Ein exemplarischer Ansatz zur Einbindung neuer Bemessungswege und neuer Reinigungstechnologien bei der Ertüchtigung von Kläranlagen:
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| Format: | Thesis Book |
| Language: | German |
| Published: |
Kassel
Kassel Univ. Press
2003
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| Series: | Wasser, Abwasser, Abfall
22 |
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| adam_text | Titel: Ein exemplarischer Ansatz zur Einbindung neuer Bemessungswege und neuer Reinigungstechnologien bei d
Autor: Schier, Wernfried
Jahr: 2003
Ein exemplarischer Ansatz zur Einbindung neuer Bemessungswege und
neuer Reinigungstechnologien bei der Ertüchtigung von Kläranlagen
Inhaltsverzeichnis
1 EINFÜHRUNG UND ZIELSETZUNG.............................................1
2 UNTERSUCHUNGSWEG UND VORGEHENSWEISE..................6
3 NOTWENDIGKEITEN UND LÖSUNGSMÖGLICHKEITEN EINER
KLÄRANLAGENERTÜCHTIGUNG...............................................9
3.1 Ursachen und Ausgangssituation.............................................................9
3.1.1 Allgemeines..........................................................................................9
3.1.2 Ursachen.............................................................................................10
3.1.2.1 Leistungsdefizit im IST-Zustand...............................................10
3.1.2.2 Leistungsdefizit aufgrund einer veränderten Rechtslage.........10
3.2 Lösungsansätze........................................................................................15
3.2.1 Maßnahmen im Entwässerungsgebiet bzw. Kanalnetz...................16
3.2.2 Entlastung durch Teilstrombehandlung...........................................17
3.2.3 Optimierung des Kläranlagenbetriebes............................................18
3.2.4 Mitnutzung vorhandener Anlagenkomponenten.............................18
3.2.4.1 Allgemeines.............................................................................18
3.2.4.2 Vergrößerung der Beleburtgs- und Nachklärvolumina unter
Beibehaltung der Grundkonzeption.........................................19
3.2.4.3 Neues Verfahrenskonzept.......................................................20
3.2.4.3.1 Allgemeines....................................................................................20
3.2.4.3.2 Einstufiger Ausbau.........................................................................20
3.2.4.3.3 Zweistufiger Ausbau.......................................................................21
3.2.4.3.4 Funkttonsänderung........................................................................23
3.2.4.4 Ertüchtigung durch Einsatz von Hilfselementen.......................24
3.2.4.4.1 Einsatz von Lameltenabscheidem.................................................25
3.2.4.4.2 Einsatz von Aufwuchskörpern........................................................26
3.3 Schlussbetrachtung.................................................................................27
4 STAND DER ERKENNTNISSE UND DER ANWENDUNGEN IN
BEZUG AUF DIE SCHWERPUNKTE DER ARBEIT...................30
4.1 Grundlagenermittlung..............................................................................30
4.1.1 Definition.............................................................................................30
4.1.2 Einfuhrung..........................................................................................30
4.1.3 Entwicklung der Grundlagenermittiungen.......................................31
4.1.4Grundlagenermittlung auf der Basis von Messdaten......................34
4.1.5 Daten der Eigenkontrolle/Eigenüberwachung.................................37
4.1.6 Lastfälle.........................................._...................................................41
4.2 Stationäre Bemessung.............................................................................47
4.2.1 Allgemeines__________________........................------------------------47
i
Ein exemplarischer Ansatz zur Einbindung neuer Bemessungswege und
neuer Reinigungstechnologien bei der Ertüchtigung von Kläranlagen
4.2.2 Modelle...............................................................................................48
4.2.2.1 Allgemeines............................................................................48
4.2.2.2 Modell der Raum- oder Schlammbelastung............................48
4.2.2.3 Modell des Schlammalters......................................................49
4.2.3 Entwicklung........................................................................................51
4.2.3.1 Allgemeines............................................................................51
4.2.3.2 Entwicklung bis 1981..............................................................52
4.2.3.3 Entwicklung nach 1981...........................................................54
4.3 Dynamische Simulation...........................................................................56
4.3.1 Grundlagen.........................................................................................56
4.3.2 Stand der Anwendung.......................................................................61
4.4 Membranfiltration.....................................................................................65
4.4.1 Allgemeines........................................................................................65
4.4.2 Verblockung der Membranen...........................................................65
4.4.2.1 Mechanismen und Einflußfaktoren..........................................65
4.4.2.2 Gegenmaßnahmen.................................................................68
4.4.2.2.1 Allgemeines und Einordnung........................................................68
4.4.2.2.2 Betriebliche Verfahrensweisen......................................................68
4.4.2.2.3 Modulbedingte Membranreinigung...............................................69
4.4.2.2.4 Verfahrensbedingte Membranreinigung........................................69
4.4.3 Haltbarkeit von Membranen..............................................................72
4.4.4 Belüftung in einer MBR-Anlage........................................................72
4.4.5 Bemessung einer MBR-Anlage.........................................................75
4.4.5.1 Hydraulische Bemessung.......................................................75
4.4.5.2 Bemessung der Biologie.........................................................76
4.4.6 Derzeitige Kosten der Membranfiltrationstechnik..........................79
4.4.6.1 Allgemeines............................................................................79
4.4.6.2 Investitionen............................................................................79
4.4.6.3 Jahreskosten...........................................................................80
4.4.6.3.1 Membranersatzkosten...................................................................81
4.4.6.3.2 Energiebedarf................................................................................81
4.4.6.4 Ausblick...................................................................................82
4.4.7 Stand von Umsetzung und Forschung............................................82
5 EXEMPLARISCHE ANWENDUNG UNTER EINSATZ
HALBTECHNISCHER VERSUCHE UND DER DYNAMISCHEN
SIMULATION AM BEISPIEL DER KA BURGSOLMS................87
5.1 Allgemeines....................................... ..........87
5.2 Situation vor der Ertüchtigung...............................................................88
5.3 Grundlagenermittlung_____................... .................89
5.3.1 Allgemeines._____.............................................................................89
Ein exemplarischer Ansatz zur Einbindung neuer Bemessungswege und
neuer Reinigungstechnologien bei der Ertüchtigung von Kläranlagen
5.3.2 Hydraulische Bemessungsgrundtagen............................................89
5.3.3 Messphasen........................................................................................91
5.3.4 Die bemessungsrelevanten Ergebnisse sind in Herleitung der
Bemessungsgrundlagen....................................................................91
5.3.5 Herleitung der Bemessungsgrundlagen..........................................91
5.4 Anlagenkonzeption...................................................................................94
5.5 Untersuchungsprogramm........................................................................96
5.6 Analytik und Messprogramm...................................................................97
5.7 Versuchsergebnisse und Betriebsparameter.........................................99
5.7.1 Kohlenstoff- und Stickstoffelimination.............................................99
5.7.2 Schlammindex..................................................................................101
5.8 Modellkalibrierung bei der dynamischen Simulation..........................101
5.9 Bemessung.............................................................................................104
5.9.1 Nachklärung......................................................................................104
5.9.1.1 Erläuterungen zur Bemessung..............................................104
5.9.1.2 vorhandenes Nachklärbecken...............................................105
5.9.2 Belebung...........................................................................................106
5.9.2.1 Stationäre Bemessung (A 131 und HSG-Ansatz)..................106
5.9.2.2 Prognosesimulationen...........................................................109
5.9.3 Modellanwendung im großtechnischen Betrieb............................110
5. ^Zusammenfassung.................................................................................114
6 EXEMPLARISCHE ANWENDUNG UNTER EINSATZ
HALBTECHNISCHER VERSUCHE UND DER DYNAMISCHEN
SIMULATION AM BEISPIEL DER KA EDERMÜNDE...............116
6.1 Allgemeines.............................................................................................116
6.2 Situation vor der Ertüchtigung..............................................................117
6.3 Grundlagenermittiung............................................................................118
6.3.1 Allgemeines......................................................................................118
6.3.2 Hydraulische Bemessungsgrundlagen..........................................118
6.3.3 Messphasen......................................................................................119
6.3.4 Herleitung der Bemessungsgrundlagen........................................123
6.4 Anlagenkonzeption______________________„...................................123
6.5 Untersuchungsprogramm......................................................................125
6.6 Analytik und Messprogramme____........................................................127
6.7 Versuchsergebnisse und Betriebsparameter__...................................129
6.7.1 Kohlenstoffabbau__________________________..........._______131
6.7.2 Mtrifflcation________________....__________________________131
Ein exemplarischer Ansatz zur Einbindung neuer Bemessungswege und
neuer Reinigungstechnologien bei der Ertüchtigung von Kläranlagen___________________
6.7.3 Denitrifikation...................................................................................132
6.7.4Schlammindex................................................................................. 133
6.8 Modellkalibrierung bei der dynamischen Simulation.........................134
6.8.1 Allgemeines......................................................................................134
6.8.2 Vorklärung der Gro anlage............................................................134
6.8.3 Halbtechnische Verfahrenstechniken............................................137
6.9 Bemessung.............................................................................................141
6.9.1 Nachklärung.....................................................................................141
6.9.1.1 Allgemeines..........................................................................141
6.9.1.2 Vorhandenes Nachklärbecken..............................................141
6.9.1.3 Ertüchtigung mit Hilfe von Lamellenabscheidern..................143
6.9.1.4 Neue Nachklärung................................................................144
6.9.1.5 Ergebniszusammenstellung..................................................144
6.9.2Belebung..........................................................................................145
6.9.2.1 Stationäre Bemessung (A 131 und HSG-Ansatz).................145
6.9.2.2 Prognosesimulationen...........................................................146
6.9.2.21 Berücksichtigung der Verklarung................................................146
6.9.2.2.2 Allgemeines zur Simulation der Belebungsstufe.........................147
6.9.2.2.3 Prozesswasserdosierung............................................................149
6.9.2.2.4 Kohtenstoffbelastung...................................................................150
6.9.2.2.5 Stickstoffbelastung......................................................................152
6.9.2.2.6 Regenwetterverhaltnisse.............................................................155
6.10Ausbauvariante......................................................................................158
6.10.1 Szenario..........................................................................................158
6.10.2 Kostenschätzung...........................................................................160
6.11 Zusammenfassung................................................................................161
7 EXEMPLARISCHE ANWENDUNG UNTER NUTZUNG DER
MEMBRANFILTRATION ALS NEUER
ABWASSERREINIGUNGSTECHNOLOGIE AM BEISPIEL DER
KA EDERMÜNDE.....................................................................163
7.1 Allgemeines............................................................................................163
7.2 Konzept zur Ertüchtigung vorhandener Anlagen................................163
7.2.1 Grundidee und Ausblick bei den Untersuchungen......................163
7.2.1.1 Grundidee.............................................................................163
7.2.1.2 Ausblick auf das Gesamtsystem...........................................165
7.2.1.3 Ziel der Untersuchungen.......................................................166
7.2.1.4 Betriebsweise einer MBR-Anlage am Standort Edermunde.. 167
7.2.1.4.1 Normalbetrieb..............................................................................167
7.214.2 Stftfetezenario............................................................................169
7.3 Halbtechnische Untersuchungen____________________________170
— — ____ . —
Ein exemplarischer Ansatz zur Einbindung neuer Bemessungswege und
neuer Reinigungstechnologien bei der Ertüchtigung von Kläranlagen
7.3.1 Allgemeines......................................................................................170
7.3.2 Anlagenkonzeption..........................................................................170
7.3.3 Betriebsphasen.................................................................................171
7.3.4 Messprog ramme...............................................................................172
7.3.5 Betriebsparameter............................................................................173
7.3.6 Leistungsfähigkeit............................................................................174
7.3.6.1 Biologische Leistungsfähigkeit...............................................174
7.3.6.1.1 Allgemeines..................................................................................174
7.3.6.1.2 Überschussschlammproduktion...................................................176
7.3.6.1.3 Gasproduktion..............................................................................178
7.3.6.2 Hydraulische Leistungsfähigkeit............................................179
7.3.6.2.1 Allgemeines..................................................................................179
7.3.6.2.2 Betriebsverlauf.............................................................................180
7.3.6.2.3 Zusammenfassung.......................................................................187
7.3.7 Kostenschätzung..............................................................................189
7.4 Zusammenfassung.................................................................................191
8 ZUSAMMENFASSUNG DER DURCHGEFÜHRTEN
UNTERSUCHUNGEN................................................................194
9 ERGEBNIS UND AUSBLICK....................................................200
10 LITERATURVERZEICHNIS.......................................................202
Ein exemplarischer Ansatz zur Einbindung neuer Bemessungswege und
neuer Reinigungstechnologien bei der Ertüchtigung von Kläranlagen_________________
Abbildunqsverzeichnis
Abbildung 1: Ursachen einer Kläranlagenertüchtigung..................................9
Abbildung 2: Möglichkeiten der Mitnutzung vorhandener Bausubstanz
bei der Ertüchtigung von Kläranlagen.....................................19
Abbildung 3: Einbau eines Lamellenabscheiders........................................25
Abbildung 4: Kostenbeeinflussbarkeit während des Projektverlaufes
(Schmitz 1998).......................................................................31
Abbildung 5: Grafische Darstellung der Belebungsbeckenbemessung
nach LUA-NRW (1998)...........................................................44
Abbildung 6: Begrenzende Faktoren bei Membranverfahren
(Rautenbach et al. 1981)........................................................67
Abbildung 7: a-Wert bei einer Scherrate von 40 s 1 in Abhängigkeit des
TS-Gehaltes............................................................................73
Abbildung 8: a-Werte in großtechnischen MBR-Anlagen (Cornel et al.
2001).......................................................................................74
Abbildung 9: Systemvergleich......................................................................78
Abbildung 10: mischwasserbezogene spezifische Membrankosten..............80
Abbildung 11: Unterschreitungshäufigkeit der Zulaufwassermenge
(Burgsolms).............................................................................89
Abbildung 12: Vergleich der Bemessungsdatensätze....................................94
Abbildung 13: Fließschema der vorgeschalteten Denitrifikation
(Versuchsanlage Burgsolms)..................................................96
Abbildung 14: Schlammindex im Versuchsanlagenbetrieb (Burgsolms)......101
Abbildung 15: Darstellung gemessener und simulierter CCsb-
Konzentrationen....................................................................103
Abbildung 16: Darstellung gemessener und simulierter Stickstoff-
Ablaufkonzentrationen und des Trockensubstanzgehaltes
in der Belebung.....................................................................103
Abbildung 17: ertüchtigtes Nachklärbecken der Kläranlage Burgsolms (im
Hintergrund: Retentionsraum der Lahn bei Hochwasser).....106
Abbildung 18: Ergebnisse der Belebungsbeckenbemessung (Burgsolms).. 107
Abbildung 19: Belebungsvolumina bei Variation von XTs und Cbsb.............1°8
Abbildung 20: Ertüchtigungskonzept der Kläranlage Burgsolms.................110
Abbildung 21: Abgleich der überwachungsrelevanten
Stickstoffablaufkonzentrationen............................................112
Abbildung 22: Abgleich der gleitenden Monatsmittelwerte der
überwachungsrelevanten Stickstoffablaufkonzentrationen... 113
Abbildung 23: Abgleich des Trockensubstanzgehaltes in der Belebung......114
Abbildung 24: Unterschreitungshäufigkeit der Zulaufwassermenge
(Edermünde).........................................................................119
Abbildung 25: Lageplan der Edermünde mit Probenahmestelten................121
Ein exemplarischer Ansatz zur Einbindung neuer Bemessungswege und
neuer Reinigungstechnologien bei der Ertüchtigung von Kläranlagen
Abbildung 26: Fließbild der vorgeschalteten Denitrifikation
(Versuchsanlage Edermünde)...............................................124
Abbildung 27: Schlammindex im Versuchsanlagenbetrieb (Edermünde).....134
Abbildung 28: Kalibrierung des Vorklärbeckenwirkungsgrades....................136
Abbildung 29: Vergleich der SNm-Konzentrationen im Ablauf des
Vorklärbeckens......................................................................137
Abbildung 30: Kalibrierung der vorgeschalteten Denitrifikation
(Betriebsphase 5)..................................................................139
Abbildung 31: Kalibrierung der Kaskadendenitrifikation (Betriebsphase 5).. 139
Abbildung 32: Schnittskizze des vorhandenen Nachklärbeckens.................142
Abbildung 33: Schlammabtrieb im vorhandenen Nachklärbecken................142
Abbildung 34: Varianten der Prozesswasserdosierung................................149
Abbildung 35: Auswirkungen einer Kohlenstofferhöhung.............................151
Abbildung 36: Auswirkungen einer Stickstofferhöhung (Vbb = 3.435 m3)......153
Abbildung 37: Auswirkungen einer Stickstofferhöhung (Vbb = 3.735 m3)......154
Abbildung 38: generierte Regenverläufe......................................................155
Abbildung 39: Stickstoffablaufkonzentrationen im Verlaufe eines lang
anhaltenden Regenereignisses.............................................156
Abbildung 40: Stickstoffablaufkonzentrationen im Verlaufe mehrerer kurz
aufeinander folgender Regenereignisse................................157
Abbildung 41: Ausbauvariante der Kläranlage Edermünde..........................158
Abbildung 42: Fließbild beim Betrieb einer MBR-Anlage..............................167
Abbildung 43: Systemvergleich einer konventionellen MBR-Anlage mit
einer Niedrig-TS-MBR-Anlage (unkonventionelle MBR-
Anlage)..................................................................................168
Abbildung 44: Fließbild beim Störfall der MBR-Anlage.................................169
Abbildung 45: Fließbild der Membranversuchsanlage der Fa. Zenon...........171
Abbildung 46: Vergleich der spezifischen Faulgasproduktion von
konventionellem Belebtschlamm und Belebtschlamm der
halbtechnischen MBR-Anlage................................................178
Abbildung 47: Leistungsbild August/September 2001..................................181
Abbildung 48: Leistungsbild Oktober/November 2001..................................183
Abbildung 49: Druckverläufe im Abzugszyklus (Betriebsphase 1)................183
Abbildung 50: Leistungsbild Dezember2001 bis März2002........................184
Abbildung 51: Druckverläufe im Abzugszyklus (Betriebsphase 2)................186
Abbildung 52: temperatumormierte Nettopermeabilität................................187
Abbildung 53: Kostenvergleich.....................................................................190
Abbildung 54: systematischer Ansatz bei der Ertüchtigung von
kommunalen Kläranlagen......................................................201
vU
Ein exemplarischer Ansatz zur Einbindung neuer Bemessungswege und
neuer Reinigungstechnologien bei der Ertüchtigung von Kläranlagen________________
Tabellenverzeichnis
Tabelle 1: Inhaltliche Struktur der Arbeit....................................................8
Tabelle 2: Entwicklung der Mindestanforderungen nach deutschem
Recht am Beispiel der Überwachungswerte für Kläranlagen
100.000 EW in den Jahren 1979 bis 2002...........................12
Tabelle 3: Anforderungen für Kläranlagen 100.000 EW nach
europäischem Recht...............................................................13
Tabelle 4: erforderliche Schmutzparameterdaten für eine
Kläranlagenberechnung..........................................................37
Tabelle 5. Vergleich ausgewählter Landesverordnungen zur
Eigenkontrolle bzw. Eigenüberwachung von
Abwasseranlagen...................................................................38
Tabelle 6: Bemessungshistorie der Belebungsbecken............................55
Tabelle 7: Zulaufparameter, Fraktionierungsansätze nach Bornemann
et al. (1998).............................................................................59
Tabelle 8: Kinetische und stöchiometrische Parameter (Bornemann et
al. 1998)..................................................................................60
Tabelle 9: Permeatfluxe ausgewählter Anlagen.......................................76
Tabelle 10: hydraulische Zulaufdaten (Burgsolms)....................................90
Tabelle 11: Ergebnisse der Messphase, Tagesmischproben
(Burgsolms).............................................................................92
Tabelle 12: Bemessungslastfälle im Zulauf zur Belebung (Burgsolms).....93
Tabelle 13: Beckengrößen und Fördermengen der Versuchsanlagen
(Burgsolms).............................................................................95
Tabelle 14: Betriebsphasen des Versuchsanlagenbetriebes
(Burgsolms).............................................................................97
Tabelle 15: Messprogramm (Burgsolms)...................................................98
Tabelle 16: Analysevorschriften.................................................................98
Tabelle 17: mittlere Zu- und Ablaufkonzentrationen in den
Betriebsphasen (Burgsolms).................................................100
Tabelle 18: Betriebsparameter in den Betriebsphasen (Burgsolms)........100
Tabelle 19: mittlere Belastungswerte in den Betriebsphasen
(Burgsolms)...........................................................................100
Tabelle 20: kalibrierte Parameter (Burgsolms)........................................103
Tabelle 21: hydraulische Zulaufdaten (Edermünde)................................120
Tabelle 22: Ergebnisse der Zulaufmessphasen (24-Std.-MP, alle Tage:
Mittelwerte Trockenwettertage 85-Perzentitwerte)
(Edermünde).........................................................................122
Tabelle 23: Bemessungslastfall im Zulauf zur Vorklärung (Edermünde). 124
Tabelle 24: Beckengrößen und Fördermengen der Versuchsanlagen
(Edermünde).........................................................................124
Ein exemplarischer Ansatz zur Einbindung neuer Bemessungswege und
neuer Reinigungstechnologien bei der Ertüchtigung von Kläranlagen
Tabelle 25: Betriebsphasen des Versuchsanlagenbetriebes
(Edermünde)..........................................................................126
Tabelle 26: Messprogramm während des Normalbetriebes
(Edermünde)..........................................................................128
Tabelle 27: Messprogramm während einer Intensivmessphase
(Edermünde)..........................................................................128
Tabelle 28: Ergebnisse in den einzelnen Intensivmessphasen
(Edermünde)..........................................................................129
Tabelle 29: Ergebnisse in den einzelnen Betriebsphasen (Edermünde) ..131
Tabelle 30: Statistik ISV-Auswertung, Datenanzahl: 44 (Edermünde)......133
Tabelle 31: CSB-Fraktionierung Zulauf Vorklärung (Edermünde)............135
Tabelle 32: CSB-Fraktionierung Ablauf Vorklärung (Edermünde)............138
Tabelle 33: Ergebnisse der Nachklärbeckenberechnungen
(Edermünde)..........................................................................145
Tabelle 34: Ergebnisse der Belebungsbeckenbemessung (Edermünde). 146
Tabelle 35: Ccss.zs-Konzentration im Ablauf der Vorklärung
(Edermünde)..........................................................................147
Tabelle 36: mittlere Betriebsparameter der Vorzugsvariante, Ergebnis
der Prognosesimulation (Edermünde)...................................150
Tabelle 37: Kostenschätzung der konventionellen
Ertüchtigungsvariante............................................................160
Tabelle 38: Erläuterung der Membranversuchsanlage.............................171
Tabelle 39: Messprogramm der Membranversuchsanlage.......................172
Tabelle 40: Zulaufbelastungen zur Membranversuchsanlage..................173
Tabelle 41: Vergleich ermittelter Parameterverhältnisse..........................174
Tabelle 42: Angaben zu Betriebsparametem und statistischen
Parametern der halbtechnischen Membranversuchsanlage.. 175
Tabelle 43: Überschussschlammproduktion der MBR-Versuchsanlage... 177
Tabelle 44: Einordnung der Oberschussschlammproduktionen
(Mittelwerte über den Untersuchungszeitraum).....................177
Tabelle 45: Abfolge der Betriebseinstellungen.........................................180
Tabelle 46: Leistungsparameter der Betriebsphase 2..............................188
Tabelle 47: Kostenschätzung der Ertüchtigungsvariante MBR-
Verfahren...............................................................................189
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