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10 Abwasserreinigung

Technische Universität Dresden . Peter Krebs . Fachrichtung Wasserwesen, Institut für Siedlungs- und Industriewasserwirtschaft . Grundlagen der Siedlungswasserwirtschaft. 10 Abwasserreinigung . 10.1 Rahmenbedingungen der Abwasserreinigung 10.2 Aufbau einer Kläranlage

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  1. Technische Universität Dresden Peter Krebs Fachrichtung Wasserwesen, Institut für Siedlungs- und Industriewasserwirtschaft Grundlagen der Siedlungswasserwirtschaft 10 Abwasserreinigung 10.1 Rahmenbedingungen der Abwasserreinigung 10.2 Aufbau einer Kläranlage 10.3 Mechanische Reinigung 10.4 Biologische Verfahren 10.5 Nachklärung Kap. 10 Abwasserreinigung

  2. 10 Abwasserreinigung 10.1 Rahmenbedingungen der Abwasserreinigung Kap. 10 Abwasserreinigung

  3. Abwasserreinigung in Deutschland Ende 2000 sind mehr als 10.000 kommunale Kläranlagen in Betrieb Größenklasse Anzahl Ausbaugröße in mio EW > 100.000 272 83,1 10.000 – 100.000 1.817 56,1 2.000 – 10.000 2.617 12,3 50 – 2.000 5.677 3,2 Kap. 10 Abwasserreinigung

  4. Gesetzgebung Europa Richtlinie des Rates vom 21. Mai 1991 über die Behandlung von kommunalem Abwasser (91/271/EWG) EU Wasserrahmenrichtlinie Deutschland Wasserhaushaltsgesetz Abwasserverordnung Abwasserabgabengesetz Sachsen Sächsisches Wassergesetz Sächsisches Abwasserabgabengesetz Sächsische Kommunalabwasserverordnung Erlasse des SMUL Kap. 10 Abwasserreinigung

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

  6. Belastungsschwankungen im Zulauf zur Kläranlage Kap. 10 Abwasserreinigung

  7. Ausstoß von NH4 und TSS aus der Kanalisation Kap. 10 Abwasserreinigung

  8. Abfluss Zeit Kläranlagenbelastung mit NH4+ durch Regenereignis Kap. 10 Abwasserreinigung

  9. 10 Abwasserreinigung 10.2 Aufbau einer Kläranlage Kap. 10 Abwasserreinigung

  10. Aufbau einer Kläranlage mechanische Stufe biologische Stufe Belebungs-becken Fäll-mittel Prozess-wasser Deni Nachklär-becken Rechen Vorklär-becken Sand-u. Fettfang Nitri Gewässer, Filtration Rechen-gut Sand Rücklaufschlamm Primär-schlamm MÜSE FHM Überschussschlamm Schlammbehandlung Frisch-schlamm Biogas Prozess-wasser Nutzung, Entwässerung, Trocknung, Verbrennung, Deponie Fett Kehricht, Verbrennung Waschen, Deponie Entwässerung Nacheindicker Faulbehälter Kap. 10 Abwasserreinigung

  11. Beispiel: Kläranlage Chemnitz-Heinersdorf Kap. 10 Abwasserreinigung

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

  13. 10 Abwasserreinigung 10.3 Mechanische Reinigung Kap. 10 Abwasserreinigung

  14. Rechengutanfall in kommunalen Kläranlagen Rechenart Durchlassweite Spezifischer Anfall (m3/(E·a)) (mm) ungepresst (8% TS) gepresst (25% TS) 50 0,003 0,001 Grobrechen Feinrechen 0,004 15 0,012 Sieb 0,022 0,007 3 Schwankungsbereich: -50% bis +100% Kap. 10 Abwasserreinigung

  15. Harken-Umlaufrechen Kap. 10 Abwasserreinigung

  16. Siebschnecke Hans Huber AG, Typ Ro9 Kap. 10 Abwasserreinigung

  17. Grundregeln zur Gestaltung von Rechenbauwerken • Fließgeschwindigkeit: 0,6  v  2,5 m/s • Gerinne um Fläche der Rechenstäbe erweitern • Stauverlust beachten • Hydraulisch: • + Aufstau durch Versetzung mit Grobstoffen • Gerinne mind. um hydraulischen Aufstau absenken • Betriebs- und Havariesicherheit (Doppelauslegung) • Einhausung zu empfehlen (Frost, Geruch)aber teuer (Entlüftung, Kranbahn) • alternativ: Kapselung der Anlagentechnik Kap. 10 Abwasserreinigung

  18. Sedimentation: Flächenbeschickung qA = Q / A (Hazen, 1904) L U U Q H VS Grenzfall Absetzbedingung  VS qA  unabhängig von H ! Kap. 10 Abwasserreinigung

  19. Sandfang • erforderlich bei Mischkanalisation • Wirkung von mineralischen Inhaltsstoffen: • Starker Abrieb an mechanischen, beweglichen Teilen (z.B. Pumpenlaufräder und Gehäuse) • Verstopfungen (Schlammtrichter, Rohrleitungen, Pumpen) • Ablagerungen (Faulräume, Belebungsbecken) • nur mit hohen Betriebsaufwendungen entfernbar Schlamm im Sand ist lästig, aber Sand im Schlamm ist schädlich ! Kap. 10 Abwasserreinigung

  20. Empirisch ermittelte Absetzgeschwindigkeiten Kalbskopf, 1966 Kap. 10 Abwasserreinigung

  21. Bemessung • Fließgeschwindigkeit:  0,3 m/s • Breite empirisch • Sandfanglänge: • Sandstapelraum: rd. 0,2 x 0,3 m (nicht zu groß) • Erweiterungswinkel (Gerinne  Sandfang) < 8° • Venturigerinne nachschalten ! Kap. 10 Abwasserreinigung

  22. Belüfteter Langsandfang Kap. 10 Abwasserreinigung

  23. Wirkungsgrad im Vorklärbecken Kap. 10 Abwasserreinigung

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

  25. Bsp. rechteckiges Absetzbecken Kap. 10 Abwasserreinigung

  26. 10 Abwasserreinigung 10.4 Biologische Verfahren Kap. 10 Abwasserreinigung

  27. Biologische Verfahren Suspendierte Biomasse  Belebtschlammverfahren • Durch Turbulenz in Schwebe gehalten • Schlammflocken 0,1 – 1 mm Durchmesser • Abbau spezifisch bezogen auf Biomasse  suspendierte Biomasse aufkonzentrieren Sessile Biomasse  Biofilmverfahren • Als Biofilm auf einer Aufwuchsfläche • Bakterien werden nur vereinzelt erodiert • Abbau spezifisch bezogen auf Bewuchsfläche  Spezifische Oberfläche erhöhen Kap. 10 Abwasserreinigung

  28. Wesentliche mikrobiologische Prozesse Wachstum Einbau von C, N, P in die Biomasse Zerfall wenn zu wenig externe Nährstoffe Hydrolyse schwer  leicht abbaubare Stoffe, durch Enzyme Aerober Abbau organischer Stoffe CH2O + O2 CO2 + H2O Nitrifikation NH4+ + 2 O2 NO3- + H2O + 2 H+ Denitrifikation 5 CH2O + 4 NO3- + 4 H+ 2 N2 + 5 CO2 + 7 H2O Kap. 10 Abwasserreinigung

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

  30. max,2/2 max,1/2 KS,1 KS,2 Bakterienwachstum  Wachstum ist limitiert durch Nahrungs- und Sauerstoffangebot Wachstum spez. Wachstumsrate XB = Biomasse max = maximale spezifische Wachstumsrate S = Substratkonzentration KS = Halbsättigungskonstante Kap. 10 Abwasserreinigung

  31. Belebungsverfahren Belebungsbecken Nachklärbecken Luft, O2 Sedimentation Ablauf Zulauf Nährstoffe Bakterien Rücklaufschlamm Überschuss-schlamm Kap. 10 Abwasserreinigung

  32. Belebungsbecken Nachklärbecken TSBB Q Q Q + QR TSBB TSe (QÜS) QR = R·Q TSR (TSÜS) Schlammhaushalt im Belebungsverfahren Stoffflussbilanz im Gleichgewichtszustand mit Kap. 10 Abwasserreinigung

  33. Fließschema 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  entspricht der Schlammproduktion Bei erhöhter hydraulischer Belastung (bei Regenwetter) wird Schlamm ins Nachklärbecken verlagert Kap. 10 Abwasserreinigung

  34. Dynamische Schlammverlagerung Kap. 10 Abwasserreinigung

  35. Belüftung im Belebungsbecken Kap. 10 Abwasserreinigung

  36. Dimensionierung mittels Schlammbelastung Schlammbelastung  die BSB5-Zufuhr wird zur Schlammmasse im BB in Beziehung gesetzt BTS Schlammbelastung bezogen auf die Trockensubstanz Q Zufluss zum Belebungsbecken (m3/d) BSB5,zu Konzentration an BSB5 im Zufluss (kg BSB5 / m3) VBB Volumen des Belebungsbeckens (m3) TSBB Schlammkonzentration im Belebungsbecken, gemessen als TSS (kg TSS / m3) Kap. 10 Abwasserreinigung

  37. Dimensionierung mittels Schlammalter Schlammalter  die Schlammproduktion wird zur Schlammmasse im BB in Beziehung gesetzt X Schlammalter in (d), 3 – 15 d ÜSB spezifische Schlammproduktion pro umgesetztem BSB5(kg TS / kg BSB5) SP Schlammproduktion (kg TS / d) Kap. 10 Abwasserreinigung

  38. Nährstoffbedarf von Mikroorganismen Stickstoff iN = 0.04 – 0.05 (g N / g BSB5) Phosphor iP = 0.01 – 0.02 (g P / g BSB5)  Elimination von Nährstoffen Abwasserzusammensetzung im Zulauf 300 (g BSB5/m3) 60 (g TKN/m3) 12 (g TP/m3) Ablaufwerte bei 100%-igem Abbau von BSB5 TKNAb = TKNZU – iN·BSB5,Zu = 60 – 0.045·300 = 46,5 (g N / m3) TPAb = TPZU – iP·BSB5,Zu = 12 – 0.015·300 = 7,5 (g P / m3)  Weitergehende Verfahren für Nährstoffelimination ! Kap. 10 Abwasserreinigung

  39. Nitrifikation NH4+ NO3- Die Nitrifikanten („autotrophe Biomasse“ TSA) haben eine geringe Wachstumsrate A mit der Produktion autotropher Biomasse und dem Sicherheitsfaktor SF ergibt sich das nötige Schlammalter mit  hohes Schlammalter, damit Nitrifikanten nicht aus dem System ausgewaschen werden  Beckenvolumen VBB muss groß sein Kap. 10 Abwasserreinigung

  40. aerob aerob anoxisch aerob anoxisch anoxisch aerob anaerob Entwicklung des Belebungsverfahrens C-Elimination Nitrifikation Denitrifikation „Bio-P“ Kap. 10 Abwasserreinigung

  41. Sauerstoffverbrauch Sauerstoffeintrag Eintrag Verbrauch OVR Spezifischer O2-Verbrauch (kg O2 / kg BSB5) cs O2-Sättigungskonzentration (g O2 / m3) c O2-Konzentration (g O2 / m3) f Spitzenfaktor für Schwankungen (-) OCR Spez. O2-Eintragsvermögen Reinwasser (kg O2 / (m3·h))  Reduktionsfaktor für Eintrag ins Abwasser (0,4) 0,6 – 0,8  Je geringer die aktuelle Sauerstoffkonzentration, desto effizienter der Sauerstoffeintrag Kap. 10 Abwasserreinigung

  42. Spezifischer Sauerstoffverbrauch OVR(kg O2 / kg BSB5) T Schlammalter in d (°C) 4 8 10 15 20 25 10 0,85 0,99 1,04 1,13 1,18 1,22 12 0,87 1,02 1,07 1,15 1,21 1,24 15 0,92 1,07 1,12 1,19 1,24 1,27 18 0,96 1,11 1,16 1,23 1,27 1,30 20 0,99 1,14 1,18 1,25 1,29 1,32 Spitzenfaktoren für C- und N-Abbau fC 1,30 1,25 1,20 1,20 1,15 1,10 fN < 20‘000 EW - - - 2,50 2,00 1,50 - - 2,00 1,80 1,50 - > 100‘000 EW Kap. 10 Abwasserreinigung

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

  44. Belebungsverfahren – Biologie QZu QRS QÜS O2 BSB5 NH4+ NO32- Kap. 10 Abwasserreinigung

  45. Tropfkörperverfahren Biofilm auf Aufwuchsträger Tropfkörper Vorklärung Nachklärung Rezirkulation Schlammrückführung Schlamm-abzug Kap. 10 Abwasserreinigung

  46. Dimensionierung des Tropfkörpers Flächenbelastung BA Flächenbelastung der Kunststofffolien (g BSB5 / (m2·d)) ohne Nitrifikation 4 (g BSB5 / (m2·d)), mit Nitri. 2 (g BSB5 / (m2·d)) Q Zufluss zum Tropfkörper (m3/d) BSB5,zu Konzentration an BSB5 im Zufluss (kg BSB5 / m3) VTK Volumen des Tropfkörpers, mit Folien (m3) a spezifische Oberfläche der Folien (m2 Folien / m3 TK) 100 – 140 – 180 (m2 Folien / m3 TK) Kap. 10 Abwasserreinigung

  47. Stoffabbau im Tropfkörper Konzentration BSB5 Tropfkörper-folie NH4+ N03-  C-Abbau und Nitrifikation laufen räumlich getrennt ab Kap. 10 Abwasserreinigung

  48. 10 Abwasserreinigung 10.5 Nachklärung Kap. 10 Abwasserreinigung

  49. Aufgaben des Nachklärbeckens Trennen von Schlamm und gereinigtem Abwasser durch Sedimentation Klären  möglichst niedrige Ablaufkonzentration Speichern des aus dem Belebungsbecken verlagerten Schlamms, insbesondere bei Regenwetter Eindicken  möglichst hohe Rücklaufkonzentration Bauformen • Rund, von innen nach außen durchströmt • Rechteckig, längs durchströmt • Rechteckig, quer durchströmt • Vertikal, von unten nach oben durchströmt Kap. 10 Abwasserreinigung

  50. Sedimentation Vorklärbecken Nachklärbecken, Sedimentationszone niedrig Freies Absetzen Flockendes Absetzen Nachklärbecken, Schlammbett Konzentration Behindertes Absetzen Nachklärbecken, Sohlbereich Eindickung hoch keine flockend Partikel-Interaktion Kap. 10 Abwasserreinigung

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