutzu- tage zum Standard geworden. Bei Anlagen uber 5000 EW ist Stickstoff in Form des Ammoniums, bei Anlagen uber 10 000 EW der Gesamtstickstoff und -phosphor nach

1.4 Schlamrnbehandlung

der Verordnung iiber Anforderungen an das Einleiten von Abwasser in Gewasser [2] zu begrenzen.

Dagegen werden heute AbwasserreinigungsmaBnahmen, die auf Grund scharferer Anforderungen an die Qualit2t des gereinigten Abwassers zusatzliche technische Stu- fen notwendig machen, zutreffender als "weitergehend beschrieben.

Hierzu werden z. B. Filtrationsstufen gezahlt, jedoch auch Anlagen zur Reduzie- rung der Keimbelastung im Abwasser (Abwasserdesinfektion).

In traditionellen Filtrationsanlagen werden in der Nachklarung nicht ausreichend weit abgeschiedene suspendierte Inhaltsstoffe (feine Belebtschlammpartikel) bei der Passage durch ein Filtrationsmedium zurickgehalten. Mit solchen Filteranlagen kon- nen damit nicht nur die Feststoffrestkonzentrationen sicher unter wenige Milli- gramm je Liter Abwasser gebracht werden, sondem ein wesentlicher Vorteil wird auch darin gesehen, dass durch die weitgehende Feststoffabtrennung die uberwie- gend an den Feststoff angelagerten Phosphorverbindungen ebenfalls aus dem Abwas- ser entnommen werden. Bei der Flockungsfiltration wird das Abwasser vor der Fil- terpassage emeut mit Ftdlmittel versetzt, was eine Absenkung der Restphosphorge- halte auf sicher unter 1, bei Bedarf auch 0,s mg P/L ermoglicht.

In modifizierten neu entwickelten biologisch aktiven Filtern werden die Filtrations- medien auch als Auhchsflache fur Biomasse genutzt. Auf diese Weise kann der physikalische Feststoffrickhalt im Porengefiige des Filters gleichzeitig um eine wei- tere biologische Reinigung (Nitrifikation oder auch Denitrifikation) erganzt werden.

Wird eine Entkeimung des Abwassers gefordert (z. B. um Badegewasser vor Keim- belastung zu schutzen) wird heute meist das Verfahren der Bestrahlung mit ultravio- lettem Licht gewtihlt. Das gereinigte Abwasser durchflieBt dazu Strahler, die das Was- ser mit Licht einer geeigneten Wellenlange durchleuchten und dabei die Keime zer- storen.

1.3.2.3 Ablautkontrolle Vor dem Einleiten des gereinigten Abwassers in ein offentliches Gewasser erfolgt die Passage einer Mengenmessung und eine Qualitatskontrolle. Je nach GroBe der An- lage werden z. B. nach der Eigenkontrollverordnung der jeweiligen Ender unter- schiedlich umfangreiche Kontrollmessungen gefordert.

1.4 Schlarnrnbehandlung

Ziele der Schlammbehandlung (Abb. 1.4) sind zum einen die Verminderung der Fad- nisfiihigkeit (Stabilisierung) und die Volumenreduktion (Eindickung, Entwasserung). Zur Veranderung der Schlammqualit2t und zur Verminderung des zu entsorgenden Schlammvolumenstromes erfolgt die Behandlung des anfallenden Klarschlammes auf der Klaranlage selbst.

Bei der qualitativen Beeinflussung des Schlammes geht es vor allem um den Abbau der im Rohschlamm vorhandenen hohen organischen Fraktionen von haufig iiber 213

14 7 Prozesse in Anlagen zur Abwasserreinigung und Klijnchlammbehandlung

Abwasserreinigung I

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(Vorkiarschlamm) (UbenchuDxhlamrn)

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Abb. 1.4 Ubersicht uber das System der Abwasserreinigung mit Schlarnmbehandlung

des Gesamtfeststoffes. Diese instabilen, sich schnell unter Geruchsbildung zersetzen- den Inhaltsstoffe sollen durch einen in der Regel anaeroben, bei kleineren Anlagen jedoch auch aeroben biologischen Abbau soweit reduziert werden, dass ihre weitere unvermeidliche Zersetzung ohne eine unzumutbare Belastigung der Umwelt vor sich gehen kann.

Die problematischen Schwermetalle, die sich aufgrund ihrer vielfaltigen Venven- dung im antropogenen Wirkungsbereich noch immer - allerdings heute in stark ver- mindertem Umfang - im Schlamm anreichem, konnen durch die klassischen Ver- fahren der Schlammbehandlung nicht vermindert werden. Umweltschutz ist hier durch Schadstoffvermeidung im Einzugsgebiet angesagt.

Eine Volumenreduzierung der Klarschlammmenge wird durch die Schritte der Ein- dickung, Entwasserung und ggf. Trocknung erreicht. Unter Eindickung versteht man die Aufkonzentration der Schlammfeststoffe im immer noch flussigen Milieu (meist unter 10 % Trockenriickstand VR]). Eine Eindickung erfolgt in der Regel vor der Sta- bilisierung, da so die notwendigen Reaktorvolumina kleiner ausfallen konnen. Die Entwasserung, verfahrenstechnisch hinter der Schlammstabilisierung angeordnet, treibt die Wasserentfernung soweit, dass nach der Entwasserung i. d. R. eine pasteuse bis stichfeste Konsistenz (meist 20- 35 % TR) vorliegt. Diese funktioniert im Normal- fall nur nach einer entsprechenden Konditionierung des Schlammes, d. h. durch Zu- gabe von Flockungs- und/oder Entwasserungshilfsmitteln. Die Verfahrensschritte der Trocknung (Venvendung thermischer Energie) sind derzeit nicht zum Standardum- fang der Schlammbehandlung zu rechnen. Sie sind jedoch heute schon bei kleinen und groBen Anlagen dann zu finden, wenn die Entsorgung ausschlieBlich entwasser- ten Schlammes problematisch ist. Thermisch getrocknete Schlamme konnen Fest-