Methoden zur Beprobung von Rechengut kommunaler Kläranlagen und Bilanzierung des Kohlenstoffanteils

Inhaltsverzeichnis

Abbildungsverzeichnis

Tabellenverzeichnis

Abkürzungsverzeichnis

Einleitung

1 Literaturstudie
1.1 Definition Rechengut
1.1.1 Rechengutwaschpresse
1.2 Rechentypen
1.2.1 Mitstromrechen
1.2.1.1 Vorwärtsgeräumte Steilrechen
1.2.1.2 Filterstufenrechen
1.2.1.3 Kranbahngreiferrechen
1.2.2 Gegenstromrechen
1.2.2.1 Doppellenkerrechen
1.2.2.2 Rückwärtsgeräumte Steilrechen
1.2.3 Spiralsiebrechen
1.3 Rechengutanfall auf Kläranlagen
1.3.1 Ausbaugröße der Kläranlage
1.3.2 Zeitlicher Verlauf des Rechengutanfalls innerhalb von 24 Stunden
1.3.3 Abhängigkeit des Rechengutanfalls von der Öffnungsgeometrie
1.3.4 Zusammenfassung der Ergebnisse zum Rechengutanfall
1.4 Analyseparameter zur Charakterisierung des Rechengutes
1.4.1 Total Organic Carbon und Dissolved Organic Carbon
1.4.1.1 Trockenrückstand
1.4.1.2 Glühverlust
1.4.2 Chemischer Sauerstoffbedarf
1.4.3 Biochemischer Sauerstoffbedarf in fünf Tagen
1.5 Richtlinien zur Vorgehensweise zur Beprobung von Abfall und Haufwerken
1.5.1 LAGA Richtlinie PN
1.5.1.1 Anwendungsbereich
1.5.1.2 Strategie der Probenahme
1.5.1.3 Durchführung der Probenahme
1.5.1.4 Konservierung, Verpackung und Transport
1.5.2 Übertragbarkeit auf die Beprobung von Rechengut
1.6 Regenerative Energiegewinnung durch anaerobe Faulung

2 Vergleich der praktischen Vorgehensweise bei der Rechengutbeprobung durch Kläranlagenbetreiber
2.1 Ergebnisse aus der Befragung

3 Erstellung eines Konzeptes zur Beprobung des Rechengutes
3.1 Strategie der Probenahme
3.2 Festlegung des Untersuchungsumfangs
3.2.1 Mindestanzahl der Einzel-, Mischund Laborproben
3.2.2 Mindestvolumen der Einzelund Laborproben
3.3 Probenahmeplan
3.3.1 Festlegung der Untersuchungsstellen
3.3.2 Probenahmegerät
3.4 Durchführung der Probe
3.4.1 Vermengung der Einzelproben zu Mischproben
3.4.2 Homogenisierung der Probe
3.5 Verjüngung der Proben
3.6 Transport und Konservierung der Laborproben
3.7 Bestimmung der Analyseparameter

4 Anwendung des Konzeptes zur Beprobung des Rechengutes
4.1 Festlegung des Untersuchungsumfangs und -stellen
4.2 Probenahmegerät
4.3 Probenentnahme von Einzelproben
4.4 Vermengung der Einzelproben zur Mischproben
4.5 Verjüngung der Mischproben zu Laborproben
4.6 Transport

5 Analyse der gewonnenen Proben
5.1 Ermittlung des Trockenrückstandes
5.2 Ermittlung des Glühverlusts Masterarbeit von Cathrin Wittler |III
5.3 Diskussion der Analyseergebnisse

6 Kohlenstoffbilanz des Rechengutes

7 Empfehlungen

8 Zusammenfassung und Ausblick

Literaturverzeichnis

Anhang A

Abbildungsverzeichnis

Abbildung 1-1: vorbehandeltes Feinrechengut der Kläranlage Aachen Soers

Abbildung 1-2: Funktionsskizze einer Rechengutwaschpresse (Hellmann & Riegler, 2003) 3 Abbildung 1-3: Unterteilung der Rechenarten (Pinnekamp, 2011)

Abbildung 1-4: HUBER SE Umlaufrechen (HUBER SE, 2015)

Abbildung 1-5: Kletterrechen der Firma HUBER SE (HUBER SE, 2015)

Abbildung 1-6: Skizze eines Filterstufenrechens der Firma Hydropress (Hellmann & Riegler, 2003)

Abbildung 1-7: Skizze eines Rechens mit Kranbahngreifer (Giesecke, et al., 2014)

Abbildung 1-8: Skizze eines rückwärtsgeräumten Doppellenkerrechens (Hellmann & Riegler, 2003)

Abbildung 1-9: Kletterrechen der Firma HUBER SE (HUBER SE, 2015)

Abbildung 1-10: Funktionsskizze eines Spiralsiebrechen (Hellmann & Riegler, 2003)

Abbildung 1-11: Spezifische Rechengutmenge von 85 Kläranlagen in Abhängigkeit der Ausbaugröße der Kläranlage (Uckschies, 2013)

Abbildung 1-12: Ganglinie des Abwassers und des Rechengutanfalls bei Trockenwetter (Röper & Klauke, 1981)

Abbildung 1-13: Ganglinie des Abwassers und des Rechengutanfalls bei einem Niederschlagsereignis (Röper & Klauke, 1981)

Abbildung 1-14: Spezifische Rechengutmenge in Abhängigkeit von der Öffnungsgeometrie (Uckschies, 2013)

Abbildung 1-15: verknüpftes Konzept zu Beprobung von Haufwerken und Abfällen (LAGA PN 98, 2004)

Abbildung 1-16: Anordnung der Schürfschlitze bei Haufwerken ( < 5 m) (LAGA PN 98, 2004)

Abbildung 1-17: Anordnung der Schürfschlitze bei Haufwerken ( > 5 m) (LAGA PN 98, 2004)

Abbildung 1-18: Abbildung der Probenahme mittels Metallplatte (a) und eines Probenahmespeers (b) (LAGA PN 98, 2004)

Masterarbeit von Cathrin Wittler |V

Abbildung 1-19: Methodik der Probenahme durch ausbreiten des Haufwerks (LAGA PN 98, 2004)

Abbildung 1-20: schematische Darstellung des fraktionierenden Schaufelns Abbildung 1-21: Riffelteiler der Firma Retsch (Retsch, o. J.)

Abbildung 1-22: Rotationsteiler der Firma Siebtechnik GmbH (Siebtechnik, o. J.) Abbildung 1-23: Probenstecher der Firma Pfeuffer GmbH (Pfeuffer, o. J.)

Abbildung 1-24: Schematische Darstellung der Methode "Aufkegeln und Vierteln mittels Probenkreuz" (LUA NRW, 2006)

Abbildung 1-25: die vier Phasen des anaeroben Stoffumsatzes (Pinnekamp, 2014)

Abbildung 2-1: eingebaute Rechentypen der untersuchten Kläranlagen

Abbildung 2-2: Rechengutanfall von Kläranlagen mit Rechengutpressen und -waschpressen

Abbildung 2-3: Analyseparameter der untersuchten Kläranlagen

Abbildung 2-4: Gehalt des Trockenrückstandes von waschgepressten und gepressten Rechengut der untersuchten Kläranlagen

Abbildung 3-1: Konzept zur repräsentativen Beprobung von Rechengut

Abbildung 3-2: Beispielhafte Festlegung der Untersuchungsstellen an einem Abfallcontainer mit einem Füllvolumen von 10 m³

Abbildung 3-3: Konstruktionsskizze des Probenahmegeräts für die repräsentative Beprobung von Rechengut

Abbildung 3-4: Lochsägenadapter mit Sechskantanschluss

Abbildung 3-5: Schubstange zur Lösung der gewonnenen Probe aus dem Probenahmegerät

Abbildung 3-6: Konstruktionsmaße der Untergrundplatte und des Probenkreuzes

Abbildung 4-1: Abmessungen des Rechengutcontainers der Kläranlage Aachen Soers mit den geplanten Untersuchungsstellen [Frontansicht]

Abbildung 4-2: Abmessungen des Rechengutcontainers der Kläranlage Aachen Soers mit den geplanten Untersuchungsstellen [Seitenansicht]

Abbildung 4-3: Edelstahlrohr mit angeschweißtem Lochbohrelement

Abbildung 4-4: Lochsägenadapter in Größe A-2SS der Firma Hommel Hercules Werkzeughandel verbunden mit dem Rohrabschluss Masterarbeit von Cathrin Wittler |VI

Abbildung 4-5: hergestelltes Probenahmegerät und Schubstange

Abbildung 4-6: aus Edelstahl (V2a) hergestellte Untergrundplatte und Probenkreuz

Abbildung 4-7: Probenentnahme des Rechengut mittels Bohrung (Frontsicht [l.] und Draufsicht [r.])

Abbildung 4-8: entnommenes Rechengut der Kläranlage Aachen Soers Abbildung 4-9: Kontrollmessbecher mit Probe des Rechengutes

Abbildung 4-10: sechs der acht gebohrten Untersuchungsstellen im Rechengutcontainer der Kläranlage Aachen Soers

Abbildung 4-11: Schritte der Verjüngung der Mischproben zur Laborprobe

Abbildung 5-1: Tiegel befüllt mit Rechengut aus verjüngter Laborprobe

Abbildung 5-2: mit Rechengut befüllte Gewindeflasche mit Schraubkappe verschlossen Abbildung 5-3: gedarrtes Rechengut im Tiegel nach DIN EN 15934 Abbildung 5-4: verbranntes Rechengut in einem Tiegel

Abbildung 5-5: Ergebnisse der Trockenrückstandsund Glühverlustermittlung

Abbildung 6-1: Ergebnisse der Glühverlustermittlung und der Kohlenstoffgehaltsberechnung

Tabellenverzeichnis

Tabelle 1-1: Mindestanzahl der Einzel-, Misch-, Sammelund Laborproben in Abhängigkeit von der zu beprobenden Menge (LAGA PN 98, 2004)

Tabelle 1-2: Mindestvolumen der Einzelund Laborproben in Abhängigkeit von dem Durchmesser der Größtkomponente (LAGA PN 98, 2004)

Tabelle 3-1: Mindestanzahl der Einzel-, Misch-und Laborproben in Abhängigkeit von der zu beprobenden Menge

Tabelle 3-2: Mindestvolumen der Einzelund Laborproben in Abhängigkeit von den Stababständen

Tabelle 4-1: Mindestanzahl der Einzel-, Mischund Laborproben

Tabelle 4-2: Mindestvolumen der Einzelund Laborproben in Abhängigkeit von den Stababständen

Tabelle 5-1: Ergebnisse der Trockenrückstandsund Glühverlustermittlung

Tabelle 7-1: ermittelter Gehalt an Trockensubstanz und berechneter Wassergehalt im Rechengut

Abkürzungsverzeichnis

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Zusammenfassung

Die vorliegende Arbeit befasst sich, zur Abschätzung eines energetischen Nutzens des im Rechengut enthaltenen Kohlenstoffs, mit der Entwicklung einer Methode zur repräsentativen Beprobung von Rechengut kommunaler Kläranlagen sowie der anschließenden Bilanzierung des enthaltenden Kohlenstoffgehalts. Der energetische Nutzen des Rechenguts zur anaeroben Faulung wird anhand des bilanzierten Kohlenstoffgehalts beurteilt. Die Bilanzierung des Kohlenstoffgehalts soll über Ermittlung der Parameter „TOC“, „Glühverlust“ sowie „Trockenrückstand“ erfolgen. Zur Entwicklung eines Beprobungskonzepts von Rechengut um diese Parameter ermitteln zu können, werden die in Deutschland gängigen Rechenarten und der Rechengutanfall untersucht. Der durchschnittliche Rechengutanfall je Einwohnerwert zeigt keine Korrelation zur Rechenart und unterliegt großen Streuungen, welche aus den Einflüssen der Ausbaugröße der Kläranlage, des tageszeitlichen Verlaufs des Rechengutanfalls und der Öffnungsgeometrie des Rechens resultieren. Des Weiteren werden Betreiber von Kläranlagen über deren praktische Vorgehensweise zur Rechengutbeprobung befragt. Ein Vergleich dieser Vorgehensweisen zeigt, dass derzeit eine freiwillige und willkürliche Beprobung des Rechenguts erfolgt und das energetische Potential des Rechenguts als regenerative Energiequelle nicht genutzt wird. Die Entwicklung eines repräsentativen Beprobungskonzepts des Rechenguts gewinnt somit an Wichtigkeit. Die Untersuchung der in Deutschland geltenden Richtlinien, welche sich auf die Beprobung von inhomogenen Abfällen und Haufwerken beziehen, ergibt, dass sich die relevanten Richtlinien auf die LAGA Richtlinie PN 98 bezieht. Eine Übertragung dieser Richtlinie auf die Beprobung von Rechengut ist unter der Voraussetzung der Anpassung der Kriterien Mindestvolumen und -anzahl der dem Rechengut zu entnehmenden Proben. Für die repräsentative Probenahme wird ein elektronisch betriebenes Probenahmegerät entwickelt. Die Validierung des Konzepts erfolgt auf der Kläranlage Aachen Soers. Entsprechend der angepassten LAGA Richtlinie PN 98 werden dem Rechengut Proben entnommen, zur Mischproben vereint und zu Laborproben verjüngt. Diese Laborproben werden im Labor des Instituts für Siedlungswasserwirtschaft und Siedlungsabfallwirtschaft der RWTH Aachen entsprechend den Normen DIN EN 15934 und DIN EN 15935 auf ihren Trockenrückstand und Glühverlust untersucht und anschließend in den Parameter „TOC“ umgerechnet. Die Ergebnisse dieser Untersuchung zeigen, dass eine gleichbleibende Konstanz aller Parameter vorliegt und somit eine grundsätzliche Anwendbarkeit des entwickelten Beprobungskonzepts möglich ist. Die Prüfung des Rechenguts zur Eignung als Stoff in der anaeroben Faulung erfolgt anhand der Parameter „Trockensubstanzgehalt“ und „Wassergehalt“, welche ebenfalls aus den zuvor ermittelten Parameter berechnet werden, sowie dem Kohlenstoff/Stickstoff Verhältnis und dem Nährstoffverhältnis C:N:P:S. Die berechneten Parameter „Trockensubstanzgehalt“ und „Wassergehalt“ liegen innerhalb der Grenzwerte für eine anaerobe Faulung. Die Ermittlung des Stickstoff-, Phosphorund Schwefelgehalts ist kein Bestandteil der Aufgabenstellung, sollte jedoch für aussagekräftigere Beurteilung der Eignung des Rechenguts zur anaeroben Faulung im Nachgang erfolgen. Rechengut kann aufgrund der vorliegenden Ergebnisse grundsätzlich für eine regenerative Nutzung in der Biogasproduktion eingesetzt werden.

Schlagwörter:

Rechengut, Rechengutanfall, Feinrechen, Kohlenstoff, Gärung, anaerobe Faulung, Energiegewinnung, Beprobung

Abstract

This thesis is concerned with the evaluation of a method for a representative sample of screenings in municipal waste water treatment facilities, followed by the balancing of the contained carbon. This will be carried out for an estimation of the energetic benefit for an anaerobic digestion of the carbon that is contained in the screenings. The balancing of the carbon content should ensue via the determination of the parameters “TOC”, “loss on ignition” and “rate of dried solid matter”. For the determination of these parameters, an evaluation of a sampling concept is needed. This will be evaluated among others, by an investigation of the types of established screens and the amount of screenings in Germany. The average amount of screenings per population equivalent does not stand in any correlation to the type of screen and is subject to wide fluctuations due to influences such as capacity of the waste water treatment facility, the amount of screening over the course of a day and the opening geometry of a screen. In addition, operators of waste water treatment facilities are interrogated about their practical approach of sampling of screenings. A comparison of their approaches shows that there is presently an optional sampling of screenings at random and that the energetic potential of screenings as a regenerative energy source is not used. The evaluation of a representative sampling concept is therefore gaining in importance. The investigation of existing German Directives that refer to sampling of inhomogeneous waste and aggregate material shows that the relevant Directives all refer to LAGA Directive PN 98. A transmission of this Directive on the sampling of screenings is possible under the requirement of an adjustment of the criteria’s minimum volume and minimum amount of the extracting samples. For the representative sampling an electronic sampling device is developed. The validation of the concept takes place on the waste water treatment facility Aken Soers. Pursuant to the adjusted LAGA Directive PN 98, samples from the screenings are taken, then blended to composite samples and reduced to laboratory samples. These laboratory samples are under examination in the laboratory of the institute for municipal waste water management and waste management of the RWTH Aachen in accordance with the norms DIN EN 15934 (rate of dried solid matter) and DIN EN 15935 (loss of ignition). From these results the parameter “TOC” can be calculated. The results of this examination show that there is a uniform stability among all the parameters. Thus a fundamental applicability of the evaluated sampling concept is possible. The audit of the screenings for the suitability as a substance in the anaerobic digestion is made by the parameters “dry matter contents” and “water content”, which are also calculated from the previously determined parameters. In addition the suitability depends on the carbon/nitrogen ratio and the nutrient ratio C:N:P:S. The calculated parameters “dry matter contents” and “water content” are within the relevant limit values for an anaerobic digestion. The determination of the nitrogen, phosphorus and sulphur content are not part of the task formulation, but should be made as a follow-up for a significant judgement of the suitability of the screening for the anaerobic digestion. On the basis of the present results, it can be said that screenings in principle can be used for a regenerative benefit in the biogas production.

Keywords:

Screenings, amount of screenings, fine screens, carbon, anaerobic digestion, fermentation, energy production, sampling

Einleitung

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Methodik zur repräsentativen Beprobung von Rechengut kommunaler Kläranlagen und der anschließenden Bilanzierung des Kohlenstoffanteils.

Kommunales Abwasser aus Mischund Trennkanalisationen ist ein Gemisch, das zu einem Großteil im Wasser gelösten Stoffen sowie einer Vielzahl von Feststoffen besteht. In allen Bestandteilen des Abwassers sind Wertstoffe zu finden, unter denen sich auch Kohlenstoff befindet, welcher als Energieträger einer regenerativen Nutzung zugeführt werden kann. Somit enthalten auch alle Feststoffe, die im Zuge der mechanischen Reinigung mittels Rechen aus dem Rohabwasser entfernt werden, einen unbestimmten Anteil an Kohlenstoff. Derzeit gibt es die Überlegung, den Kohlenstoff, der sich im gewonnenen Rechengut befindet, auszuwaschen und über eine anaerobe Faulung der energetischen Nutzung zuzuführen. Zur Erörterung dieser Möglichkeit muss zunächst der Kohlenstoffgehalt im Rechengut über eine Beprobung ermittelt werden.

Zur Beprobung von Rechengut gibt es bis dato keine Standardisierung, sodass bisher eine gewisse Willkür besteht. Das Ziel dieser Arbeit ist daher, zunächst eine Methode für eine repräsentative Beprobung zu entwickeln und anschließend den Kohlenstoffanteil im Rechengut zu bilanzieren. Eine repräsentative Beprobung, die zu belastbaren Analyseergebnissen führt, ist aufgrund der Inhomogenität des Rechenguts als sehr schwierig einzustufen, aber für die Kohlenstoffbilanzierung unerlässlich.

Zur Entwicklung einer Methode zur repräsentativen Beprobung von Rechengut werden im Rahmen der vorliegenden Arbeit diverse Aspekte untersucht. Zunächst wird der aktuelle Stand der Technik erörtert. Hierzu werden die in Deutschland auf Kläranlagen eingesetzten Rechentypen sowie deren Rechengutanfall ermittelt und die benötigten Analyseparameter zur Charakterisierung von Rechengut festgesetzt.

In einem nächsten Schritt werden die aktuell in Deutschland geltenden Richtlinien zur Vorgehensweise einer repräsentativen Beprobung von Abfällen und Haufwerken recherchiert sowie eine mögliche Übertragung auf die Beprobung von Rechengut überprüft.

Des Weiteren werden ausgewählte Kläranlagenbetreiber über deren praktische Vorgehensweise bei der Rechengutbeprobung befragt und ein Vergleich unter diesen gezogen. Zu einer vergleichenden Befragung wird ein Fragebogen erstellt und an die Betreiber versendet.

Aus den Ergebnissen des Stands der Technik, der Recherche der geltenden Richtlinien und der Befragung der Kläranlagenbetreiber wird anschließend ein Konzept zur repräsentativen und praktikablen Beprobung von Rechengut unter Berücksichtigung der Lagerbedingungen entwickelt.

Zur Validierung sowie einer möglichen Anpassung dieses Konzeptes werden die Rechengutcontainer auf der Kläranlage Aachen Soers beprobt. Anschließend erfolgt die Analyse der gewonnenen Proben im Labor des Instituts für Siedlungswasserwirtschaft und Siedlungsabfallwirtschaft der RWTH Aachen.

Anhand dieser Analyseergebnisse wird abschließend der im Rechengut enthaltene Kohlenstoff bilanziert und eine Empfehlung zur energetischen Verwertung ausgesprochen.

1 Literaturstudie

Zur Bildung einer Grundlage zur Konzeption der repräsentativen Beprobung von Rechengut, wird zunächst der aktuelle Stand der Technik untersucht. Hierfür wird im ersten Schritt der Begriff „Rechengut“ definiert. Anschließend werden die Rechentypen, unterteilt in Mitstromund Gegenstromrechen, vorgestellt, welche auf den Betriebsgeländen von deutschen Kläranlagen eingebaut sind. Dann wird das durchschnittlich anfallende Rechengut auf deutschen Kläranlagen, anhand der Untersuchung von Kuhn verdeutlicht (Kuhn, 2014). Abschließend werden die Analyseparameter definiert, welche zur Charakterisierung von Rechengut nötig sind.

1.1 Definition Rechengut

Gemäß der DIN EN 1085:2007 werden unter Rechengut „mittels Rechen und Stäbe zurückgehaltene Stoffe“ verstanden (DIN EN 1085, 2007). Zu diesen Stoffen wird somit alles gezählt, was durch die Kanalisationsrohre zur Kläranlage transportiert werden kann und dort durch die Rechen vom Weitertransport in die Abwasserbehandlung zurückgehalten wird. Mit Hilfe der Reinigungssysteme der Rechen kann das Rechengut aus dem Gerinne gehoben und der Rechengutwäsche zugeführt werden (Kuhn, 2014).

Da in der Kanalisation jede Art von Zivilisationsmüll, der Größe entsprechend passend, transportiert wird, handelt es sich um eine heterogene Abfallfraktion. In Abbildung 1-1 wird die Inhomogenität anhand von Rechengut aus dem Feinrechen der Kläranlage Aachen Soers verdeutlicht.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 1-1: vorbehandeltes Feinrechengut der Kläranlage Aachen Soers

In der Untersuchung von Rechengut nach Hanßen wurde die durchschnittliche Zusammensetzung von Rechengut ermittelt. Diese sagte aus, dass das Rechengut sich aus einem Wasseranteil (> 80 %) und einem Feststoffanteil zusammensetzt. Weiterhin konnte ermittelt werden, dass die Zusammensetzung des Feststoffanteils hauptsächlich aus Zellulose (> 80 %), Kunststoffen (2 % -14 %) und mineralischen und organischen Anteilen besteht. Der Zelluloseanteil besteht hauptsächlich aus Toilettenpapier sowie anderen Hygieneartikeln. Die enthaltenen Kunststoffe sind oft Bestandteile von Verpackungen, Schutzfolien und Wattestäbchen. Zu den organischen Anteilen gehören Fäkalstoffe, Essensreste und organische Abfälle. Abhängig von der Jahreszeit befinden sich im organischen Anteil des Rechenguts auch Zweige und Grünabfälle. (Hanßen, 1999)

1.1.1 Rechengutwaschpresse

Wie im vorherigen Kapitel erwähnt, hat direkt vom Rechen entnommenes Rechengut einen Wasseranteil von mindestens 80 %. Da Transportunternehmen zumeist nach Volumen und Masse des Rechenguts die Entsorgungskosten von Rechengut ermitteln, ist es wichtig diese beiden Parameter aus Gründen der Kostenreduktion zu minimeren (Entsorgung.de, o. J.). Die einfachste Form der Volumenund Massereduktion kann durch die Verringerung des Wasseranteils erfolgen. Rechengut lässt sich aufgrund des hohen Gehalts an organischen Inhaltsstoffen nur sehr schwer entwässern (Hellmann & Riegler, 2003). Um diese Problematik zu umgehen, haben Forscher die Rechengutwaschpresse entwickelt. In Abbildung 1-2 wird eine Funktionsskizze einer solchen Rechengutwaschpresse gezeigt. Hier sind der Eintrag des Waschwassers, der Einwurf des frischen Rechenguts, die Umwälzung durch Schnecken sowie das abschließende Entwässern durch Pressen zu sehen.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 1-2: Funktionsskizze einer Rechengutwaschpresse (Hellmann & Riegler, 2003)

Die Rechengutwaschpressen waschen zunächst die organischen Bestandteile aus dem Rechengut aus. Dies erfolgt durch die Zugabe von Rohwasser, Betriebswasser oder Trinkwasser und einer definierten Umwälzung des Rechenguts durch eingebaute Schnecken oder Wirbelräder (ATV e.V., 1997). Da durch die Auswaschung der organische Anteil im gewaschenen Rechengut jedoch noch deutlich mehr als 5 % beträgt, erfolgt anschließend die Entwässerung des verbleibenden Rechenguts durch eine Verpressung, sodass der enthaltende Wasseranteil und das hinzugefügte Waschwasser entfernt werden. Durch die Verpressung kann das Rechengut eine Schüttdichte von 900 g/l 1000 g/l erreichen. Bei einer Containerschüttung liegt die Dichte des Rechengutes zwischen 400 g/l und 700 g/l und ist in beiden Fällen abhängig vom Verdichtungsgrad (Prottengeier, 2011). Woraus der große Unterschied resultiert, wird in keiner Quelle genannt.

1.2 Rechentypen

Rechenanlagen, welche am Zulauf einer Kläranlage angeordnet sind, werden zur Entfernung von gröberen Feststoffen und zum Schutz vor Schäden und Verstopfung der nachfolgenden Anlagenteile wie Maschinen, Pumpen u. ä. eingesetzt (Pinnekamp, 2011; ATV e.V., 1983). Dabei werden sie in Mitstromund Gegenstromrechen unterteilt. Für diese Rechenanlagen ist eine Durchgangsweite, der Abstand zwischen den Gitterstäben, zwischen 10 mm und 100 mm in der DIN 19554 festgelegt (Kunz, 1995). Die Rechen können anhand ihrer Durchgangsweiten in Grobrechen, Feinrechen und Feinstrechen eingeteilt werden. In Abbildung 1-3 werden die Unterscheidung sowie die Einsatzorte der Rechentypen gezeigt.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 1-3: Unterteilung der Rechenarten (Pinnekamp, 2011)

Der Rechengutanfall hängt quantitativ von der Durchgangsweite ab (Kunz, 1995). Grobe Festund Schwebstoffe im Abwasser, wie Fäkalstoffe, Toilettenpapier, kürzere Fasern sowie Laub und tote Ratten, werden beim Durchfließen vom Rechen zurückgehalten (ATV e.V., 1983; Pinnekamp, 2011; Kunz, 1995). Wenn die Durchgangsweite kleiner ist als die Ausmaße der Feststoffe oder diese quer zum Rechen angeströmt werden, stellt sich ein Rückhalteeffekt ein. Demzufolge ist die Orientierung zum Rechen beim Anströmen der Feststoffe für die Belegungsintensität des Rechens, vor allem nach dem Räumen von diesem, von Bedeutung. Die Intensität der Rückhaltung verstärkt sich mit zunehmender Belegung des Rechens. Daher wird der Rückhalteeffekt neben der Durchgangsweite und dem Anströmverhalten auch von der Filterfläche des zurückgehaltenen Rechengutes beeinflusst (ATV e.V., 1983). Der Rechengutanfall ist somit auch qualitativ abhängig von der Durchgangsweite.

Mit zunehmender Belegung des Rechens können auch organische Feststoffe gefiltert werden. Dies führt zu Gerüchen bei der Rechengutstapelung (Kunz, 1995). Aufgrund der entstehenden Gerüche, welche dem Emissionsschutz unterliegen, der Vermeidung der Verteilung des keimbelasteten Rechenguts durch Tiere sowie für einen unkomplizierten Winterbetrieb werden Rechen eingehaust (Pinnekamp, 2011).

Ebenso wie die Durchgangsweite und die Belegung des Rechens ist die Durchsatzgeschwindigkeit für die erwünschte Filterwirkung von Bedeutung. Bei einer zu hohen Durchsatzgeschwindigkeit können die Partikel, die entfernt werden sollen, zerschlagen oder durch den Rechen gedrückt werden (Pinnekamp, 2011). Um dem Strömungswiderstand entgegen zu wirken, sind die Gitterstäbe des Rechens häufig rund oder linsenförmig angeordnet (Kunz, 1995). Außerdem muss für die Bemessung von Rechenanlagen eine Fließgeschwindigkeit von maximal 1,2 m/s zwischen den Stäben gelten (Pinnekamp, 2011). Die Nachweise für diese Bemessung sind für den Regenwasserzufluss zu führen, da das meiste Rechengut nach einem Regenereignis angeschwemmt wird (Kunz, 1995). Ebenso einzuhalten ist eine Mindestfließgeschwindigkeit von 0,7 m/s. Hierfür ist der Nachweis zur Bemessung mit dem Trockenwetterabfluss zu führen (Pinnekamp, 2011). Eine Mindestgeschwindigkeit ist erforderlich, um Sandablagerungen, welche erst im nachgeschalteten Sandfang ausgeschieden werden sollen, vor dem Rechen zu vermeiden (ATV e.V., 1983). Durch eine Niveaumessung des Wasserstands vor und hinter dem Rechen wird die mechanische Reinigung des Rechens gesteuert (Kunz, 1995; Pinnekamp, 2011). Ab einer rechenabhängigen Wasserstandsdifferenz startet der Reinigungsvorgang. Durch Sandablagerungen vor dem Rechen kann die Niveaumessung verfälscht werden und somit die Dauer des Räumintervalls verkürzen (Pinnekamp, 2011). Neben der Niveaumessung ist zusätzlich eine zeitschaltgesteuerte Rechenreinigung einzubauen. Somit wird unabhängig von der Treibgutmenge mindestens einbis zweimal pro Tag eine Reinigung des Rechens durchgeführt (Giesecke, et al., 2014).

1.2.1 Mitstromrechen

Mitstromrechen oder auch vorwärtsgeräumte Rechen sind dadurch gekennzeichnet, dass ihre maschinelle Reinigung von der Beaufschlagungsseite erfolgt (ATV e.V., 1983). Nachfolgend werden die in Deutschland gebräuchlichsten Konstruktionen kurz erläutert.

1.2.1.1 Vorwärtsgeräumte Steilrechen

In Deutschland sind Steilrechen die am häufigsten verwendete Konstruktion auf Kläranlagen. Sie können als Mitstromoder als Gegenstromvariante (s. Kapitel 1.2.2.2) konstruiert werden. Steilrechen bestehen aus einer variablen Anzahl von geraden sowie parallelen Stäben und bilden somit das Rechen. Steilrechen können in einem variablen Winkel zur Fließrichtung des Abwassers im Gerinne eingebaut werden. Der Vorteil dieser Rechenkonstruktionen sind die frei wählbaren Abwurfhöhen des gelösten Rechenguts, sodass ein unhygienisches und zeitaufwendiges Umladen des gewonnenen Rechenguts entfällt und direkt über Förderbänder den nachgeschalteten Behandlungsschritten zugeführt werden kann. (ATV e.V., 1983)

In Deutschland gibt es verschiedene Konstruktionen von Steilrechen, welche sich anhand ihrer Reinigungskonstruktion unterscheiden lassen und in den folgenden Kapiteln näher erläutert werden.

1.2.1.1.1 Steilrechen mit Umlaufkettenantrieb

Die Konstruktion dieses Rechens wird durch zwei zwangsgeführte umlaufende Rollenketten, an welchen sogenannte Reinigerharken befestigt sind, definiert. Die Reinigerharken greifen zwischen die Gitterstäbe, nehmen die angeströmten Feststoffe auf und ziehen diese zum Abwurf hoch (HUBER SE, o. J.). Durch einen beweglichen Abstreifer wird das gewonnene Rechengut am oberen Ende des Umlaufs abgestrichen und auf ein Förderband befördert. Das Förderband transportiert das Rechengut zur Weiterverwertung in eine Rechengutwaschpresse oder in einen Container. Zusätzlich muss ein problemloser Übergang von den Reinigungsharken zu dem Förderband gewährleistet sein, damit kein Rechengut in das abwärtsströmende Gerinne zurückfallen und somit den nachfolgenden Sandfang beschädigen oder verstopfen kann (ATV e.V., 1983).

Bei diesem Rechen können sich keine Ablagerungen im unteren Bereich des Rechens ansammeln, da die Feststoffe direkt an der Gerinnesohle aufgegriffen werden können. Ebenso kann Sand diesen Rechen problemlos passieren. (HUBER SE, o. J.)

Zusätzlich sind bei Steilrechen mit Umlaufkettenantrieb Sicherheitseinrichtungen zu installieren. Zur Vermeidung von Beschädigungen der Konstruktion muss sich die Maschine selbstständig abschalten, sollte das Eingreifen der Reinigungsharken blockiert sein (ATV e.V., 1983). In Abbildung 1-4 ist eine Skizze eines Steilrechens mit Umlaufkettenantrieb von der Firma HUBER SE dargestellt.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 1-4: HUBER SE Umlaufrechen (HUBER SE, 2015)

1.2.1.1.2 Steilrechen mit Seilantrieb

Bei diesem Rechentyp befindet sich über dem Rechengerüst eine Welle, an der sich an jedem Seitenende eine Windentrommel befindet. Pro Windentrommel ist ein Seil seitlich neben dem Rechen angeordnet. An diesen Seilen wird der Räumwagen mit den Reinigungsharken auf und ab geführt. Der Räumwagen kann durch Abund Aufrollen der Seile auf den Windentrommeln bewegt werden. Am unteren und oberen Ende der Seilführung befindet sich jeweils eine Weiche. (ATV e.V., 1983)

Zu Beginn eines Räumvorganges wird der Räumwagen abgesunken. Durchfährt der Räumwagen beim Absenken die untere Weiche werden die Reinigungsharken zwischen den Gitterstäben positioniert und das Rechengut kann beim Anheben des Räumwagens aus dem Rechen entfernt werden. Sobald der Räumwagen mit dem Rechengut das obere Ende des Rechens erreicht hat, wird es auf ein Förderband oder in einen Container gestreift. Anschließend durchfährt der Räumwagen die obere Weiche und die Reinigungsharken werden wieder in Ausgangsposition für eine erneute Räumung gebracht. (ATV e.V., 1983)

Um einen problemlosen Ablauf des Räumvorgangs zu gewährleisten, sind eine Schleppseilsicherung und eine regelmäßige Überwachung der Seile und Winden durch das Betriebspersonal notwendig (ATV e.V., 1983).

1.2.1.1.3 Steilrechen mit Kletterantrieb

Bei einem Steilrechen mit Kletterantrieb sind neben dem Rechengerüst feststehende ovale Zahnstangen angeordnet. Parallel zu den Zahnstangen sind an der Unterseite des Räumwagens Zahnritzel mit einem gleichbleibenden Drehsinn angebracht. Wird der Räumwagen angetrieben, greifen die Zahnritzel in die Zahnstangen. Diese Zahnstangen umschließen die Führungen der Zahnritzel so, dass die Zahnritzel auf der Vorderseite der Zahnstangen herabklettern und auf der Rückseite wieder heraufklettern. (ATV e.V., 1983)

Beim Räumvorgang werden am unteren Wendepunkt der Zahnstangen die Reinigungsharken durch eine Querbewegung ausgeschwenkt und das Rechengut kann aufgenommen werden. Anschließend klettert der Räumwagen auf der Rückseite der Zahnstangen empor. Das gewonnene Rechengut wird abgestreift und auf ein Förderband oder in einen Container befördert. Am oberen Wendepunkt werden die Reinigungsharken ebenfalls durch eine Querbewegung wieder in die Ausgangsposition gefahren und ein Räumvorgang kann erneut gestartet werden. (ATV e.V., 1983)

Bei diesem Rechentyp führt ein Verschleiß an den Zahnritzeln nicht zu einem plötzlichen Betriebsausfall, da die Konstruktion dieses Rechengerüsts sehr robust ist und somit keine Schrägstellungen der Zahnstangen oder des Räumwagens zu erwarten sind. (ATV e.V., 1983)

Zusätzlich kann dieser Rechen unter bestimmten Voraussetzungen auch als Gegenstromrechen (s. Kapitel 1.2.2.2) betrieben werden. Für diese Ausführungsvariante sind die benötigte Durchgangsweite sowie die vorhandene Wasserspiegelhöhe zu prüfen (HUBER SE, o. J.). In Abbildung 1-5 wird eine Skizze des Kletterrechens der Firma HUBER SE gezeigt.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 1-5: Kletterrechen der Firma HUBER SE (HUBER SE, 2015)

1.2.1.1.4 Steilrechen mit Filterband

Diese Rechenform zeichnet sich durch ein Endlosfilterband aus, welches in einer Führung konstant über zwei Umlenkpunkte geführt wird. Ähnlich dem Steilrechen mit Kletterantrieb, klettert das Filterband auf der Vorderseite des Rechens hinab. Die angeströmten Festund Schwebstoffe setzen sich im Filterband fest und werden auf der Rückseite des Rechens gehoben. Am oberen Umlenkpunkt wird das Rechengut mit Hilfe von Bürsten von dem Filterband abgestreift. Abhängig vom Verschmutzungsgrad des Filterbands kann eine Düsenleiste das Entfernen der Feststoffe aus dem Filterband erleichtern. Anschließend wird das gewonnene Rechengut zu einer Rechengutwaschpresse oder in einen Container geleitet. Zur Beseitigung von gröberen Feststoffen sind in regelmäßigen Abständen Harken am Filterband angeordnet, welche diese Feststoffe austragen können. (ATV e.V., 1983)

Die Festund Schwebstoffe können sowohl über die gesamte Wassertiefe als auch direkt an der Kanalsohle aufgenommen werden (ATV e.V., 1983).

Der Steilrechen mit Filterband eignet sich für den Einsatz an Standorten mit gleichmäßig zusammengesetztem Rechengut und an Orten, wo kein großer Fäkalanteil auftritt. Ein Vorteil dieses Rechentyps ist eine hohe Betriebssicherheit durch eine robuste Bauweise. (FSM, o. J.; ATV e.V., 1983)

1.2.1.2 Filterstufenrechen

Filterstufenrechen sind konstruiert aus ineinander verschränkten Stäben, welche alle in Längsrichtung angeordnet sind. Jeweils die Hälfte der Stäbe sind zu einem Rechenrost in Stufenform verbunden. Eines der Roste bewegt sich in einem kreisförmigen Pilgerschritt. Dies bedeutet, dass durch die kreisförmige Bewegung das Rechengut von dem starren Rechenrost aufgenommen wird und auf der nächsten Stufe des starren Rechenrosts wieder abgesetzt wird. Dieser Vorgang wiederholt sich kontinuierlich, bis das Rechengut am oberen Ende auf ein Fließband abgestrichen wird. In Abbildung 1-6 wird eine Skizze eines Filterstufenrechens der Firma Hydropress gezeigt. (Hellmann & Riegler, 2003)

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 1-6: Skizze eines Filterstufenrechens der Firma Hydropress (Hellmann & Riegler, 2003)

Die Konstruktion dieses Rechens, ermöglicht eine platzsparende und kompakte Bauweise, da keine Umlenkungen oder Lagerungen im Unterwasserbereich erforderlich sind. Ebenfalls kann der Antrieb des Filterstufenrechens oberhalb des Gerinnes installiert werden. (Hellmann & Riegler, 2003)

Ein Nachteil der Filterstufenrechen ist, dass diese Rechenform sehr wartungsanfällig ist. Durch die kontinuierliche Bewerbung des Rechenrostes, können kleine Steine zwischen den starren und beweglichen Rechenrosten eingeklemmt werden. Dies führt zu Verformungen des Rostes. (Hellmann & Riegler, 2003)

1.2.1.3 Kranbahngreiferrechen

Ein Kranbahngreiferrechen kennzeichnet sich durch einen Rost aus, der leicht geneigt sein kann. Die Reinigung dieses Rechens erfolgt über einen Greifer, der sowohl mechanisch als auch hydraulisch betrieben werden kann. Ein Greifer, welcher an einer Laufkatze mit Kranbahn hängt, wird von oben zwischen die Gitterstäbe bis an die Sohle geführt und dort geschlossen. Nach dem Schließen des Greifers, wird das erfasste Rechengut gehoben und per Kranbahn zu einem Container geführt. Alternativ kann das gewonnene Rechengut auch auf einem abseits gelegenen Abladeplatz gelagert werden (ATV e.V., 1983). Abbildung 1-7 zeigt eine Skizze eines Kranbahngreiferrechens (Giesecke, et al., 2014).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 1-7: Skizze eines Rechens mit Kranbahngreifer (Giesecke, et al., 2014)

Die Konstruktionsbreite des Greifers darf geringer sein, als die Breite des Rechens. Der Rechen wird für die Reinigung in Abschnitte, die der Konstruktionsbreite des Greifers entsprechend, aufgeteilt. Der Greifer wird mittels der Laufkatze für das jeweilige Reinigungsintervall versetzt. Die angeschwemmten Festund Schwebstoffe können auf diese Art aus dem gesamten Rechen entfernt werden. (ATV e.V., 1983)

Der Einsatz von Kranbahngreiferrechen hat Vorteile bei Pumpund Kraftwerken und offenen Gerinnen, an denen häufig nur Grobrechen vorzufinden sind. Der Einsatz im Zulauf der Kläranlagen ist nur bedingt möglich, da hier häufig Feinoder Feinstrechen angebracht sind (Pinnekamp, 2011; ATV e.V., 1983). Die schrittweise Reinigung des Rechens kann zu einem Zerschlagen oder Durchdrücken der zu entfernenden Partikel führen (Pinnekamp, 2011). Ein weiterer Nachteil sind die verhältnismäßig langen Transportwege des Rechengutes (ATV e.V., 1983).

1.2.2 Gegenstromrechen

Rechen werden Gegenstromrechen oder auch rückwärtsgeräumte Rechen genannt, wenn sie so konstruiert sind, dass die angeschwemmten Festund Schwemmstoffe von der Rückseite des Rechens gereinigt werden. Bei rückwärtsgeräumten Rechen wird das Rechenrost senkrecht freistehend und nach oben offen konstruiert. (ATV e.V., 1983)

Der Vorteil von Gegenstromrechen besteht darin, dass ein Überströmen der Rechenstäbe im Hochwasserfall möglich ist (Hellmann & Riegler, 2003). Desweiteren ist kein Verklemmen oder Blockieren der Harken durch Sperrstoffe, die vor den Gitterstäben liegen, möglich. Das Herausheben von Grobstoffen durch Reinigungsharken wird somit erleichtert und sicherer (ATV e.V., 1983). Nachfolgend werden die gebräuchlichsten Gegenstromrechenarten erläutert.

1.2.2.1 Doppellenkerrechen

Doppellenkerrechen bestehen aus den freistehenden Rechenstäben und einer Räumungsapparatur, welche oberhalb des Gerinnes aufgestellt wird. Der Räumungsapparat hat ein gelenkiges Gestänge mit einer horizontalen, starren Harke. Zur Reinigung wird die Harke senkrecht hinter dem Rechen bis zur Sohle in das Gerinne gesetzt und dort zwischen die Rechenstäbe geschoben. Durch die anschließende Senkrechtbewegung wird das Rechengut von den Rechenstäben gestreift und aufgenommen. Oberhalb des Gerinnes wird das gewonnene Rechengut dann horizontal zu einem Container oder Förderband transportiert und dort erneut abgestreift (Hellmann & Riegler, 2003). Der Antrieb des Räumungsapparats erfolgt entweder mechanisch mittels Getriebemotoren oder hydraulisch per Hydraulikzylinder (ATV e.V., 1983). Eine Systemskizze eines Doppellenkerrechens wird in Abbildung 1-8 gezeigt.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 1-8: Skizze eines rückwärtsgeräumten Doppellenkerrechens (Hellmann & Riegler, 2003)

Ein Vorteil der Doppellenkerrechen ist, dass im Gerinne selbst keine weiteren Einbauten zur Räumung benötigt werden und somit eine platzsparende und kompakte Bauweise möglich ist. Der aufwändige Antrieb des Räumungsapparats ist jedoch anfällig für Störungen. (Hellmann & Riegler, 2003)

1.2.2.2 Rückwärtsgeräumte Steilrechen

Dieser Rechentyp wird zur Vollständigkeit erwähnt. Alle im Kapitel 1.2.1.1 vorwärtsgeräumten Steilrechen können auch als rückwärtsgeräumte Steilrechen konstruiert werden und werden daher nicht erneut erläutert. In Abbildung 1-9 wird ein Kletterrechen als Beispiel für eine Umkonstruktion von einem vorwärtsgeräumten zu einem rückwärtsgeräumten Rechen gezeigt.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 1-9: Kletterrechen der Firma HUBER SE (HUBER SE, 2015)

1.2.3 Spiralsiebrechen

Spiralsiebrechen, auch Schneckenrechen, sind eine Rechensonderform, welche weder zu den Mitstromrechen noch zu den Gegenstromrechen gezählt werden, da die Reinigung spiralförmig durch Reinigungsbürsten von innen erfolgt. Diese Rechenform ist konstruiert aus einem Spiralförderer, einer Transportschnecke, einer variablen Anzahl von Reinigungsbürsten sowie einer Presszone. Im Gerinne befindet sich der Spiralförderer, welcher aus einer Wandung aus feinem Lochblech besteht. Das an dem Lochblech angeströmte Rechengut, wird durch die Transportschnecke aus dem Gerinne gefördert. Festgesetztes Rechengut wird durch aufgeschraubte Reinigungsbürsten, welche sich am unteren Ende der Transportschnecke kontinuierlich drehen, vom Lochblech gelöst. Das obere Ende der Transportschnecke ist als Pressschnecke ausgebildet und bildet die Presszone. Hier wird das Rechengut entwässert und anschließend direkt in einen Container abgeworfen. Ein so konstruierter Spiralsiebrechen ist in Abbildung 1-10 gezeigt. (Hellmann & Riegler, 2003)

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Abbildung 1-10: Funktionsskizze eines Spiralsiebrechen (Hellmann & Riegler, 2003)

Diese Rechenform findet ihre Anwendung auf kleinen Kläranlagen mit wenig Personaleinsatz. Antriebe und Lagerungen sind nicht im Gerinne notwendig, sodass eine kompakte Bauweise möglich ist. Die Anwendung dieser Rechenform ist praktikabel für Kläranlagen mit einer maximalen Gerinnebreite von etwa 50 cm. Der Spiralsiebrechen ist ausschwenkbar angeordnet, sodass im Falle von Störungen oder Verstopfungen eine einfache Beseitigung möglich ist. (Hellmann & Riegler, 2003)

Der Vorteil dieser Rechenform ist die integrierte Vorbehandlung des Rechenguts. Neben einer enormen Platzersparnis kann die Rechengutgewinnung und Entwässerung mit nur einem Antrieb erfolgen. Eine integrierte Auswaschung des Rechenguts bei dieser Rechenform ist nicht möglich, sodass die Volumenreduktion des Rechenguts hierdurch gestört wird. (Hellmann & Riegler, 2003)

1.3 Rechengutanfall auf Kläranlagen

Der Anfall des Rechenguts (mRG) auf kommunalen Kläranlagen wird von vielen Faktoren beeinflusst. Hierzu zählen die Größe und die Art des Einzugsgebietes, die Kanalisationsart (Mischund Trennkanalisation oder Mischformen), Art und Anzahl der vorgeschalteten Pumpwerke, Witterungseinflüsse, die zeitliche Dimension (Jahreszeit, Wochentag und Tageszeit) sowie der Bauform des Rechens und dessen Spalt-, Lochoder Maschenweite (Kuhn, 2014). In dieser Arbeit werden die Einflüsse der Ausbaugröße der Kläranlage, der zeitliche Verlauf des Rechengutanfalls innerhalb von 24 Stunden sowie die Öffnungsgeometrie erläutert.

1.3.1 Ausbaugröße der Kläranlage

Im Jahr 2013 verglich Uckschies den spezifischen Rechengutanfall mit der Anlagengröße. Das Ergebnis der Untersuchung zeigt die nachfolgende Abbildung 1-11 (Uckschies, 2013).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 1-11: Spezifische Rechengutmenge von 85 Kläranlagen in Abhängigkeit der Ausbaugröße der Kläranlage (Uckschies, 2013)

Hieraus lässt sich erkennen, dass der gepresste Rechengutanfall sehr stark zwischen 0,5 l/(E x a) und 12,5 l/(E x a) streut, eine Erklärung für die Schwankungsbreite gibt Uckschies jedoch nicht. Erst ab einer Ausbaugröße von etwa 35.000 Einwohnerwerten verringert sich die Streuung des gepressten Rechenguts auf eine Bandbreite von 2 l/(E x a) bis 6 l/(E x a). Im Schnitt beträgt der mittlere Rechengutanfall jedoch 6 l/(E x a). Nach Uckschies ist somit der Rechengutanfall bei der Auslegung von Kläranlagen, vor allem bei Kläranlagen mit kleinerer Ausbaugröße, eine kaum zu kalkulierende Größe. (Uckschies, 2013)

1.3.2 Zeitlicher Verlauf des Rechengutanfalls innerhalb von 24 Stunden

Im Verlauf eines Tages variiert die Menge an Rechengut, die zur Abwasserreinigungsanlage transportiert wird. Diese Varianz wurde im Jahr 1981 von Röper und Klauke untersucht und wird in Abbildung 1-12 gezeigt. (Röper & Klauke, 1981)

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 1-12: Ganglinie des Abwassers und des Rechengutanfalls bei Trockenwetter (Röper & Klauke, 1981)

Die rote Rechengutlinie entspricht dem Verlauf des Rechengutanfalls an einem Sonntag und die blaue Rechengutlinie, dem eines Werktages. Die Grafik zeigt, dass ab 7 Uhr mit dem erhöhten Wasserzufluss überproportional mehr Rechengut zur Kläranlage strömt. Dies erklärt sich dadurch, dass sich in der Nacht durch den zu niedrigen Wasserstand das Rechengut in der Kanalisation absetzt und morgens von dem erhöhten Wasserzufluss in der Kanalisation gelöst und weiter transportiert wird. Ebenfalls wird durch die Morgentoilette deutlich mehr Rechengut produziert. (Röper & Klauke, 1981)

Des Weiteren haben Röper und Klauke den Einfluss von typischen Spitzen eines Einzugsgebietes auf den Rechengutanfall ermittelt. Dabei wurden die zu erwartenden Stoßbelastungen auf den Rechengutanfall bei Trockenwetter und durch ein Niederschlagsereignis untersucht. Den Einfluss aus einem Niederschlagsereignis auf den Wasserzuflauf und den Rechengutanfall auf einer Kläranlage wird in Abbildung 1-13 gezeigt. (Röper & Klauke, 1981)

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 1-13: Ganglinie des Abwassers und des Rechengutanfalls bei einem Niederschlagsereignis (Röper & Klauke, 1981)

Es ist zu sehen, dass mit Beginn des Niederschlags das Rechengut, welches sich bei einem Trockenwetterabfluss in der Kanalisation abgelagert hat, durch die erhöhte Wassermenge (hier der Spülstoß) zur Kläranlage transportiert wird und somit der Rechengutanfall ansteigt. Nach dem Spülstoß reduziert sich die angeströmte Rechengutmenge auf ein mittleres Niveau bis das angelagerte Rechengut aus der Kanalisation gespült wird (hier der Nachlaufstoß). Mit abnehmender Niederschlagsmenge lagert sich das Rechengut erneut in der Kanalisation an und wird nicht weiter zu Kläranlage transportiert. (Röper & Klauke, 1981)

1.3.3 Abhängigkeit des Rechengutanfalls von der Öffnungsgeometrie

Wie bereits in Kapitel 1.2 erwähnt, hängt der Rechengutanfall quantitativ von der Durchgangsweite des Rechens ab. Diese Abhängigkeit des Rechengutanfalls von der Spaltweite untersuchte Uckschies im Jahr 2013 auf 85 Kläranlagen. Die durch Versuche und in der Literatur gefundene Abhängigkeit wird in Abbildung 1-14 gezeigt. (Uckschies, 2013)

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 1-14: Spezifische Rechengutmenge in Abhängigkeit von der Öffnungsgeometrie (Uckschies, 2013)

Die Ergebnisse der Literatur zeigen eine Streuung des gepressten Rechengutanfalls zwischen 1,95 l/(EW x a) und 17,80 l/(EW x a), die der Praxis zeigen eine Streuung zwischen 0,6 l/(EW x a) und 12,67 l/(EW x a). Sowohl die Ergebnisse der Literaturrecherche als auch die der Versuche sagen aus, dass mit einer kleineren Spaltweite des Rechens die Rechengutmenge ansteigt, jedoch einer starken Streuung unterliegen. Ebenfalls ist zu erkennen, dass der Rechengutanfall von der Öffnungsgeometrie (Loch, Spaltsieb und Spalt) beeinflusst wird. Jedoch ist auch in den einzelnen Öffnungsgeometrien zu sehen, dass sich bei einer geringeren Lochund Spaltweite der Rechengutanfall erhöht. (Uckschies, 2013)

1.3.4 Zusammenfassung der Ergebnisse zum Rechengutanfall

Die Ergebnisse der Untersuchungen zeigen, dass sich keine allgemeine Aussage über den jährlichen Rechengutanfall je Einwohnerwert treffen lässt, sondern starken Streuungen unterliegt. Dies ist unter Anderem auf die Einflüsse der Ausbaugröße der Kläranlage bzw. der angeschlossenen Einwohnerwerte, den tageszeitlichen Verlauf des Rechengutanfalls und der Öffnungsgeometrie zurückzuführen.

Des Weiteren erläutert Kuhn, dass der Rechengutanfall und dessen Streuung von der Zusammensetzung des Rechenguts und der Fließgeschwindigkeit durch die Öffnungen der Separationsfläche beeinflusst werden (Kuhn, 2014). Diese Einflüsse sind zum aktuellen Stand jedoch unerforscht und werden daher in dieser Arbeit nicht weiter berücksichtigt.

1.4 Analyseparameter zur Charakterisierung des Rechengutes

In der DIN EN 1085 wird Abwasser definiert als „Wasser, bestehend aus jeglicher Kombination von abgeleitetem Wasser aus Haushalten, Industrieund Gewerbebetrieben, Oberflächenabfluss und unbeabsichtigter Fremdwasserzufluss“ (DIN EN 1085, 2007). Trotz der allgemeinen Aussage dieser Definition wird deutlich, dass Wasser vielerlei Verwendung findet, wodurch es mit organischen und anorganischen Inhaltsstoffen beaufschlagt wird (Mudrack & Kunst, 2003). Da das Abwasser mit Eintritt in die Kläranlage durch ein Rechen strömt und die Feststoffe des Abwassers im Rechen verbleiben, ist auch das Rechengut mit organischen und anorganischen Inhaltsstoffen beaufschlagt. Die Inhaltsstoffe im Abwasser können durch physikalische, chemische und biologische Analysen charakterisiert werden (Bever, 2002). Für die Steuerung der einzelnen Reinigungsstufen einer Kläranlage ist meist keine zeitaufwendige detaillierte Analyse aller einzelnen Inhaltsstoffe notwendig (Imhoff, et al., 2009). Eine Analyse der Summenparameter reicht für diesen Zweck häufig aus und liefert eine zeitnahe Einschätzung. Ein Summenparameter fast die einzelnen Stoffgruppen der Abwasserinhaltsstoffe zu einem gemeinsamen Wert zusammen (Koppe & Stozek, 1999). In der Praxis wird die organische Belastung des Abwassers häufig durch die Summenparameter chemischer Sauerstoffbedarf (CSB) und gesamter organisch gebundener Kohlenstoff (TOC) beschrieben. Der Summenparameter biochemischer Sauerstoffverbrauch in fünf Tagen (BSB5) gibt Aufschluss über die aerob biologisch abbaubaren organischen Abwasserinhaltsstoffe (Imhoff, et al., 2009). Die Ermittlung der Summenparameter CSB und BSB5 ist jedoch nicht Bestandteil der vorliegenden Arbeit und wird nur zur Vollständigkeit erwähnt und erläutert.

Die abschließende Bilanzierung des organisch gebundenen Kohlenstoffs (TOC) im Rechengut kann über die Ermittlung des Trockenrückstandes und des Glühverlustes erfolgen. Daher wird der Nutzen und das Verfahren der Kohlenstoffgehaltsermittlung sowie die Begriffe Trockenrückstand und Glühverlust nachfolgend kurz erklärt.

1.4.1 Total Organic Carbon und Dissolved Organic Carbon

In der Abwasseranalytik werden zur Bestimmung der Abwasserinhaltsstoffe die Parameter „Gesamter organisch gebundene Kohlenstoff (Total Organic Carbon (TOC))“ und „Gelöster organische Kohlenstoff (Dissolved Organic Carbon (DOC))“ bestimmt. Der Parameter TOC beschreibt die Menge an Kohlenstoff, die sowohl gelöst als auch in kolloidalen und suspendierten organischen Stoffen gebunden ist. Der Parameter DOC erfasst den gesamten Kohlenstoffanteil der gelöst vorliegenden organischen Stoffe in der untersuchten Substanz (Fritsch, et al., 2014). Für gewöhnlich werden diese beiden Parameter nach DIN EN 1484:1997-08 bestimmt und in mg/l C angegeben (Imhoff, et al., 2009).

In der Literatur wird zudem eine alternative Methodik zur Bestimmung des TOC angegeben. Bei dieser Methode wird der Gehalt des organisch gebundenen Kohlenstoffs über den Glühverlust ermittelt. Nach Ehrig kann der TOC über die folgende Annäherung ermittelt werden: (Ehrig, 1998)

TOC = 4,7 .GV (1)

Dabei ist:

TOC organisch gebundener Kohlenstoffgehalt [in g/kg TS]

GV Glühverlust [in % TS]

Da für diese Methode der Parameterbestimmung nur ein geringer Analyseaufwand nötig ist, wird diese Methode zur abschließenden Bilanzierung des Kohlenstoffgehalts von Rechengut angewendet. Die Verfahren zur Bestimmung des Glühverlustes und des damit verbunden Trockenrückstandes werden nachfolgend erläutert.

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