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Studie zur Optimierung und Sanierung der Kläranlage Friedberg

Bachelorarbeit 2018 93 Seiten

Ingenieurwissenschaften - Wirtschaftsingenieurwesen

Leseprobe

Inhaltsverzeichnis

Abstract

Abbildungsverzeichnis

Tabellenverzeichnis

Abkürzungsverzeichnis

Inhaltsverzeichnis

1 Einleitung

2 Funktionsweise einer Kläranlage
2.1 Mechanische Reinigungsstufe
2.2 Biologische Reinigungsstufe
2.3 Schlammstufe
2.4 Weitergehende Abwasserreinigung
2.5 Weitergehende Schlammbehandlung / Phosphorrückgewinnung

3 Analyse der Bestandsanlage
3.1 Beschreibung und Analyse der Bestandsanlage
3.1.1 Mechanische Reinigungsstufe
3.1.2 Biologische Reinigungsstufe
3.1.3 Schlammstufe
3.1.4 Energieschiene
3.2 Aktuelle Situation der Kläranlage
3.3 Ablaufsituation der Kläranlage
3.4 Zusammenstellung der Dimensionierungswerte
3.4.1 Abwassermengen
3.4.2 Abwasserfrachten und Konzentrationen im Zulauf
3.4.3 Festlegung der Ausbaugröße
3.4.4 Bemessungsschmutzfrachten

4 Sanierungs- und Optimierungsmaßnahmen
4.1 Rechenanlage
4.1.1 Stabrechen
4.1.2 Stufenrechen
4.1.3 Harken-Umlaufrechen
4.1.4 Lochblechrechen
4.1.5 Spalt- und Lochblechsiebe
4.1.6 Optimierungsmaßnahmen Rechenanlage
4.2 Sandfang
4.3 Vorklär- und Anaerobbecken
4.4 Belebungsbecken
4.5 Nachklärbecken
4.6 Schlammstufe
4.6.1 Zentrifugen (Dekanter)
4.6.2 Filterpressen
4.6.3 Bandfilterpressen
4.6.4 Schlauchfilterpressen
4.6.5 Schneckenpressen
4.6.6 Optimierungsmaßnahmen Schlammstufe
4.7 Kosteneinsparungen

5 Fazit

Literaturverzeichnis

6 Anhang
6.1 Abwassermengen
6.2 Ablaufsituation
6.3 Auswertung der Abwasserfrachten im Zulauf
6.3.1 CSB-Frachten im Zulauf
6.3.2 Stickstoff- und Ammoniumstickstofffrachten im Zulauf
6.3.3 Phosphorfrachten im Zulauf
6.3.4 BSB-Frachten im Zulauf
6.4 Rechenanlage
6.4.1 Rechnungen Rechenanlage
6.4.2 Rechengutentsorgung
6.5 Sandfang
6.5.1 Rechnungen Sandfang
6.5.2 Leistungstabellen Gebläse
6.6 Vorklärung
6.7 Belebungsstufe
6.7.1 Rechnungen Belebungsbecken
6.7.2 Kaskadendenitrifikation
6.7.3 Schlammindex
6.7.4 TS-Gehalt
6.8 Rechnungen Voreindicker
6.9 Maschinelle Schlammentwässerung
6.10 Energieschiene
6.11 Klärgasproduktion

Erklärung zur vorliegenden Arbeit gemäß § 22/7 APB

Abstract

Deutsch

Das Thema dieser Bachelorthesis ist die Gesamtbetrachtung der Kläranlage in Friedberg (Hessen) im Auftrag des Betreibers der Anlage. Im Rahmen dieser Gesamtbetrachtung sollen Optimierungs- und Sanierungsmaßnahmen entwickelt werden, die den Betrieb der Bestandsanlage verbessern, sichern und effizienter machen. Zu diesem Zweck wurde zunächst eine Begehung der Anlage mit den Betreibern durchgeführt um einen Überblick über den aktuellen Stand der Anlage zu bekommen. Anschließend wurde die Zu- und Ablaufsituation der Kläranlage anhand der vorhandenen Betriebstagebücher untersucht und eingeordnet. Nach dieser Grundlagenermittlung wurden die einzelnen Reinigungsstufen und Anlagenteile detailliert betrachtet, verschiedene Sanierungs- und Optimierungsmaßnahmen entwickelt und gegenübergestellt. Es zeigt sich, dass es trotz guter Ablaufwerte und der Einhaltung aller Grenzwerte in allen Reinigungsstufen Möglichkeiten zur Optimierung gibt, sowohl bei den technischen Anlageteilen, als auch im Bereich der Verfahrenstechnik. Die Ergebnisse sind nicht nur für die Betreiber der Anlage in Friedberg interessant, sondern können auch von anderen Betreibern als Anreiz gesehen werden, ihre Kläranlage weiter zu verbessern.

English

This bachelor thesis is about an end-to-end status and efficiency analysis of the wastewater treatment plant in Friedberg (Hessen) on behalf of the operator. The goal of this comprehensive survey is to identify optimisation and remediation measures, allowing to operate the facility in a more optimized, reliable and efficient way. Starting point was an inspection of the facility together with the operators to gain an overview on the current state. As a second step, the inbound and outbound water flows statistics have been analysed and structured based on the operations diary. On top of this base data, each treatment stage and plant component has been analysed in detail and related optimization and remediation suggestions have been developed and opposed. Despite the fact that today all threshold values are met and the good discharge flow characteristics, the survey results are showing optimization options around several technical plant components as well as around the process engineering. The results of this survey are not only for interest for the operators in Friedberg but also can be used by other plant operators as potential options for improvements.

Schlagwörter / Keywords:

Studie / research study

Kommunale Abwasserreinigung / municipal wastewater treatment plant

Anlagen- und Verfahrenstechnik / plant and process engineering

Abbildungsverzeichnis

Abbildung 1: Auswertung Abwasserfrachten

Abbildung 2: Empfohlener Lufteintrag in Abhängigkeit von der Querschnittsfläche des Sandfangs

Abbildung 3: Verfahrensschema Kaskadendenitrifikation

Abbildung 4: Bereich des Faktors zur Ermittlung des Mischwasserzuflusses

Abbildung 5: Bereich des Divisors zur Ermittlung des maximalen Trockenwetterzuflusses

Abbildung 6: Summenhäufigkeit nach Gauß – Zulauf Kläranalge .

Abbildung 7: Ganglinie Zulaufmenge

Abbildung 8: Ablaufganglinie CSB

Abbildung 9: Ablaufganglinie BSB5

Abbildung 10: Ablaufganglinie Stickstoff

Abbildung 11: Ablaufganglinie Phosphor

Abbildung 12: Summenhäufigkeit nach Gauß - CSB

Abbildung 13: CSB-Frachten in Abhängigkeit von der Tageswassermenge

Abbildung 14: Summenhäufigkeit nach Gauß – TKN

Abbildung 15: TKN-Frachten in Abhängigkeit von der Tageswassermenge

Abbildung 16: Summenhäufigkeit nach Gauß – Phosphor

Abbildung 17: Phosphorfrachten in Abhängigkeit von der Tageswassermenge

Abbildung 18: Summenhäufigkeit nach Gauß - BSB

Abbildung 19: Ergebnisse der Berechnung der Rechenanlage in Excel

Abbildung 20: Verteilung der Rechengutmengen auf die Entsorgungswege in Hessen 2015

Abbildung 21: Leistungstabelle Aerzener Gebläse

Abbildung 22: Leistungstabelle Kaeser Gebläse

Abbildung 23: Fließschema Kaskadendenitrifikation

Abbildung 24: Fließschema Kaskadendenitrifikation mit mehreren Kaskaden

Abbildung 25: Fließschema Kaskadendenitrifikation bei Neubau Nachklärbecken

Abbildung 26: Ganglinie Schlammindex (Belebungsbecken)

Abbildung 27: Summenhäufigkeit nach Gauß - Schlammindex (Belebungsbecken)

Abbildung 28: Ganglinie Trockensubstanzgehalt (Belebungsbecken)

Abbildung 29: Leistungsdaten verschiedener Entwässerungsmaschinen

Abbildung 30: Ganglinie Stromverbrauch Kläranlage Friedberg

Abbildung 31: Ganglinie Stromerzeugung BHKW

Abbildung 32: Ganglinie Klärgasproduktion

Tabellenverzeichnis

Tabelle 1: Vergleich der Einsatzstellen zur Phosphorrückgewinnung

Tabelle 2: Bemessungswerte Biologie

Tabelle 3: Ermittlung des spezifischen Stromverbrauchs der Kläranlage

Tabelle 4: Schmutzwassermengen

Tabelle 5: Auswertung Abwassermengen

Tabelle 6: Bemessungsabwassermengen

Tabelle 7: Auswertung Abwasserfrachten

Tabelle 8: Ermittlung der zukünftigen mittleren Anschlussgröße bis 2025

Tabelle 9: Ermittlung der zukünftigen Ausbau- und Bemessungsgröße

Tabelle 10: Bemessungsschmutzfrachten

Tabelle 11: Ergebnisse Berechnung Rechenanlage bei Trockenwetter

Tabelle 12: Ergebnisse Berechnung Rechenanlage bei Regenwetter

Tabelle 13: Kenndaten Zentrifugen

Tabelle 14: Kenndaten Kammer- und Membranfilterpresse

Tabelle 15: Kenndaten Bandfilterpressen

Tabelle 16: Kenndaten Schlauchfilterpressen

Tabelle 17: Kenndaten Schneckenpressen

Tabelle 18: Auswertung CSB-Frachten im Zulauf

Tabelle 19: Ermittlung der Einwohnerwerte für CSB

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Tabelle 20: Auswertung TKN-Frachten im Zulauf

Tabelle 21: Ermittlung der Einwohnerwerte fUr TKN

Tabelle 22: Ermittlung der Einwohnerwerte fUr Phosphor

Tabelle 23: Abscheideleistung der Vorklarung in Abhangigkeit von der Aufenthaltszeit

Abkürzungsverzeichnis

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

1 Einleitung

Die Aufgabe von Kläranlagen ist, die im Abwasser vorhandenen Schmutz- und Schadstoffe zuverlässig und ökonomisch zu beseitigen (Mechanische Abwasserreinigung, 1997). Somit dienen sie sowohl der Sammlung und Beseitigung der Abwasserströme aus den Haushalten und der Industrie, als auch zur Wiederaufbereitung des Abwassers, um es anschließend ohne Gefahr in die Vorfluter geben zu können. Diese Aufgabe ist von hoher Wichtigkeit, da durch verunreinigte Vorfluter sowohl die menschliche Gesundheit als auch die Tier- und Pflanzenwelt bedroht werden.

Die einzuhaltenden Richtwerte und Vorgaben für den Gewässerschutz werden in Europa durch die EU-Wasserrahmenrichtlinie bestimmt. Durch die darin enthaltenen Zielvorgaben soll erreicht werden, dass gewisse Belastungsgrenzen der Gewässer nicht überschritten werden und das Wasser problemlos für Trink-und Brauchwasserentnahmen genutzt werden kann (Weiterbildender Studiengang Wasser und Umwelt und Deutsche Vereinigung für Wasserwirtschaft, Abwasser und Abfall, 2009).

Die Aufgabe für die Abwasserreinigung wurde mit der Zeit kontinuierlich komplexer. Einerseits durch die höhere Belastung der Gewässer durch die fortlaufende Industrialisierung, andererseits durch die ständig wachsenden Anforderungen an die Nutzung der Gewässer. Um diesen wachsenden Anforderungen gerecht zu werden sind die Betreiber der Kläranlagen darauf angewiesen, dass ihre Anlagen zu jedem Zeitpunkt zuverlässig arbeiteten. Aus diesem Grund wurde von den Betreibern der Kläranlage in Friedberg eine Studie in Auftrag gegeben um herauszufinden, wie die Anlage noch weiter optimiert werden kann und an welchen Stellen der Anlage es Sanierungs- oder Modernisierungsbedarf gibt. Im Zuge dieser Studie soll die Anlage in vollem Umfang betrachtet werden und Verbesserungen der Bestandsanlage, möglichst ohne kostspielige Neubauten oder Erweiterungen, entwickelt werden. Dafür werden zunächst die Zu- und Ablaufsituation der Kläranlage in Friedberg anhand der Betriebstagebücher und der allgemeine Zustand der Anlage untersucht. Auf der Basis dieser Ergebnisse werden Probleme in den einzelnen Anlagenteilen und Reinigungsstufen erörtert und Lösungsvorschläge und geeignete Sanierungs- und Optimierungsmaßnahmen aufgezeigt. Das Ziel dieser Maßnahmen ist, die Reinigungsleistung zu verbessern und die Betriebssicherheit der Anlage zu erhöhen. Dadurch soll die Anlage auch auf steigende Anforderungen in der Zukunft vorbereitet sein und eine, den Grenzwerten und Vorgaben entsprechende, Reinigung des zu behandelnden Abwassers garantieren.

2 Funktionsweise einer Kläranlage

2.1 Mechanische Reinigungsstufe

Die mechanische Reinigungsstufe umfasst die Anlagenteile Rechen, Sand- und Fettfang und die Vorklärung. Über diese Reinigungsstufe sollen grobe Verschmutzungen, Sand, Fett und organische Stoffe aus dem Abwasser entfernt werden, um die Betriebssicherheit zu gewährleisten.

Die Rechenanlage einer Kläranlage dient zur Entfernung von groben Schmutzstoffen wie Holz- und Plastikteilen, Lappen, Hygieneartikeln und Dosen aus dem der Anlage zufließenden Abwasser. Die Entfernung dieser Stoffe dient vor allem dem Schutz der nachfolgenden Anlagenteile vor Verstopfungen und Verzopfungen, um die Betriebssicherheit der Anlage sicherzustellen und um zu vermeiden, dass sich diese Stoffe im Schlamm anreichern (Mechanische Abwasserreinigung, 1997). Nach aktuellem Stand der Technik geht der Trend zum Einsatz immer feinerer Rechen in der mechanischen Abwasserreinigung um Betriebsstörungen zu verhindern, den Wartungsaufwand zu ver- mindern und die Vorklärung zu entlasten. Durch feinere Rechen wird auch der Überschussschlamm vor Verunreinigung geschützt, wodurch dieser besser in der Landwirtschaft genutzt werden kann (Gujer, 2007). Dadurch nehmen allerdings die anfallenden Mengen von Rechengut und der Rückhalt von abbaubaren organischen Stoffen zu, die in den nachfolgenden Reinigungsstufen noch benötigt werden. Das wichtigste Element einer Rechenanlage ist der Rechenrost. Je nach Bauart steht dieser entweder senkrecht oder geneigt zur Fließrichtung des Wassers. Grobe Feststoffe werden durch die Stäbe zurückgehalten und bilden bei zunehmender Belegung eine Filterfläche, wodurch auch feinere Stoffe entfernt werden (Weiterbildender Studiengang Wasser und Umwelt und Deutsche Vereinigung für Wasserwirtschaft, Abwasser und Abfall, 2009). Durch die zunehmende Belegung des Rechenrosts kommt zu einer Aufstauung des Abwassers vor dem Rost. Über den Wasserstand vor dem Rost kann die Räumung des Rechens gesteuert werden.

Im Sandfang einer Kläranlage sollen Sand und anorganische Inhaltsstoffe mit einem Partikeldurchmesser größer als 0,1 – 0,2 mm abgetrennt und entsorgt werden. Dies ist notwendig um zu verhindern, dass diese Stoffe den Betrieb der Kläranlage stören und zu einem erhöhten Verschleiß der Anlagenteile führen. Der Sand, der sich im Sandfang sammelt und entfernt wird, soll möglichst rein sein, also ohne organische Stoffe, damit es nicht zu Geruchsproblemen kommt (Imhoff et al., 2009). Außerdem werden die organischen Stoffe noch in den weiteren Reinigungsstufen benötigt.

Im Sandfang werden daher bestimmte Fließgeschwindigkeiten benötigt, sodass sich der Sand absetzt, aber andere (organische) Stoffe weiter getrieben werden. Eine vollständige Trennung von mineralischen und organischen Stoffen ist in dieser Stufe aber nicht möglich.

Grund dafür ist, dass z.B. grobe Nahrungsmittelreste, pflanzliche und tierische Abfälle deutlich höhere Sinkgeschwindigkeiten als Feinsande haben (Mechanische Abwasserreinigung, 1997). Heutzutage werden häufig, wie auch in Friedberg, belüftete Sandfänge errichtet. Durch den eingeleiteten Sauerstoff wird das Abwasser aufgefrischt und es kann seitlich eine hydraulisch beruhigte Zone eingerichtet werden, in der Leichtstoffe, wie etwa Fette, abgetrennt werden können (Fettfang). Durch diese Abtrennung kann verhindert werden, dass Fette und Öle sich später auf Oberflächen sammeln und zu Geruchsproblemen führen (Gujer, 2007).

In der Vorklärung sollen sedimentierbare Stoffe aus dem Wasser herausgelöst werden. Durch diese Abscheidung körniger und flockiger Stoffe werden weitere Verfahrensstufen vor Störungen geschützt. Alle Stoffe die in der Vorklärung entfernt werden bilden den Primärschlamm und müssen nachfolgend nicht mehr in der biologischen Reinigung aerob abgebaut werden. Somit gelangen mehr organische Stoffe in die Schlammstufe und tragen in der Schlammfaulung zur Produktion von Biogas bei (Gujer,2007). Die gewünschte Leistung der Vorklärung ist abhängig von den nachfolgenden Reinigungsverfahren und muss im Gesamtkonzept mit den nachfolgenden Reinigungsstufen abge- stimmt und dimensioniert werden.

2.2 Biologische Reinigungsstufe

In der biologischen Reinigungsstufe erfolgt der Abbau von organischen Stoffen und Verbindungen durch Bakterien und Mikroorganismen. Durch den Wechsel von Nitrifikations- und Denitrifikationzonen, also belüfteten und nicht belüfteten Zonen, in den Belebungsbecken erfolgt ein effizienter Abbau. In der Denitrifikationszone bauen Mikroorganismen Nitrat zu molekularem Stickstoff ab. Voraussetzung dafür ist die Verfügbarkeit von organischen Stoffen und anoxischen Bedingungen in dieser Zone, es darf also kein frei gelöster Sauerstoff vorhanden sein. Das Nitrat dient den Organismen dabei als Sauerstoffquelle zur Oxidation organischer Verbindungen (Weiterbildender Studiengang Wasser und Umwelt und Deutsche Vereinigung für Wasserwirtschaft, Abwasser und Abfall, 2009). Durch die Denitrifikation entsteht als Endprodukt elementarer Stickstoff (N2), der in die Atmosphäre abgegeben werden kann (Gujer, 2007). Somit wird Stickstoff aus dem Abwasser entfernt.

Die Reaktionsgleichung des Denitrifikationsprozesses lautet:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

In der Nitrifikationszone wird Ammonium durch autotrophe Bakterien (Nitrifikanten) zunächst zu Nitrit und anschließend zu Nitrat oxidiert. Autotrophe Bakterien beziehen anorganischen Kohlenstoff (CO2) als Kohlenstoffquelle. Ihre Energie beziehen sie aus der Oxidation anorganischer Verbindungen mit Sauerstoff als Oxidationsmittel (Weiterbildender Studiengang Wasser und Umwelt und Deutsche Vereinigung für Wasserwirtschaft, Abwasser und Abfall, 2009). Voraussetzung für den Prozess ist daher eine ausreichende Sauerstoffversorgung des Beckens durch Gebläse, damit genug gelöster Sauerstoff für den Nitrifikationsprozess vorhanden ist. Die Reaktionsgleichung des

Nitrifikationsprozesses lautet:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

In den Nachklärbecken, die den Belebungsbecken nachgeschaltet sind, soll der gebildete belebte Schlamm aus den Belebungsbecken durch Sedimentation vom Abwasser getrennt und eingedickt werden. Ein Teil des abgesetzten Schlamms aus den Nachklärbecken wird als Rücklaufschlamm wieder in den Prozess zurückgeführt und in die Belebungsbecken gegeben, um dort genug Mikroorganismen für den Abbau zu haben (Gujer, 2007). Der übrige Schlamm, Überschussschlamm genannt, wird zusammen mit dem Primärschlamm aus der Vorklärung in der Schlammstufe eingedickt und behandelt.

2.3 Schlammstufe

Der in den vorherigen Reinigungsstufen angefallene Schlamm, also der Primär- und Überschuss- schlamm, werden in der Schlammstufe behandelt. Das Ziel der Behandlung ist das Erreichen einer Stabilisierung des Schlammes, also der Abbau von organischem Kohlenstoff, um Geruchsbelästigungen zu vermeiden. Außerdem soll das Volumen des Schlammes durch Entwässerung und Eindickung reduziert werden, um die Kosten der Entsorgung zu verringern oder eine Weiternutzung zu ermöglichen. Die Schlammstufe besteht dabei meistens aus einem Voreindicker, der Faulung und der Schlammentwässerung.

Im Voreindicker einer Kläranlage werden der aus der Vorklärung abgezogene Primärschlamm und teilweise auch der Überschussschlamm eingedickt, bevor sie in die Faulung gelangen. Dadurch wird auch die Kapazität der Faultürme erhöht. Die Eindicker werden dabei meistens als Rundbecken mit trichterförmigem Boden gebaut und sind mit einem Krählwerk ausgestattet. Der Schlamm wird entweder seitlich oder in die Mitte des Bauwerks eingeleitet (Weiterbildender Studiengang Wasser und Umwelt und Deutsche Vereinigung für Wasserwirtschaft, Abwasser und Abfall, 2009). Durch langsames Rühren des Krählwerks trennt sich das Wasser aus den Zwischenräumen der Schlammflocken ab. Dadurch bildet sich durch den sich nach unten absetzenden Schlamm eine Trübwasserzone (Gujer, 2007). Die oben liegenden Feststoffe erzeugen zusätzlich einen Druck auf die unteren Schichten, wodurch ebenfalls Wasser aus den Zwischenräumen gepresst wird. Das Trübwasser wird meistens über feste Abläufe abgezogen und wieder dem Abwasserstrom zugeführt. Die erreichbaren Feststoffgehalte durch die Voreindickung liegen bei ca. 4 % bei Mischschlamm und sind abhängig vom gewählten Verfahren und der Schlammbeschaffenheit (Imhoff et al., 2009).

Die Faulung einer Kläranlage dient zur Stabilisierung des Schlammes und zur Produktion von Biogas, das während der Stabilisierung entsteht. Der Prozess der Schlammfaulung ist ein anaerober und mesophiler Prozess, also unter Ausschluss von Sauerstoff und in einem Temperaturbereich der für mesophile Mikroorganismen geeignet ist (15 - 45 °C). Meistens erfolgt die Schlammfaulung bei ca.35 °C. Dazu wird der Schlamm vorher über Wärmetauscher oder Hygienisierung erwärmt. Dies hat den Vorteil, dass die mikrobiologischen Prozesse deutlich schneller ablaufen als bei der eigentlichen Temperatur des Klärschlamms (Gujer, 2007). Meistens wird eine Faulung mit zwei Faulräumen (Reaktoren) betrieben. Im ersten Reaktor, dem Faulreaktor, herrschen Temperaturen von ca. 35 °C und es erfolgt eine regelmäßige Durchmischung. Anaerobe Abbauprozesse führen zur Bildung von Biogas, das aus dem Faulschlamm entweicht. Das entstehende Gas wird gesammelt und anschließend beispielsweise durch Gasmotoren in Energie umgewandelt. Diese Energie kann dann unter anderem zur Erwärmung des Schlammes genutzt werden. Nachdem der Schlamm ausgefault ist wird er in den zweiten Behälter, den Nachfaulraum, verdrängt.

Dort herrschen etwas niedrigere Temperaturen, um die biologischen Prozesse zu stoppen. Der Schlamm wird durch die Schwerkraft noch weiter entwässert und eingedickt. Das sich bildende Faulwasser kann wieder in die Anlage zurück geleitet werden (Gujer, 2007).

Im letzten Schritt, der Schlammentwässerung, soll nochmals das Volumen des Faulschlammes reduziert werden. Dies wird meist durch maschinelle Schlammentwässerungsverfahren in Form von Pressen oder Zentrifugen erreicht, in denen Filtratwasser vom Schlamm getrennt und somit der Trockensubstanzgehalt des Schlammes erhöht wird.

2.4 Weitergehende Abwasserreinigung

In den bis jetzt genannten Stufen der Abwasserreinigung werden nicht alle Stoffe entfernt, so können zum Beispiel anthropogene Spurenstoffe immer wieder im Wasserkreislauf nachgewiesen werden. Häufig handelt es sich dabei um Arzneimittelrückstände. Diese und andere anthropogene Spurenstoffe werden häufig durch Kläranlagenabläufe in die aquatische Umwelt eingeleitet. Aufgrund von diesem immer größer werdenden Problem stellt sich immer mehr die Frage nach der Notwendigkeit einer vierten Reinigungsstufe, um diese Stoffe zu entfernen und den Eintrag in Gewässer zu verhindern. Dadurch, dass in Deutschland das gereinigte Abwasser häufig in Vorfluter eingeleitet wird, stellen Rückstände von Arzneimitteln eine Gefahr nicht nur für die Umwelt, sondern auch für die menschliche Gesundheit dar. Besonders gefährlich sind dabei schwer abbaubare und gut wasserlösliche Stoffe. Allerdings sind nicht alle anthropogenen Spurenstoffe gefährlich, erst die Stoffwirkung und die Konzentration im Wasser oder Organismus bestimmt die Schädlichkeit eines Stoffes (Günthert und Rödel, 2013). Unter Mikroverunreinigungen oder anthropogenen Spurenstoffen versteht man Stoffe, die in sehr geringen Konzentrationen bis zu Milliardstel Nanogramm pro Liter im Wasser nachgewiesen werden können. Als gefährlich im Sinne der EG-Richtlinie 2000/60/EG (Wasserrahmenrichtlinie) gelten die Stoffe, wenn sie giftig oder schwer abbaubar sind und sich in Organismen anreichern können (Mikroschadstoffe) (Günthert und Rödel, 2013). Für die Abwassertechnik relevante Mikroschadstoffe können verschiedene anthropogene Ursprünge haben (Bauhaus-Universität Weimar et al., 2017):

- Pharmaka für Tiere und Menschen
- Röntgenkontrastmittel
- Körperpflegeprodukte
- Pflanzen- und Schädlingsbekämpfungsmittel
- Materialschutz- und Desinfektionsmittel
- Industrie- und Haushaltschemikalien
- Feuerlöschmittel

Besondere Aufmerksamkeit muss dabei den Pharmazeutika gewidmet werden, die durch die Abwasserkanalisation in den Wasserkreislauf eingebracht werden. Unter den als Leitsubstanzen betrachteten Stoffen befindet sich ein bedeutender Anteil an Pharmazeutika wie (Bauhaus-Universität Weimar et al., 2017):

- Carbamazepin (Antiepileptikum)
- Diclofenac (Schmerzmittel) x Ibuprofen (Schmerzmittel) - Metropolol (Betablocker)
- Sulfamethoxazol (Antibiotika)
- 17-alpha-Ethinylestradiol (Östrogen zur Empfängnisverhütung)

Um diese Spurenstoffe aus dem Wasserkreislauf zu eliminieren, gibt es derzeit folgende Verfahren(Günthert und Rödel, 2013):

- Adsorption an granulierter Aktivkohle (GAC)
- Adsorption mit Pulveraktivkohle (PAC)
- Ozonung
- Membranverfahren
- Verfahrenskombinationen PAC + GAC
- Verfahrenskombination Ozon + GAC
- Verfahrenskombination PAC + Ozon + GAC
- Ultra- und Nanofiltration

Es gibt neben diesen Verfahren noch weitere Möglichkeiten um Spurenstoffe aus dem Abwasser zu entfernen, die aber in der Anwendung bisher zu wenig untersucht worden sind (Günthert und Rödel,2013):

- Advanced Oxidation Process (AOP)
- Verschiedene Kombination von Ozonung, UV-Bestrahlung, Wasserstoffperoxid und Titandioxid
- Ferrat
- Chlor, Chlordioxid (oxidatives Verfahren)
- Photolyse
- Ultraschall
- Nanotechnologie

2.5 Weitergehende Schlammbehandlung / Phosphorrückgewinnung

Auf den meisten Kläranlagen in Deutschland wird keine relevante Phosphorrückgewinnung betrieben. Diese Elimination von Phosphor würde aber zum Schutz der Gewässer und zum Ressourcenschutz beitragen. Die verschiedenen Möglichkeiten der Phosphorrückgewinnung die auf einer Kläranlage angewandt werden können, sind abhängig von verschiedenen Parametern wie der Art der derzeit betriebenen Phosphorelimination und der Bindungsform des Phosphors im Klärschlamm. Meistens ist eine Durchführung einer Phosphorrückgewinnung einfacher umzusetzen und anzuwenden, wenn bisher nur eine biologische Phosphorelimination angewendet wird (Pinnekamp und Kölling, 2010).

Auf einer Kläranlage gibt es verschieden Möglichkeiten und Stellen, um Anlagen zur Phosphorrückgewinnung zu installieren und einzusetzen. Dabei stehen grundsätzlich vier mögliche Einsatzstellen zur Verfügung (Pinnekamp und Kölling, 2010):

1. Rückgewinnung im Kläranlagenablauf
2. Rückgewinnung aus den Schlammwässern
3. Rückgewinnung aus entwässertem Klärschlamm
4. Rückgewinnung aus der Klärschlammasche (Monoverbrennung)

Die genannten Einsatzstellen können nach verschiedenen Kriterien, zur Beurteilung der Effizienz und Wirtschaftlichkeit der Rückgewinnung, unterschieden werden. Eine Gegenüberstellung zum Vergleich der verschiedenen Einsatzstellen nach den wichtigsten Kriterien ist in der nachfolgenden Tabelle dargestellt (Pinnekamp und Kölling, 2010):

Tabelle 1: Vergleich der Einsatzstellen zur Phosphorrückgewinnung

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

3 Analyse der Bestandsanlage

3.1 Beschreibung und Analyse der Bestandsanlage

3.1.1 Mechanische Reinigungsstufe

Die mechanische Reinigungsstufe besteht in Friedberg aus einer Rechenanlage (zwei Filterstufenrechen und ein Grobrechen) mit Rechengutwaschpresse, dem Sandfang mit Sandwäscher und Sandklassierer zur Sandaufbereitung und einem Vorklärbecken.

Die Rechenanlage befindet sich gemeinsam mit dem Sandklassierer und dem Sandwäscher im Rechenhaus. Die zwei verbauten Rechen sind Filterstufenrechen der Firma Preussag Wassertechnik aus dem Jahre 2001 mit einer Stabweite von 6 mm, die im Parallelbetrieb laufen. Die Steuerung der Rechen erfolgt über eine Wasserspiegel-Differenzmessung. Die maximale Nutzungsdauer liegt nach Angaben der Bund/Länder-Arbeitsgemeinschaft Wasser („LAWA“) bei 10-14 Jahren (Deutsche Vereinigung für Wasserwirtschaft, Abwasser und Abfall, 2012). Somit wurde die maximale Nutzungsdauer bereits 2015 überschritten. Der zusätzliche Grobrechen (Firma FBO, Stabweite 40 mm) für den Zulauf zum Regenüberlaufbecken stammt aus dem Jahre 1987 und hat somit ebenfalls bereits 2001 seine maximale Nutzungsdauer überschritten, durch die geringe Belastung ist die Abnutzung hier allerdings geringer als bei den Rechenanlagen die dauerhaft in Betrieb sind. Das Rechengut aus den drei Rechen wird in einer Rechengutwaschpresse (Firma IBO) gewaschen, gepresst und über eine Förderanlage in einen bereitstehenden Container mit einem Containervolumen von 3,5 m³ gefördert. Dabei sind die beiden Filterstufenrechen und der zusätzliche Grobrechen zusammen an nur eine Rechengutwaschpresse und eine gemeinsame Förderanlage für das Rechengut angeschlossen. Das in den Containern gesammelte Rechengut wird abtransportiert und verbrannt. In Hessen wurde im Jahr 2015 51 % des angefallenen Rechenguts verbrannt, während 49 % nach Vorbehandlung in unterschiedlichen Bereichen verwertet wurden (Hessisches Ministerium für Umwelt, Klimaschutz, 2017) (siehe Anhang 6.4.2 .

In den nachfolgenden Anlagenteilen (Sand- und Fettfang) befindet sich auffällig viel Rechengut, das nicht vom Rechen herausgefiltert wird. Dieses nicht entfernte Rechengut setzt sich vor allem an den Anlagenteilen im Sandfang fest.

Die Abluft des Rechenhauses wird momentan über eine Abzugsanlage einem Biofilter der Firma Störk Umwelttechnik zugeführt, der in einem separaten Gebäude untergebracht ist. Dort wird die Luft gefiltert und gereinigt um Geruchs- und Umweltbelastungen durch das Rechen- und Sandgut sowie den Fettsammler zu vermeiden. Allerdings befindet sich die Abzugsanlage in der vorderen Ecke der Halle in sehr niedriger Höhe, somit wird die Luft nicht über den Containern des Rechen- und Sandgutes und über dem Fettsammler eingezogen.

Der belüftete Sand- und Fettfang ist, wie auch die Rechenanlage, zweistraßig ausgeführt. Das Zulaufgerinne mündet stirnseitig in den Sandfang. Die Belüftung der beiden Straßen mit grobblasiger Luft erfolgt durch zwei gekapselte Drehkolbengebläse der Firma Aerzen (3 kW) aus dem Jahre 1987, die außen aufgestellt sind. Die Gebläse haben somit ihre maximale Nutzungsdauer bereits 2007 überschritten (Deutsche Vereinigung für Wasserwirtschaft, Abwasser und Abfall, 2012). Über eine DN 150 Leitung gelangt die Luft an die Becken, von wo aus sie über zwei DN 100 Leitungen auf die beiden Kammern verteilt wird. Eines der beiden Gebläse dient dabei als Redundanz. Des Weiteren ist das Dämmmaterial beider Gebläse defekt und kann somit keine optimale Lärmdämmung mehr garantieren. Die Räumung des sich im Sandfang ablagernden Sandes erfolgt maschinell über eine fahrbare Brücke und eine Sandaustragspumpe der Firma KSB mit einer Leistung von 2,6 kW. Der Sand wird über diese Pumpe alle 1,5 h abgepumpt. Über die Sandaustragspumpen gelangt der Sand über Rohrleitungen in das Rechenhaus. Dort wird er in einem Sandklassierer (Firma Sevar, 1,5 kW) und Sandwäscher (Firma Noggerath, 0,44 kW) gewaschen, entwässert und in einem Container gesammelt. Sowohl der Sandklassierer als auch der Sandwäscher stammen aus dem Jahre 1995 und haben somit ihre maximale Nutzungsdauer bereits 2007 überschritten (Deutsche Vereinigung für Wasserwirtschaft, Abwasser und Abfall, 2012). Der in den Containern gesammelte Sand zeigt eine starke Verunreinigung durch organische Stoffe.

Das Fett wird über einen Fetträumer pro Straße in einen Fettsammelschacht gefördert und von dort regelmäßig über einen Saugwagen abgepumpt und entsorgt.

Nach dem Durchfließen des Rechens und des Sandfanges gelangt das Wasser über eine Leitung DN 700 in ein Hebepumpwerk, wo es 5,6 m in die Höhe gefördert wird. Das Hebepumpwerk besteht aus drei Förderschnecken der Firma Ritz mit einer Förderkapazität von jeweils 195 l/s und einer Leistung von jeweils 22 kW. Bei Trockenwetterzufluss ist normalerweise nur eine der drei Pumpen in Betrieb, bei Regenwetter werden die anderen beiden nach Bedarf zugeschaltet. Die maximal gemessene Fördermenge des Hebepumpwerks beträgt 400 l/s. In das Hebewerk wird neben dem Abwasser auch das Trübwasser aus dem Voreindicker und aus der Siebtrommel eingeleitet. Zusätzlich besteht die Möglichkeit, den entzogenen Überschussschlamm aus der Belebung zuzuführen. Das Hebepumpwerk wurde im Zuge der Sanierung und Kapazitätserweiterung in den Jahren 2007 / 2008 erneuert.

Nach dem Hebepumpwerk gelangt das Wasser über ein 10 m langes Venturi-Gerinne und eine Leitung DN 800 in das Vorklärbecken. Das Venturi-Gerinne dient dabei zur Messung des zulaufenden Abwasserstroms. Das Vorklärbecken befindet sich gemeinsam mit dem Anaerobbecken in einem zweigeteilten Rundbecken. In der Mitte befindet sich das Vorklärbecken mit einem Durchmesser von 15 m und einem Volumen von ca. 690 m³.

Über eine Überlaufschwelle mit darüber liegendem Edelstahlblech gelangt das Wasser aus dem Vorklärbecken in das Anaerobbecken, das ein Volumen von ca. 960 m³ aufweist und 4,2 m breit ist. Die durchschnittliche Wassertiefe beträgt bei beiden Becken ca. 3,4 m. Mit dem in den Plänen angegebenen Volumen des Vorklärbeckens (VVK) von 690 m³ und dem mittleren Tagesdurchfluss bei Trockenwetter (QT,aM) ergibt sich die Aufenthaltszeit im Vorklärbecken von 2,4 h (Imhoff et al., 2009). Die Abscheideleistung der Vorklärung in Abhängigkeit von der Aufenthaltszeit bezogen auf den mittleren Tagesdurchfluss bei Trockenwetter ist in Tabelle 2 des Arbeitsblatt DWA-A 131 (Stand Juni 2016) dargestellt (siehe Anhang 6.6 ). Zwischenwerte sind dabei sinnvoll zu interpolieren. Lineare Interpolation ergibt für eine Aufenthaltszeit von 2,4 h folgende Abscheideleistungen (Deutsche Vereinigung für Wasserwirtschaft, Abwasser und Abfall, 2016):

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Damit erhält man aus den Bemessungsschmutzfrachten aus Abschnitt 3.4.4 folgende Bemessungswerte für die Biologie:

Tabelle 2: Bemessungswerte Biologie

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Der im Vorklärbecken abgesetzte Primärschlamm gelangt über eine Dükerleitung in einen Sammelschacht. Von dort wird der Schlamm in bestimmten Intervallen aus dem Schacht abgepumpt und in den Voreindicker geleitet. Zuständig für das Abpumpen des Schlammes sind zwei Pumpen der Firma Seepex mit einer Förderleistung von 20 m³/h. Die beiden Pumpen arbeiten im Wechselbetrieb, wodurch in jedem Intervall nur eine Pumpe aktiv ist. Um den Schlamm besser pumpen zu können, ist vor den Pumpen ein Mazerator zur Zerkleinerung und Verbesserung der Fließfähigkeit installiert.

Das Anaerobbecken im äußeren Ring des Rundbeckens dient zur gezielten Phosphorelimination und zur Denitrifikation. Darin vermischen sich das Abwasser und der aus der Nachklärung abgezogene und zugeführte Rücklaufschlamm. Ziel ist dabei eine Anreicherung von bestimmten Bakteriengruppen im Schlamm, die eine erhöhte Phosphoraufnahmekapazität haben. Für die gewünschte biologische Phosphorelemination sind zwei verschiedene Stufen notwendig. Im Anaerobbecken bauen diese Bakterien Zell-Speicherstoffe auf wobei Phosphat, das als Energiespeicher eingelagert ist, freigesetzt wird. Dies führt erstmal zu einer Erhöhung des Phosphorgehalts im Wasser. In der zweiten Stufe, im Belebungsbecken mit einem aeroben Milieu, wird bei einem hohen Anteil der Bakterien deren Phosphorspeicher wieder gefüllt und so der Phosphor als organischer Phosphor gebunden. Dieser gebundene Phosphor wird über den Überschussschlamm entfernt (Hessisches Ministerium für Umwelt, Energie, Landwirtschaft und Verbraucherschutz, 2011).

3.1.2 Biologische Reinigungsstufe

Die biologische Reinigungsstufe in Friedberg besteht aus zwei Belebungsbecken mit je einer Nitrifikations- und einer Denitrifikationszone, zwei Nachklärbecken und dem vorgeschalteten Anaerobbecken zur Phosphoreliminierung.

Nach dem Abfluss aus dem Anaerobbecken fließt das Abwasser in einen Quellschacht. Darin wird dafür gesorgt, dass das aus dem Anaerobbecken abfließende Abwasser zu jeweils 50 % auf die beiden Belebungsbecken verteilt wird. Benutzt werden dafür Steckschütze die das Becken, in das das Wasser überquillt, in zwei gleich große Teile aufteilen. Aus jedem Teil fließt dann das Wasser über eine Leitung (DN 800) in eines der Belebungsbecken und wird somit aufgeteilt.

In den Belebungsbecken wird mit den Nitrifikations- und Denitrifikationszonen eine vorgeschaltete Denitrifikation betrieben. Dabei fließt das Abwasser zunächst in eine Denitrifikationszone und anschließend in eine nachgeschaltete Nitrifikationszone. Zwischen den beiden Zonen findet eine interne Rezirkulation statt.

Für die Denitrifikation wird das organische Substrat aus dem Abwasser genutzt. Da für die Denitrifikation aber das bei der Nitrifikation gebildete Nitrat benötigt wird, muss ein Teil des nitrathaltigen Ablaufs der Nitrifikationszone als interne Rezirkulation wieder in den Zulauf der Denitrifikation geleitet werden. Diese interne Zirkulation sollte so gering wie möglich ausfallen, damit die Denitrifikation nicht durch zu hohe Sauerstofffrachten gehemmt wird (Weiterbildender Studiengang Wasser und Umwelt und Deutsche Vereinigung für Wasserwirtschaft, Abwasser und Abfall, 2009).

Das Abwasser fließt aus dem Quellschacht über Leitungen DN 800 in die beiden Belebungsbecken, wobei der Weg zum zweiten Belebtschlammbecken deutlich länger ist, als der zum ersten. Der Zufluss gelangt dabei jeweils direkt in das Innere des Denitrifikationsbeckens, das sich im inneren Ring befin- det. Der Denitrifikationsbereich hat in beiden Becken ein Volumen von 770 m³ und eine Wassertiefe von 4,7 m. In diesem Bereich befindet sich zur Umwälzung ein Rührwerk der Firma Flygt. Von dem Denitrifikationbereich im inneren Ring gelangt das Wasser über einen Überlauf in die Nitrifikationszone im äußeren Ring. Diese hat ein Volumen von 1.530 m³ und eine Wassertiefe von ca. 4,5 m. Dort befinden sich zwei Rührwerke der Firma Flygt und zwei Rezirkulationspumpen der Firma KSB (2,2 kW, 160 l/s). Über diese Tauchmotorpumpen erfolgt die Rezirkulation vom Nitrifikations- ins Denitrifikationsbecken. Die Pumpen sind dabei mit einem Frequenzumrichter ausgestattet, wodurch der Rezirkulationsvolumenstrom zwischen 60 - 320 l/s pro Becken gesteuert und frei gewählt werden kann. Die Luftzufuhr in die Nitrifikationsbecken erfolgt durch eine Gebläsestation.

In dieser befinden sich vier Drehkolbengebläse der Firma Aerzener (Typ GM 50L, 2.400 Nm³/h) mit einer Leistung von jeweils 75 kW, wobei eines der Gebläse als Redundanz dient. Die Luft gelangt über eine Edelstahlleitung DN 350 zu den Becken und wird dann über Leitungen DN 150 auf die beiden Becken aufgeteilt.

An den jeweiligen Becken erfolgt nochmals eine Aufteilung auf zwei Halbringleitungen die außen am Becken entlangführen und die Luft zu den im Becken installierten Belüftern leiten. Durch den langen Weg zwischen der Gebläsestation und den Belebungsbecken entstehen Energieverluste. In den Nitrifikationszonen befinden sich 14 Belüftungsgitter mit einer Breite von jeweils einem Meter und mit je 15 Rohrbelüftern (Ott Magnum 2000 Flexil) aus Silikon. Die Luftzufuhr wird über eine kontinuierliche Sauerstoffmessung in den Becken und einen Blendenregulierschieber gesteuert, sodass sich im Nitrifikationsbereich ein Sauerstoffgehalt von ca. 2 mg/l einstellt. Der TS-Gehalt in den Belebungsbecken schwankte im Betrachtungszeitraum (01/14 bis 12/16) zwischen 3 g/l und 6 g/l und beträgt aktuell im Schnitt ca. 4,4 g/l (siehe Anhang 6.7.4 ). Der Mittelwert des Schlammindex lag im Jahr 2014 bei 103 ml/g, im Jahr 2015 bei 88 ml/g und im Jahr 2016 bei 93 ml/g. Der 85 %-Wert lag im Jahr 2014 bei 126 ml/g, im Jahr 2015 bei 98 ml/g und im Jahr 2016 bei 102 ml/g. Nach starken Schwankungen 2014 haben sich die Werte 2015 und 2016 etwas stabilisiert (siehe Anhang 6.7.3 ).

Von den beiden Belebungsbecken fließt das Wasser jeweils über einen Zulaufdüker mit einer Leitung DN 600 in das zugeordnete Nachklärbecken. Die Belebungsbecken sind dabei im Abfluss über eine Leitung DN 600 verbunden, sodass jedes der beiden Nachklärbecken von beiden Belebungsbecken beschickt werden kann. Die beiden Nachklärbecken sind Rundbecken mit einem Volumen von jeweils 1.840 m³ und einer Oberfläche von 700 m². Am Mittelbauwerk beträgt die Wassertiefe 3,2 m, die 2/3 Tiefe liegt bei 2,5 m. Der Außendurchmesser der beiden Becken beträgt 30 m. Der Klarwasserabzug der Nachklärbecken erfolgt über eine Abflussrinne, die mit einem Abstand von 50 cm zum Rand des Bauwerks befestigt ist. Der Schwimmschlamm wird über einen Schwimmschlammräumer mit Skim-Rinne entfernt. Zur Räumung des sedimentierten Schlamms befindet sich in den Becken je ein Schildräumer aus dem Jahre 1986. Diese haben ihre maximale Nutzungsdauer bereits 2011 überschritten (Deutsche Vereinigung für Wasserwirtschaft, Abwasser und Abfall, 2012).

Der Rücklaufschlamm gelangt über eine Leitung DN 300 aus dem Becken in den Zulauf zu einem der beiden Rücklaufschlammpumpwerke. In den zwei Pumpwerken befinden sich je zwei Schneckenpum- pen (Firma Ritz, 166-222 l/s), die den Schlamm 1,8 m in die Höhe fördern und dann entweder in das Anaerobbecken oder zur Schlammbehandlung leiten.

Das neu geplante dritte Becken ist ein kombiniertes Belebungs-und Nachklärbecken. Im Außenring befinden sich jeweils eine Denitrifikations- und Nitrifikationszone und im inneren Ring ein Nachklärbecken. Der Denitrifikationbereich ist dabei 1.800 m³ groß, der Nitrifikationsbereich 2.800 m³. Das Nachklärbecken im Inneren hat ein Volumen von 2.750 m³.

3.1.3 Schlammstufe

Die Schlammstufe besteht aus einem Voreindicker, einer Überschussschlammentwässerung (Siebtrommel), zwei Faultürmen, einem Nacheindicker, zwei Schlammwasserspeichern und einer Kammerfilterpresse zur Schlammentwässerung.

In der vorhandenen Überschussschlammentwässerung kann der Überschussschlamm (ÜSS) aus den Nachklärbecken mit einem Trockenrückstand von ca. 1 % auf bis zu 6 % eingedickt werden. Die Überschussschlammentwässerung besteht aus einer Siebtrommel der Firma Roedinger (0,8 kW) aus dem Jahre 1992, sowie einer Ultraschall-Desintegrationsanlage in der ein Teil des Schlammes (ca. 1/3) behandelt werden kann. Diese beschriebene maschinelle Überschussschlammentwässerung ist etwas veraltet, allerdings noch voll funktionsfähig, wird aber nicht mehr genutzt. Es besteht die Möglichkeit von Hand zu steuern, ob der abgeführte Überschussschlamm in die maschinelle Überschussschlammentwässerung oder in den Abwasserstrom nach dem Sandfang und vor dem Hebepumpwerk geleitet wird. Aktuell erfolgt die Einleitung in den Abwasserstrom vor dem Hebepumpwerk, was dazu führt, dass der Schlamm sich im Vorklärbecken absetzt und von dort zusammen mit dem Primärschlamm in den Eindicker eingeleitet wird. Auf Nachfrage wurde durch den Anlagenleiter erklärt, dass durch die Vermischung des Überschussschlamms und des Primärschlamms die Förderfähigkeit des Primärschlamms verbessert wurde. Aus diesem Grund wird seit ca. 2-3 Jahren auf die maschinelle Überschussschlammentwässerung verzichtet. Bei Benutzung der ÜSS-Entwässerung wird der Schlamm über zwei Dünnschlammpumpen der Firma Netsch (2-20 m³/h) zur Siebtrommel geleitet. Vor der Zuführung in die Siebtrommel erfolgt eine Polymerzugabe, um die Entwässerung in der Trommel zu optimieren. Der in der Siebtrommel entwässerte Schlamm wird in einem Behälter gesammelt und über eine Pumpe in Intervallen in die Faulung geleitet.

Der Voreindicker auf der Kläranlage in Friedberg ist ein Rundbehälter mit einem Durchmesser von 8 m und einem Volumen von insgesamt 250 m³. Im unteren Bereich ist der Behälter trichterförmig gebaut, damit sich der eingedickte Schlamm dort absetzen und dann abgepumpt werden kann. Die Beschi- ckung erfolgt über das Primärschlammpumpwerk, in dem zwei Pumpen der Firma Seepex mit einer Förderleistung von 20 m³/h stationiert sind. Das installierte Krählwerk (0,19 kW) stammt aus dem Jahre 2007. Das Bauwerk ist mit einer Kunststoffabdeckung mit Luftabsaugung versehen, um Geruchsbelästigungen im Umkreis zu vermeiden. Das entstehende Trübwasser wird über Spaltsiebe (DN 150) abgezogen und wird im Zulauf zum Hebepumpwerk wieder dem Abwasserstrom zugeführt.

Der Schlamm wird im Voreindicker auf einen Feststoffgehalt TR = 2,2 - 2,9 % (Betriebstagebuch) eingedickt. Üblich sind Werte um 4 %.

Täglich werden 60 m³ eingedickter Schlamm aus dem Eindicker abgezogen und in die Faultürme wei- tergeleitet. Die Förderung in die Faultürme erfolgt über zwei Dickschlammpumpen und einen Mazerator, der den eingedickten Schlamm fließfähiger macht, wobei eine der Pumpen als Redundanz dient.

Die Kläranlage Friedberg verfügt über zwei Faultürme mit einem Volumen von jeweils 800 m³, die in Reihe betrieben werden. Alternativ wäre von der Anlagentechnik auch ein Parallelbetrieb möglich, da zwei separate Wärmetauscher vorhanden sind. Die Beschickung erfolgt über zwei Exzenterschneckenpumpen, die sich im Keller befinden. Bevor der Schlamm in die Faulbehälter gelangt, wird er über Wärmetauscher auf die gewünschte Temperatur (35 °C) aufgeheizt. Danach wird der beheizte Schlamm zunächst in den ersten Faulturm eingeleitet, in dem eine Temperatur von 35 °C herrscht. Damit der Schlamm konstant und gleichmäßig die gewünschte Temperatur aufweist, wird er mit einer Pumpe umgewälzt (Firma KSB, 4 kW). Die Pumpe stammt aus dem Jahr 2014 und kann somit noch länger genutzt werden. Zusätzlich befindet sich im ersten Faulturm noch ein Rührwerk zur Umwälzung. Nach ca. 10 - 12 Tagen gelangt der Schlamm in den zweiten Faulbehälter. Dort herrschen ebenfalls Temperaturen von 35 °C und der Schlamm wird mit einer Pumpe umgewälzt (Firma KSB, 4 kW). Das bei der Faulung entstehende Gas wird in einem installierten Blockheizkraftwerk in elektrische Energie umgewandelt, welche für den Betrieb der Anlage genutzt wird. Im Schnitt konnte so in der Vergangenheit pro Tag eine Stromerzeugung von ungefähr 1.200 kWh, bei einer durchschnittlichen täglichen Laufzeit des Blockheizkraftwerkes von 14 h, erreicht werden.

Nach einer Gesamtverweildauer von 20 - 25 Tagen läuft der Schlamm über und gelangt über ein Gefälle in den Nacheindicker. Im Nacheindicker soll eine weitere Eindickung des Faulschlammes erfolgen. Die Funktionsweise ist mit der des Voreindickers identisch, auch hier wird der Schlamm in die Mitte des Bauwerks eingeleitet. Durch das installierte Krählwerk erfolgt wieder die Abtrennung von Wasser aus dem Schlamm. Das dabei anfallende Trübwasser wird über Trübwasserabzüge DN 150 abgezogen und über eine Leitung DN 300 in die Schlammwasserspeicher weitergeleitet. Der Eindicker hat einen Durchmesser von 12 m und ein Nutzvolumen von 600 m³. Der eingedickte Schlamm lagert sich im unteren Teil des Eindickers ab, wird über eine Schlammablaufleitung DN 150 abgezogen und durch zwei Beschickungspumpen der Firma Netsch in den Speicher vor der Kammerfilterpresse weitergeleitet. Dabei arbeiten die beiden Pumpen im Wechselbetrieb, wodurch eine immer als Redundanz dient.

Nachdem der Faulschlamm im Nacheindicker vorentwässert wurde, gelangt er über einen Speicherbehälter hinter dem Gebäude in die Kammerfilterpresse, die sich im ersten Stock des Schlammentwässerungsgebäudes befindet.

Die Kammerfilterpresse der Firma Petkus aus dem Jahre 1984 verfügt insgesamt über 100 Filterplatten, über die der Faulschlamm maschinell entwässert wird. Die Durchsatzleistung je Charge beträgt ca. 20 - 25 m³. Aus den Betriebstagebüchern ergibt sich, dass im Schnitt pro Tag ca. 45 m³ Schlamm in der Kammerfilterpresse entwässert werden und dabei täglich 56 m³ Prozessabwasser anfällt. Dieses anfallende Wasser wird gemeinsam mit dem Trübwasser aus dem Nacheindicker in die Schlammwasserspeicher gegeben. Der entwässerte Schlamm wird über eine Förderschnecke auf einen Schlammlagerplatz außerhalb des Gebäudes transportiert. Die Entwässerung in der Kammerfilterpresse erfolgt unter Zugabe eines polymeren Flockungsmittels und einer kleinen Mengen von Eisen(III)chlorid.

Das bei der Schlammentwässerung im Nacheindicker und bei der Behandlung durch die Kammerfilterpresse anfallende Filtrat- und Trübwasser wird in Friedberg in zwei Schlammwasserspei- chern gesammelt. Diese Schlammwasserspeicher sind die ehemaligen Voreindicker der Anlage und wurden inzwischen zur Speicherung des Filtrat- und Trübwasser umfunktioniert. Die Speicher haben einen Durchmesser von jeweils 4 m und ein Volumen von 95 m³ (erster Speicher) und 55 m³ (zweiter Speicher). Beide Speicher sind als kommunizierende Behälter miteinander verbunden. Die Beschickung der Schlammwasserspeicher mit dem Trübwasser aus dem Nacheindicker und dem Filtratwasser aus der Kammerfilterpresse erfolgt über ein Hebepumpwerk mit zwei Förderpumpen der Firma KSB (jeweils maximal 50 m³/h). Der Abzug des Trübwassers aus dem Nacheindicker erfolgt dabei bedarfsgerecht. Das gespeicherte Wasser wird lastabhängig in den Ablauf der Vorklärung gegeben. Zur Dosierung des Schlammwassers dient eine Exzenterschneckenpumpe der Firma Seepex mit einer Förderleistung von maximal 30 m³/h.

3.1.4 Energieschiene

Der größte Anteil des Stromverbrauchs einer Kläranlage kommt aus dem biologischen Anlagenteil und entsteht durch die dort notwendige Belüftung. Andere große Stromverbraucher sind vor allem die kontinuierlich laufenden Pumpen, Hebewerke und die Kreislauf- bzw. Rückführung von Schlamm (Klaus Fricke, 2009). Nachfolgend wird der Stromverbrauch der Kläranlage Friedberg der Jahre 2014 bis 2016 betrachtet (siehe Anhang 6.10 ). Aus den Daten in den Betriebstagebüchern ergibt sich ein jährlicher Stromverbrauch (eingekaufter Strom) von 723.600 kWh im Jahr 2014, 727.160 kWh im Jahr 2015 und 761.024 kWh im Jahr 2016. Es ist also ein Anstieg des Stromverbrauchs in den letzten Jahren zu beobachten. Besonders stark ist der Sprung zwischen den Jahren 2015 und 2016 um 4,65 %. Der durchschnittliche Stromverbrauch (eingekaufter Strom) pro Tag lag im Betrachtungszeitraum 2014 bei 1.987,91 kWh/d, 2015 bei 1.992,22 kWh/d und 2016 bei 2.085,00 kWh/d. Es ist zu berücksichtigen, dass die genutzte Energie aus dem betriebenen Blockheizkraftwerk (BHKW) noch zu dem genannten Stromverbrauch dazu kommt. Mit den, aus den CSB-Frachten ermittelten, mittleren Einwohnerwerten (siehe Abschnitt 3.4.2 ) lässt sich der einwohnerspezifische Stromverbrauch der Kläranlage ermitteln. Dabei ist die genutzte Energie aus dem BHKW zu berücksichtigen.

Tabelle 3: Ermittlung des spezifischen Stromverbrauchs der Kläranlage

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Die Werte für den einwohnerspezifischen Stromverbrauch liegen 2014 und 2015 deutlich unter den Vergleichsdaten aus den Leistungsvergleichen der DWA der vergangenen Jahre. Nur im Jahr 2016 liegt der Wert über dem Vergleichswert, was auf die niedrigen CSB-Frachten, aus denen sich die Einwoh- nerwerte ergeben, zurückzuführen ist. Durch das Blockheizkraftwerk, in dem die in der Faulung ent- stehenden Gase in elektrische Energie umgewandelt werden, wird ca. ein Drittel des Strombedarfs der Anlage gedeckt (siehe Anhang 6.10 ).

3.2 Aktuelle Situation der Kläranlage

Die Kläranlage Friedberg wurde 1992 auf eine Ausbaugröße von 47.500 EW erweitert. Im Jahr 2010 wurde ein Antrag auf Genehmigung gemäß § 45 HWG und auf Vorprüfung zur UVP für die Erweiterung auf 60.000 EW vorgenommen. Die notwendigen Planungen sollen 2018 abgeschlossen und mit der Erweiterung im selben Jahr schon begonnen werden.

Nach aktueller Auskunft des Einwohnermeldeamtes Friedberg haben die an die Kläranlage angeschlossenen Stadtteile, folgende gemeldete Einwohnerzahlen:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Folgende Bemessungswerte und Überwachungswerte sind entsprechend der wasserrechtlichen Erlaubnis vom 27.11.2015 einzuhalten:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

3.3 Ablaufsituation der Kläranlage

Für die Kontrolle der Ablaufsituation wurden die Betriebstagebücher im Zeitraum von 1/2014 bis 12/2016 ausgewertet.

Gemäß der wasserrechtlichen Erlaubnis nach Antrag der Stadt Friedberg vom 27.11.2015 gelten derzeit folgende Qualitätsanforderungen:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Anhand der Ganglinien der einzelnen Parameter im Ablauf der Kläranlage (siehe Anhang 6.2 ) in Friedberg ist zu erkennen, dass alle Qualitätsanforderungen in dem betrachteten Zeitraum durchgehend eingehalten wurden.

3.4 Zusammenstellung der Dimensionierungswerte

3.4.1 Abwassermengen

Für das Jahr 2014 - 2016 wurden die gebührenpflichtigen Schmutzwassermengen und die Jahresschmutzwassermengen aus den Betriebstagebüchern entnommen.

Tabelle 4: Schmutzwassermengen

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

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Details

Seiten
93
Jahr
2018
ISBN (eBook)
9783668916203
ISBN (Buch)
9783668916210
Sprache
Deutsch
Katalognummer
v461271
Institution / Hochschule
Technische Universität Darmstadt
Note
1,0
Schlagworte
studie optimierung sanierung kläranlage friedberg

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Titel: Studie zur Optimierung und Sanierung der Kläranlage Friedberg