M210

ATV-DVWK-Regelwerk

ATV - R EG ELW ER K ABW ASSER - ABFALL

ATV-M 210 Belebungsanlagen mit Aufstaubetrieb ISBN 3-927729-49-3 September 1997

Der ATV-Arbeitsgruppe 2.6.5 „SBR-Verfahren“, die dieses Merkblatt erarbeitet hat, gehören folgende Mitglieder an: Dr.-Ing. B. Teichgräber, Essen (Sprecher) Prof. Dr.-Ing. R. Kayser, Braunschweig Dr.-Ing. J. Oles, Gladbeck Prof. Dr.-Ing. P. Wilderer, München Als Gäste haben mitgewirkt: Dipl.-Ing. E. Morgenroth, München Dr.-Ing. A. Stein, Essen

Benutzerhinweis Dieses Merkblatt ist das Ergebnis ehrenamtlicher, technisch-wissenschaftlicher/wirtschaftlicher technisch-wissenschaftlicher/wirtschaftlicher Gemeinschaftsarbeit, das nach den hierfür geltenden Grundsätzen (Satzung, Geschäftsordnung der ATV und dem ATV-A 400) zustande gekommen ist. Für dieses besteht nach der Rechtsprechung eine tatsächliche Vermutung, daß es inhaltlich und fachlich richtig ist. Jedermann steht die Anwendung des Merkblattes frei. Eine Pflicht zur Anwendung kann sich aber aus Rechts- oder Verwaltungsvorschriften, Verwaltungsvorschriften, Vertrag oder sonstigem Rechtsgrund ergeben. Dieses Merkblatt ist eine wichtige, jedoch nicht die einzige Erkenntnisquelle für fachgerechte Lösungen. Durch seine Anwendung entzieht sich niemand der Verantwortung für eigenes Handeln oder für die richtige Anwendung im konkreten Fall; dies gilt insbesondere für den sachgerechten Umgang mit den im Merkblatt Copyright GFA, Hennef

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aufgezeigten Spielräumen.

1 EINFÜHRUNG Belebungsanlagen werden üblicherweise für Durchlaufbetrieb konzipiert und haben sich als wirtschaftliches und leistungsstarkes Verfahren zur biologischen Reinigung von Abwasser weitgehend durchgesetzt. durchgesetzt. Die ATV hat mit m it den Arbeitsblättern ATV-A 122, ATV-A 126

und ATV-A 131 sowie dem Merkblatt ATV-M 208 die in Deutschland hierüber verfügbaren Erfahrungen für die Bemessung zusammengetragen. Bereits aus der Entwicklungszeit des Belebungsverfahrens Belebungsverfahrens ist bekannt, daß es auch mit einem einzelnen Becken im Aufstau, z. B. als Aufstauoxidationsgraben, betrieben werden kann. Im Rahmen der intensiv geführten Diskussion über mögliche Kostensenkungen für die Abwasserreinigung wird verschiedentlich argumentiert, Belebungsanlagen mit Aufstaubetrieb seien wirtschaftlicher als Durchlaufanlagen. Ein Vergleich ist jedoch nur möglich, wenn die zu erfüllenden Anforderungen und die spezifischen Belastungen der Anlagen, z. B. die Schlammbelastung (BTS), gleich sind. In Deutschland wurden inzwischen mehrere Aufstaubelebungsanlagen in Betrieb Bet rieb genommen, diverse weitere befinden sich im Bau. Damit liegen genügend Erfahrungen vor, um Regeln der Technik formulieren zu können. Dies ist das Ziel dieses Merkblattes. Den bisher sehr stark differierenden dif ferierenden Bemessungsansätzen von Planern und Herstellern von Aufstaubelebungsanlagen wird ein an den Bemessungsregeln für Durchlaufbelebungsanlagen orientiertes einheitliches Bemessungsverfahren gegenübergestellt, das für Bauherren und Aufsichtsbehörden den Vergleich verschiedener Angebote, abgesehen von einigen Sonderverfahren, erlaubt. Bei der Anwendung des Standes der Technik wird dem Planer und Lieferanten Lief eranten zugutegehalten, daß nach allgemeiner Erfahrung die gewünschten Verfahrensziele erreicht werden. Dies entbindet den Planer jedoch nicht von der Pflicht, Pf licht, technische Alternativen zu untersuchen und bei erkannten wirtschaftlichen Vorteilen diese Alternativen auch vorzuschlagen und zum Einsatz zu bringen.

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aufgezeigten Spielräumen.

1 EINFÜHRUNG Belebungsanlagen werden üblicherweise für Durchlaufbetrieb konzipiert und haben sich als wirtschaftliches und leistungsstarkes Verfahren zur biologischen Reinigung von Abwasser weitgehend durchgesetzt. durchgesetzt. Die ATV hat mit m it den Arbeitsblättern ATV-A 122, ATV-A 126

und ATV-A 131 sowie dem Merkblatt ATV-M 208 die in Deutschland hierüber verfügbaren Erfahrungen für die Bemessung zusammengetragen. Bereits aus der Entwicklungszeit des Belebungsverfahrens Belebungsverfahrens ist bekannt, daß es auch mit einem einzelnen Becken im Aufstau, z. B. als Aufstauoxidationsgraben, betrieben werden kann. Im Rahmen der intensiv geführten Diskussion über mögliche Kostensenkungen für die Abwasserreinigung wird verschiedentlich argumentiert, Belebungsanlagen mit Aufstaubetrieb seien wirtschaftlicher als Durchlaufanlagen. Ein Vergleich ist jedoch nur möglich, wenn die zu erfüllenden Anforderungen und die spezifischen Belastungen der Anlagen, z. B. die Schlammbelastung (BTS), gleich sind. In Deutschland wurden inzwischen mehrere Aufstaubelebungsanlagen in Betrieb Bet rieb genommen, diverse weitere befinden sich im Bau. Damit liegen genügend Erfahrungen vor, um Regeln der Technik formulieren zu können. Dies ist das Ziel dieses Merkblattes. Den bisher sehr stark differierenden dif ferierenden Bemessungsansätzen von Planern und Herstellern von Aufstaubelebungsanlagen wird ein an den Bemessungsregeln für Durchlaufbelebungsanlagen orientiertes einheitliches Bemessungsverfahren gegenübergestellt, das für Bauherren und Aufsichtsbehörden den Vergleich verschiedener Angebote, abgesehen von einigen Sonderverfahren, erlaubt. Bei der Anwendung des Standes der Technik wird dem Planer und Lieferanten Lief eranten zugutegehalten, daß nach allgemeiner Erfahrung die gewünschten Verfahrensziele erreicht werden. Dies entbindet den Planer jedoch nicht von der Pflicht, Pf licht, technische Alternativen zu untersuchen und bei erkannten wirtschaftlichen Vorteilen diese Alternativen auch vorzuschlagen und zum Einsatz zu bringen.

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2.1 Definitionen Unter der Bezeichnung „Belebungsanlagen mit Aufstaubetrieb“ werden im Rahmen dieses Merkblattes Verfahren zur biologischen Abwasserreinigung verstanden, deren gemeinsames Kennzeichen es ist, daß • zur biologischen Abwasserreinigung Abwasserreinigung belebter Schlamm eingesetzt wird (Belebungsverfahren), Reinigungsprozesse und die Abtrennung des belebten Schlamms vom • die biologischen Reinigungsprozesse gereinigten Abwasser in ein und demselben Becken stattfinden (Einbeckentechnik, siehe Bild 1), W asserspiegel im Becken sich durch das Einleiten des zu behandelnden Abwassers Abwassers • der Wasserspiegel hebt (Aufstau),

• das gereinigte Abwasser chargenweise aus dem Becken abgezogen wird (Chargenbetrieb).

Bild Bild 1:

Prinz Prinzips ipskiz kizze ze ein einer er Aufs Aufsta taub ubele elebu bungs ngsanl anlage age(1 (1))

Der Behälter, in dem die biologischen Reinigungsprozesse sowie die Trennung von belebtem Schlamm und gereinigtem Abwasser stattfinden, wird im folgenden f olgenden „Aufstaubecken“ genannt. Eine Belebungsanlage mit Aufstaubetrieb kann aus einem oder mehreren Aufstaubecken bestehen. Die technische Ausrüstung des Aufstaubeckens besteht mindestens aus Abwasserzuführung, Klarwasserabzugssystem, Klarwasserabzugssystem, Belüftungseinrichtung, eventuell Mischeinrichtung Mischeinrichtung und Überschußschlammabzug. Überschußschlammabzug. Wenn W enn die Abwasserzuführung Abwasserzuführung chargenweise in zeitlich begrenzten Zeitintervallen erfolgen soll, sind zudem ein oder mehrere Vorlagebehälter erforderlich. An kleinen Vorflutern kann ein Ausgleich des schwallartigen Klarwasserabzuges Klarwasserabzuges notwendig sein. Verfahren, bei denen die biologischen Prozesse und die Abtrennung des belebten Schlamms zwar im selben Becken ablaufen, der Füllstand des Beckens während der Behandlung Behandlung aber gleich gehalten wird (z. B. ESB-Verfahren, Ingerle 1995 [1]), können den Aufstauverfahren nicht zugerechnet werden und bleiben im folgenden daher unberücksichtigt. Verfahren, die auch chargenweise betrieben werden, bei denen zur Abwasserreinigung aber Biofilme eingesetzt werden (z. B. Sequencing Batch Biofilm Reactor, SBBR), sind in diesem Merkblatt ausgeklammert. Das Zeitintervall, das mit dem Abschluß des Klarwasserabzugs beginnt und mit dem Copyright GFA, Hennef

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Abschluß des nächsten Klarwasserabzugs endet, bezeichnet man als Zyklus. Jeder Zyklus ist in eine Folge von Prozeßphasen unterteilt (Bild 2). Bild 2:

Beispiel für die Aufeinanderfolge von Prozeßphasen während eines Zyklus(2)

Die Begriffe Zyklus und die verschiedenen Phasen werden wie folgt definiert:

• Zyklus

Zeitintervall, das für die Füllung, die biologischen Prozesse und für die Trennung des belebten Schlamms vom gereinigten Wasser sowie den Abzug des Klarwassers und des Überschußschlammes benötigt wird. Es kann auch eine Stillstandsphase enthalten sein.

• Füllphase

Zeitintervall, während dessen das zu reinigende Abwasser in das Aufstaubecken eingeleitet wird.

• Mischphase Zeitintervall, während dessen der Inhalt des Aufstaubeckens ohne Sauerstoffzufuhr gemischt wird und sich anoxische und/oder anaerobe Milieubedingungen einstellen. • Belüftungsphase

Zeitintervall, während dessen der Behälterinhalt belüftet wird.

• Absetzphase Zeitintervall, während dessen der belebte Schlamm sedimentiert. • Reaktionsphase

Zeitintervall, während dessen aerobe oder anoxische biologische Prozesse ablaufen.

• Klarwasser- Zeitintervall, während dessen das Klarwasser und ggf. der abzugsphase Überschußschlamm abgezogen wird. • Stillstandsphase

Zeitintervall, während dessen das Aufstaubecken auf eine neue Befüllung wartet (optional).

• Arbeitsphase Zeitintervall, welches die Zyklusdauer abzüglich der Warte- oder Stillstandsdauer(n) umfaßt.

Reinigungsleistung und Prozeßstabilität einer Belebungsanlage mit Aufstaubetrieb werden nachhaltig durch die folgenden Prozeßparameter bestimmt: • Zyklusdauer, • Dauern der einzelnen Prozeßphasen, • Volumenaustauschverhältnis (Verhältnis des zugeführten bzw. abgezogenen Volumens zum Volumen des Aufstaubeckens) sowie • Überschußschlammabzug (zur Einstellung des Schlammalters). Copyright GFA, Hennef

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Da der Abwasseranfall Schwankungen unterliegt, kann man entweder mit konstanten

Zylusdauern arbeiten, wobei dann in jedem Zyklus verschieden große Abwassermengen verarbeitet werden, oder man kann mit einer konstanten, maximalen Füllung arbeiten. Dabei werden dann die Zyklusdauern verschieden lang.

2.2 Gültigkeitsbereich Für die Bemessung von Belebungsanlagen mit Aufstaubetrieb gelten sinngemäß die Empfehlungen, wie sie in den ATV-Regelwerken • Arbeitsblatt ATV-A 122 Grundsätze für Bemessung, Bau und Betrieb von kleinen Kläranlagen mit aerober biologischer Reinigungsstufe für Anschlußwerte zwischen 50 und 500 Einwohnerwerten

• Arbeitsblatt ATV-A 126 Grundsätze für die Abwasserbehandlung in Kläranlagen nach dem Belebungsverfahren mit gemeinsamer Schlammstabilisierung bei Anschlußwerten zwischen 500 und 5.000 Einwohnerwerten

• Arbeitsblatt ATV-A 131 Bemessung von einstufigen Belebungsanlagen ab 5.000 Einwohnerwerten festgelegt sind. Im folgenden werden lediglich die Besonderheiten behandelt, die sich für Belebungsanlagen mit Aufstaubetrieb ergeben. Dieses Merkblatt gilt für Kläranlagen mit Anschlußwerten ab 50 Einwohnerwerten. Für Kläranlagen mit Anschlußwerten unter 50 Einwohnerwerten werden vom Deutschen Institut für Bautechnik Bau- und Prüfgrundsätze herausgegeben.

2.3 Geschichtlicher Hintergrund Ein Prozeßablauf der chemischen Fällung und Belüftung mit Aufstaubetrieb in Abwasserteichen wurde erstmals 1898 von dem englischen Ingenieur Sir Thomas Wardle [2] beschrieben. Es wurde zwischen einer Füllphase begrenzter Dauer, einer Belüftungs-, Sedimentations- und Entleerungsphase unterschieden. Zwei Dekaden später arbeiteten Ardern und Lockett [3] in Manchester im Rahmen ihrer Versuche, aus denen letztlich das Belebungsverfahren hervorgegangen ist, mit einer ganz ähnlichen Prozeßtechnik. Die im Labormaßstab gewonnenen Ergebnisse waren so ermutigend, daß das Verfahren auf der Kläranlage der englischen Stadt Salford 1914 zum großtechnischen Einsatz kam [4]. Ein Jahr später ging eine ähnlich konzipierte Anlage in Milwaukee, im Bundesstaat Wisconsin, in Betrieb. In Salford wurde das vorgeklärte Copyright GFA, Hennef

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Abwasser innerhalb von jeweils 45 Minuten in eines von zwei je 83 m 3 fassende

Aufstaubecken eingeleitet und dann 3 Stunden lang belüftet. Der gebildete belebte Schlamm wurde anschließend während einer zweistündigen Sedimentationsphase abgesetzt und der Klarwasserüberstand während einer einstündigen Abzugsphase aus dem Becken abgeleitet. Bis zum Beginn der neuen Füllphase war eine 15minütige Stillstandsphase vorgesehen. Es wird berichtet, daß das mit diesen Anlagen erzielte Reinigungsergebnis befriedigend war [5]. Es entstand jedoch eine Reihe technischer Probleme, die mit den damaligen Mitteln nicht zu bewältigen waren. Insbesondere war der Bedienungsaufwand für das Zu- und Abschalten der Pumpen, Schieber und Belüfter unvertretbar hoch. Die Aggregate mußten zur damaligen Zeit weitestgehend von Hand bedient werden, was zu zahlreichen Fehlschaltungen führte [6]. Durch Umgestaltung in kontinuierlich durchflossene Anlagen mit nachgeschalteten Absetzbecken und Schlammrückführung konnten diese Probleme bewältigt werden. Das klassische Belebungsverfahren war erfunden. Das Verfahren für Belebungsanlagen mit Aufstaubetrieb geriet in der Folge für viele Jahre in Vergessenheit, bis es 1952 von Hoover and Porges [7] sowie 1959 von Pasveer [8] in Form des Aufstauoxidationsgrabens quasi wiederentdeckt wurde. Im Unterschied zu der ursprünglichen Betriebstechnik wurde von den genannten Autoren vorgeschlagen, das Abwasser bei zunächst geschlossenem Ablaufwehr kontinuierlich in das Aufstaubecken einzuleiten. In dem Becken kam es dadurch zu einem Aufstau. Nachdem eine obere Wasserstandsmarke erreicht war, wurde die Belüftung abgeschaltet. Der belebte Schlamm konnte nun sedimentieren und das Klarwasser durch Absenken des Ablaufwehrs abgezogen werden. Der von Pasveer entwickelte Aufstauoxidationsgraben wurde seit den sechziger Jahren weltweit angewandt. Probleme traten dabei vor allem wegen überhöhter hydraulischer Belastung der Anlage bei Mischwasserzulauf auf. Um bei dem kontinuierlich mit Abwasser beschickten Becken die Vermischung von ungereinigtem Zulauf mit gereinigtem Ablauf zu vermindern, wurde von Goronszy [9] vorgeschlagen, die Einlaufzone des Beckens durch eine Tauchwand von dem restlichen Beckenraum abzutrennen. Aus dieser Idee entwickelten sich eine Reihe spezieller, z. T. patentrechtlich geschützter Firmenlösungen. Die ursprüngliche, von Ardern und Lockett eingeführte Betriebstechnik, die auf eine strikte Trennung der Prozeßphasen "Füllen" und "Klarwasserabzug" aufbaute, wurde von Irvine [10, 11, 12, 13] aufgegriffen. Durch systematische Arbeiten im Labor- und im großtechnischen Maßstab wurden in den USA wie auch später in Deutschland [14, 15, 16, 17] die wissenschaftlichen und technischen Grundlagen für das von Irvine mit dem Kürzel ”SBR” (Sequencing Batch Reactor) bezeichnete Verfahren erarbeitet und vertieft. Es soll darauf hinweisen, daß das Abwasser chargenweise behandelt wird (batch reactor), daß die dazu benötigten Prozesse, wie biologischer Abbau und Sedimentation, in einer zeitlichen Copyright GFA, Hennef

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Folge (Sequenz) ablaufen und daß diese Sequenz stetig wiederholt wird (sequencing).

2.4 Grundlagen Mit Belebungsanlagen ist eine weitgehende Entfernung der gelösten organischen Abwasserinhaltsstoffe sowie Nitrifikation und Phosphorelimination zu erzielen. Aufstaubelebungsanlagen werden kontinuierlich oder diskontinuierlich (schubweise) mit Abwasser beschickt. Das Aufstaubelebungsverfahren mit einer Abwasserzufuhr über einen zeitlich begrenzten Zeitraum (Füllphase) wurde entwickelt, um die Prozeßführung weitgehend von den Schwankungen von Volumenstrom und Schmutzstofffracht im Kläranlagenzulauf unabhängig zu machen sowie die Absetzbarkeit des belebten Schlammes zu verbessern, Irvine et al., (1977) [18]. Das Verfahren entspricht einem kaskadenförmig durchströmten Belebungsbecken mit der Besonderheit, daß die einzelnen Prozeßphasen (aerobe, anoxische und anaerobe Mischung sowie Sedimentation) entlang einer Zeitachse im selben Becken ablaufen. In Becken, die innerhalb eines begrenzten Zeitintervalls befüllt werden, haben die nach Abschluß der Füllphase eintretenden Veränderungen des Kläranlagenzulaufs keinen Einfluß auf das Prozeßgeschehen. Die Dauern der einzelnen Prozeßphasen lassen sich entsprechend den momentanen Bedingungen verlängern oder verkürzen, so daß die gewünschten Ablaufgrenzwerte sicher eingehalten werden. Zu beachten ist allerdings, daß diese Strategie nur zum Erfolg führen kann, wenn die Aufstaubelebungsanlage über eine genügend hohe hydraulische Aufnahmekapazität verfügt und sichergestellt ist, daß die Meßund Regeleinrichtungen zuverlässig arbeiten. Im praktischen Betrieb wird deshalb diese Verfahrensweise selten angewandt.

2.5 Verfahrens- und Betriebsvarianten Für das Belebungsverfahrens mit Aufstaubetrieb stehen derzeit im wesentlichen drei Varianten zu Verfügung. Sie lassen sich durch die folgenden Stichworte charakterisieren: 1. kontinuierliche Abwasserzuführung (Beschickungsdauer = Zyklusdauer) 2. schubweise Beschickung von Anlagen ohne vorgeschaltetes Speicherbecken (Vorspeicher), nur mit mindestens zwei Aufstaubecken realisierbar 3. schubweise Beschickung von Anlagen mit Vorspeicher. In den Bildern 3, 5 und 7 sind die Fließschemata und in den Bildern 4, 6 und 8 charakteristische Zykluspläne für die drei Varianten dargestellt. Anlagen, die kontinuierlich beschickt werden, bestehen aus einem oder mehreren Aufstaubecken (Bild 3). Das Abwasser fließt dem Becken bei geschlossenem Copyright GFA, Hennef

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Klarwasserabzug stetig zu. Der Wasserspiegel im Becken steigt. Nach Erreichen eines besimmten oberen Wasserstandes wird die Belüftung abgeschaltet. Der belebte Schlamm

kann sich absetzen. Zur anschließenden Absenkung des Wasserspiegels wird der Klarwasserablauf geöffnet und nach Erreichen eines bestimmten unteren Wasserstandes wieder geschlossen. Bild 3:

Fließbild für eine Belebungsanlage mit Aufstaubetrieb vom Typ:"kontinuierliche Beschickung", dargestellt ist eines von ggf. mehreren Aufstaubecken (3)

Der in Bild 4 dargestellte Zyklusplan macht ein Problem deutlich, das mit der Anwendung

dieser Prozeßvariante verbunden ist. Dadurch, daß ungereinigtes Abwasser auch während der Klarwasserabzugsphase in das Aufstaubecken fließt, kann es zu einer Ablaufverschlechterung kommen. Dem muß durch konstruktive Maßnahmen, beispielsweise durch Abtrennung des Einlaufbereichs mit einer Tauchwand, entgegengewirkt werden. Bei kleinen Anlagen kann der Zufluß während der Klarwasserabzugsphase u. U. in die Kanalisation rückgestaut werden. Bild 4:

Zyklusplan für eine Belebungsanlage mit Aufstaubetrieb vom Typ: "kontinuierliche Beschickung" (Beispiel)(4)

Bei dem Verfahrensschema vom Typ "schubweise Beschickung ohne Vorspeicher" werden

mindestens zwei Aufstaubecken benötigt (Bild 5). Das der Kläranlage stetig zufließende Abwasser wird zunächst in das Aufstaubecken 1 eingeleitet und danach in Aufstaubecken 2 (Bild 6). Bei Einsatz von zwei Parallelbecken entspricht die Fülldauer der Hälfte, bei drei Parallelbecken dem Drittel der Zyklusdauer. Nach Beendigung der Reaktionsphase wird die Belüftung abgeschaltet. Der belebte Schlamm sinkt zu Boden, und das Klarwasser wird abgezogen, um Raum für eine erneute Befüllung freizumachen. Mit dem in Bild 5 skizzierten Prozeßschema wird durch klare Trennung zwischen Füll-, Sedimentations- und Klarwasserabzugsphase eine Rückverschmutzung des gereinigten Klarwassers durch zuströmendes Abwasser vermieden. Für die Befüllung des Beckens 1 kann z. B. eine Zeitspanne 8 Stunden reserviert werden. Danach wird Becken 2 für 8 Stunden befüllt. (Ungünstig ist die Wahl von 6 oder 12 Stunden Fülldauer, weil dann in der Regel beide Becken verschieden hoch belastet werden.) Zu Beginn der Füllphase kann der Beckeninhalt weder gemischt noch belüftet werden (statisches Füllen), um Abbauvorgänge zu unterbinden und so im Becken einen signifikanten Anstieg der Konzentration an organischen Abwasserinhaltsstoffen zu erzielen. Dies ist für Becken 2 in Bild 6 gezeigt. Daraus ergeben sich positive Wirkungen für die Entwicklung eines gut absetzbaren belebten Schlammes. Voraussetzung dazu ist, daß das Abwasser an der Sohle in den abgesetzten Schlamm geleitet wird. Bild 5:

Fließbild für eine Belebungsanlage mit Aufstaubetrieb vom Typ: "schubweise

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Beschickung ohne Vorspeicher"; Beispiel: 2 Parallelbecken(5) Bild 6:

Zyklusplan für eine Belebungsanlage mit Aufstaubetrieb vom Typ: "schubweise Beschickung ohne Vorspeicher"; Beispiel mit 2 Becken(6)

In Bild 7 ist eine Belebungsanlage mit Aufstaubetrieb dargestellt, bei der die Aufstaubecken

(Beispiel: 2 Parallelbecken) aus einem Vorspeicher heraus befüllt werden. Durch die Kurzzeit-Befüllung (Bild 8) kann die Konzentration an organischen Abwasserinhaltsstoffen im Becken rasch auf ein maximales Niveau gehoben werden. Hierdurch werden optimale Ausgangsbedingungen für die Bildung eines gut absetzbaren belebten Schlammes geschaffen. Die Abfolge anaerober, anoxischer und aerober Prozeßphasen zur biologischen Phosphatelimination, Denitrifikation und Nitrifikation kann unabhängig von der hydraulischen Belastung der Kläranlage eingestellt werden. Bild 7:

Fließbild für eine Belebungsanlage mit Aufstaubetrieb vom Typ: "schubweise Beschickung aus einem Vorspreicher"; Beispiel mit 2 Becken(7)

Bild 8:

Zyklusplan für eine Belebungsanlage mit Aufstaubetrieb vom Typ: "schubweise Beschickung aus einem Vorspeicher"; Beispiel mit 2 Becken(8)

Bild 9 zeigt im Überblick die verschiedenen betrieblichen Möglichkeiten des

Aufstau-Belebungsverfahrens anhand der Ganglinien des Beckenfüllstandes für Qmax und Q < Qmax (z. B. bei durchschnittlichem Zufluß), für die beiden Betriebsweisen: A

konstantes Füllvolumen

B

konstante Zyklusdauern

und die drei Varianten des Aufstauverfahrens mit der zusätzlichen Variante (4) der mehrmaligen Beschickung aus einem Vorspeicher: 1. durchgehend kontinuierliche Beschickung 2. abwechselnde Beschickung mehrerer Becken 3. einmaliges schubweises Beschicken aus einem Vorspeicher 4. mehrmaliges (hier zweimaliges) schubweises Beschicken aus einem Vorspeicher.

Es wird zunächst der Betrieb mit konstantem Füllvolumen betrachtet. Wenn Q < Qmax ist, wird man bei kontinuierlicher Beschickung (A1) wasserstandsabhängig verlängerte Denitrifikationsphasen bzw. Belüftungspausen als Wartezeiten einschalten (hier nicht dargestellt). Copyright GFA, Hennef

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Werden zwei Becken abwechselnd beschickt (A2), so muß die Zeit nach Abschluß der Beschickung gleich derjenigen des Betriebes bei Qmax sein (angedeutet durch einen Balken), weil man ja nicht weiß, wie sich zwischenzeitlich der Zufluß entwickelt. Bleibt der Zufluß gering, so folgt der Abzugsphase eine Wartephase, die beendet wird, wenn das andere Becken voll ist und der Zufluß wieder umgelenkt wird. Erfolgt die Beschickung stoßweise aus einem Vorspeicher (A3), so ist bei Q < Qmax die Arbeitsphase gleich der Zyklusdauer bei Q max. Es schließt sich eine Wartephase an, bis der Vorspeicher wieder entsprechend gefüllt ist. Bei mehrmaliger stoßweiser Beschickung (A4) wird bei Q < Q max die Arbeitsphase in Abhängigkeit vom Füllstand im Vorspeicher durch eine Wartephase unterbrochen.

Für sehr kleine Anlagen, z. B. für abgelegene kleine Einzugsgebiete, kann es günstig sein, mit einem festen, maximalen Füllvolumen zu arbeiten. Wegen der annähernd gleichen Schmutzfrachten pro Füllung kann dann z. B. die Belüftung zeitgesteuert erfolgen. Arbeitet man mit konstanten Zyklusdauern (B1 - B4), so wird bei Q < Q max das Füllvolumen Vmin + DV (vgl. Bild 9) kleiner als das maximale Füllvolumen VR. Diese Betriebsweise ist aus der Sicht des Kläranlagenbetriebes am übersichtlichsten. Man weiß immer, was in welchem Becken gerade abläuft. Auch in den Bildern 4, 6 und 8 ist der Betrieb mit festen Zyklusdauern dargestellt. Zwischen den beiden Betriebsweisen A und B gibt es zudem Lösungen, bei denen anhand des Zuflusses und des Füllungsgrades der Becken oder/und des Vorspeichers, ggf. unter Einbeziehung von Kenngrößen zum Reinigungsverlauf die Phasen und Zyklusdauern von Fall zu Fall berechnet werden. Damit kann das vorhandene Beckenvolumen wirtschaftlicher ausgenutzt werden. Erforderlich dazu sind allerdings zuverlässige Prozeßmeßgeräte sowie entsprechend hoch entwickelte Prozeßrechner. Diese Betriebsweise kommt nur selten zum Einsatz. Bild 9:

Betriebsweisen des Aufstau-Belebungsverfahrens, gezeigt anhand von Füllstandsganglinien(9)

2.6 Anwendungsgebiete Belebungsanlagen mit Aufstaubetrieb sind für die Reinigung solcher Abwässer anwendbar, deren Inhaltsstoffe einer biologischen Behandlung zugänglich sind. Insofern ergeben sich keine grundsätzlichen Unterschiede zu dem klassischen Belebungsverfahren mit Durchlaufbetrieb. Copyright GFA, Hennef

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• Aufstauanlagen sind modular aufgebaut. Reaktion und Sedimentation finden zeitlich getrennt in einem Becken statt. Bei kleinen Kläranlagen ist es somit möglich, ohne größeren Mehraufwand redundante Systeme zu betreiben (zwei Aufstaubecken sind einer Belebungsanlage mit zwei Belebungsbecken und einem, besser zwei Nachklärbecken, gleichwertig). Außerdem ermöglicht der modulare Aufbau ein einfaches Erweitern der Kläranlage. • Änderungen an der Betriebstechnik werden in Aufstaubelebungsanlagen durch Modifikation der Dauern und Abfolgen der einzelnen Phasen innerhalb eines Zyklus realisiert und durch Anpassung der Zeitsteuerung umgesetzt. Sollen hingegen in einer kontinuierlich durchflossenen Anlage Änderungen an der Betriebstechnik vorgenommen werden, so sind oft bauliche Maßnahmen erforderlich. Die Zykluszeiten können manuell vom Kläranlagenpersonal aufgrund von Erfahrungen (aktuelle Analysenwerte oder vorhersehbare Änderungen im Kläranlagenzulauf, z. B. bei Saisonbetrieben im Einzugsgebiet) verändert werden. Es besteht weiterhin die Möglichkeit, den Betrieb der Aufstauanlage rechnergestützt zu steuern und so flexibel auf Schwankungen im Kläranlagenzulauf zu reagieren. Voraussetzungen dafür sind jedoch: (1) hoch qualifiziertes Kläranlagenpersonal, (2) eine verläßliche Meßtechnik, (3) eine Anlage, die nicht überlastet ist und (4) eine Zyklusgestaltung, die variable Zyklusdauern zuläßt.

• Bei niedriger Belastung der Kläranlage können einzelne Aufstaubecken außer Betrieb genommen werden, indem die Stillstandszeit im Zyklus auf Stunden bis Tage verlängert wird. Der belebte Schlamm kann in zeitlichen Abständen belüftet oder durchmischt werden, um ihn aktiv zu halten.

• Bei kurzer Fülldauer und großem Austauschverhältnis (f A) ergeben sich in Aufstauanlagen große Konzentrationsgradienten über die Zyklusdauer, die einer idealen Propfenströmung nahe kommen. Der ständige Wechsel von hohen und niedrigen Substratkonzentrationen wirkt sich positiv auf die Schlammabsetzbarkeit aus (Selektor-Effekt). Bei den Anforderungen zur Stickstoffelimination sind einem großen Austauschverhältnis jedoch Grenzen gesetzt.

• Bei der Durchführung von einfachen Abbauversuchen und in der Forschung im Labormaßstab bieten Aufstauanlagen den Vorteil, daß sie mit sehr geringem Aufwand zu betreiben sind. Oftmals genügen ein Becherglas mit Rührwerk, Aquariumsbelüfter und eine einfache Zeitschaltuhr. Es muß jedoch bei ermittelten kinetischen und stöchiometrischen Werten beachtet werden, daß die in Aufstau-Anlagen (bei kurzer Füllzeit und hohem Konzentrationsgradienten) ermittelten Parameter sich von den Werten in kontinuierlich durchströmten Anlagen unterscheiden können.

3 Technik des Belebungsverfahrens mit Aufstaubetrieb Copyright GFA, Hennef

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3.1 Allgemeines Anlagenkonzept Einer Belebungsanlage mit Aufstaubetrieb sind, wie den kontinuierlich beschickten Belebungsanlagen, der jeweiligen Abwasserzusammensetzung entsprechende Einrichtungen zur mechanischen Abwasserreinigung vorzuschalten. Es gelten hier die

einschlägigen Merk- und Arbeitsblätter der ATV. Zur Reinigung kommunaler Abwässer sind in der Regel eine Rechenanlage sowie ein Sandund Fettfang erforderlich. Wenn ein Vorklärbecken vorgeschaltet wird, erfolgt die Schlammstabilisierung nicht simultan im Aufstaubelebungsbecken, sondern in einer getrennten Stabilisierungsanlage. Dem Vorklärbecken kann die Doppelfunktion des Absetzbeckens und des Vorspeichers zugeordnet werden. Zu den verfahrensspezifischen Anlagenteilen zählen die Aufstaubecken und ggf. ein vorgeschalteter Vorlagebehälter (Vorspeicher). Die Funktion des Vorspeichers kann auch durch einen Kanalstauraum übernommen werden. Jedes der Aufstaubecken ist mit maschinellen Einrichtungen (Belüfter, Mischer, Klarwasserabzugsvorrichtung etc.) ausgestattet (s. Bild 1). In der Regel erfolgt eine Zwischenhebung des Abwassers mittels einer Pumpstation. Bei günstigen topographischen Verhältnissen kann diese Zwischenpumpstation auch entfallen. Eine Vergleichmäßigung des stoßweise anfallenden gereinigten Ablaufvolumenstroms kann insbesondere bei schwachen Vorflutern notwendig werden. Dies kann durch Nachschalten eines Ausgleichsbeckens oder eines Schönungsteichs erzielt werden. Die Entnahme des Überschußschlamms aus den Aufstaubecken erfolgt diskontinuierlich zu dem im Zyklusprogramm festgelegten Zeitpunkt. Die Behandlung des Überschußschlammes und auch des eventuell anfallenden Vorklärschlammes geschieht je nach Anlagengröße und gewähltem Schlammentsorgungspfad mit den bekannten Verfahrensstufen wie Eindickung, aerobe oder anaerobe Stabilisierung, Entwässerung etc.

3.2 Anlagentechnik 3.2.1 Vorspeicher und Pumpstation Ein Vorspeicher ist nur erforderlich, wenn eine Kurzzeitbeschickung für zweckmäßig gehalten wird. Eine Durchmischung des Speicherbeckeninhalts mittels Rührwerken oder anderen Einrichtungen sollte vorgesehen werden, um Ablagerungen im Speicherbecken zu vermeiden. Bewährt hat sich für runde Becken auch die tangentiale Einleitung des Rohabwassers, gekoppelt mit einer Entnahme aus der Beckenmitte bei geneigter Sohle. Copyright GFA, Hennef

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Rührwerksanzahl und -leistung richten sich nach Beckengröße und Beckenform. Bei der Rührwerksauslegung ist zu beachten, daß das Speicherbecken mit ständig wechselnden Wasserständen betrieben wird. Eine komplette Entleerung des Speicherbeckens muß möglich sein. Die Leistung der Pumpen, mit denen aus dem Vorspeicher in die Aufstaubecken gefördert wird, richtet sich nach der angestebten Dauer der Füllphase(n) und dem Volumen des Vorspeichers. Auch wenn kein Vorspeicher gebaut wird, wird den Aufstaubecken das Abwasser in der Regel zugepumpt, es sei denn, Rechen und Sandfang liegen entsprechend hoch. Die Förderleistung der Pumpen richtet sich in diesem Fall nach dem Spitzenzufluß. Die erforderliche Anzahl der Pumpen ergibt sich aufgrund folgender Gesichtspunkte für das Pumpstationskonzept:

• Jedem Aufstaubecken ist eine Beschickungspumpe zugeordnet. Eine Reservepumpe steht bei Ausfall der Betriebspumpen zur Verfügung. Dieses Konzept ist bei Anlagen mit zwei Aufstaubecken zu empfehlen. • Die Beschickungspumpen fördern in eine gemeinsame Verteilungsleitung, aus der über einzelne Abgänge mit Motorschiebern die Füllung der Aufstaubecken vorgenommen wird. Erfolgt die Beschickung der Aufstaubecken im Freigefälle, so wird der Zulauf über Motorschieber geregelt.

3.2.2 Aufstaubecken Aufstaubecken unterliegen keiner besonderen Bauform. Wassertiefen von 4 m bis 7 m sind üblich.

3.2.2.1 Belüftung/Gebläsestation Die Belüftung der Aufstaubecken kann mittels Oberflächenbelüfter oder Druckbelüftung erfolgen. Oberflächenbelüfter müssen schwimmend ausgeführt werden. Bei intermittierendem Belüften und Mischen für die Prozesse der Nitrifikation und der Denitrifikation muß die Belüftung während der Denitrifikationsphasen abschaltbar sein, ohne daß es zu einem Eindringen von belebtem Schlamm in die Belüftungseinrichtung (Diffusoren, Luftförderleitungen) kommt. Hierfür hat sich die Druckluftbelüftung mit Membranbelüftungselementen oder Strahlbelüftern als geeignet erwiesen. Die Auslegung der Belüftungsanlage sowie der zugehörigen Gebläsestation erfolgt entsprechend der für Durchlaufbelebungsanlagen. Verfahrensspezifische Besonderheiten Copyright GFA, Hennef

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ergeben sich aus der Variabilität der Wasserspiegelhöhe sowie der zeitlichen Abfolge von möglicherweise mehreren Belüftungsphasen innerhalb eines Zyklus. Für eine Zyklusstrategie mit intermittierendem Mischen und Belüften zur Erzielung einer weitgehenden Stickstoffelimination erfolgt die Auslegung ähnlich den kontinuierlich durchflossenen Anlagen mit intermittierender Nitrifikation/Denitrifikation.

In Anlagen, die schnell befüllt werden (kurze Füllphasen), wird zu Beginn der ersten Belüftungsphase eines Zyklus in der Regel ein besonders hoher Sauerstoffbedarf auftreten, der nicht vollständig abgedeckt werden muß. Dieser Spitzenbedarf wird durch die Stoßfaktoren nach dem Arbeitsblatt ATV-A 131 (siehe Kap. 4.3.7) für die Auslegung des Belüftungssystems hinreichend erfaßt. Im weiteren Verlauf des Zyklus geht die Atmung der Mikroorganismen stark zurück. Sie pendelt sich schließlich auf dem Niveau der endogenen Atmung ein. Entsprechend sollte die Sauerstoffeintragsleistung abgemindert werden können. Der Energieverbrauch und die Schaumentwicklung können so minimiert werden. Die gewählte Zyklusstrategie und das gewählte Austauschvolumen haben einen entscheidenden Einfluß auf die Spannweite der Luftbedarfsänderung. Während eines Zyklus sinkt der Luftbedarf aufgrund der zeitlichen Änderung der mikrobiellen Atmung je nach Zyklusstrategie etwa im Bereich von ca. 1 : 5 bis zu 1 : 10. Die Gebläseauslegung erfolgt für den maximalen Gegendruck (Vollfüllung). Die sich in Abhängigkeit der gewählten Zyklusstrategie während der verschiedenen Belüftungsphasen verändernden Differenzdrücke sind bei der Auslegung der Gebläse zu berücksichtigen.

3.2.2.2 Umwälzung Wenn (was die Regel ist) getrennte Denitrifikationsphasen vorgesehen werden, ist eine von

der Belüftung unabhängige, getrennte Umwälzung des Reaktorinhalts notwendig. Gleiches gilt für die Anaerobphasen zur biologischen Phosphorelimination. Grundsätzlich ist zu beachten, daß die erforderliche Durchmischungsleistung auch bei unterschiedlichen Wasserspiegelhöhen im Aufstaubecken gewährleistet sein muß. Als Rührwerksaggregate kommen alle bekannten Rührwerke (z. B. Tauchmotorrührwerke, Vertikalrührwerke, etc.) in Betracht. Es können auch schwimmende Rührwerke eingesetzt werden, mit denen zusätzlich die Zerstörung einer potentiellen Schwimmschlammdecke erreicht werden kann.

3.2.2.3

Klarwasserabzugsvorrichtung

Bei der Klarwasserabzugsvorrichtung handelt es sich um eine für Aufstaubelebungsanlagen spezifische maschinentechnische Ausrüstung. Sie bestimmt die Qualität des ablaufenden Copyright GFA, Hennef

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Wassers in entscheidender Weise.

Die Abzugsvorrichtung sollte einen möglichst kurzzeitigen Abzug des gewählten Austauschvolumens, in der Regel zwischen 10 - 50 % des Gesamtreaktorvolumens, gewährleisten. Die empfohlenen Abzugszeiten liegen, je nach Größe des Austauschvolumens, zwischen 30 und 90 Minuten. Eine Verlängerung der Dauer der Klarwasserabzugsphase über diese Zeitspanne hinaus ist unproduktiv.

Die Vorgaben der Wehrkantenbeschickung für kontinuierlich durchflossene Nachklärbecken (gemäß ATV-A 131) gelten hier wegen des ruhenden Wasservolumens während der Abzugsphase nicht. Es werden Abzugsvorrichtungen mit einem Abzugsvolumen von 100 m3 /(m·h) und z. T. darüber angeboten. Durch die vorgegebene bzw. gewählte Dauer der Klarwasserabzugsphase wird in Abhängigkeit von der Reaktorgröße bzw. dem Austauschvolumen (A V) die Größe der Abzugsvorrichtung bestimmt. Bei großen Aufstaubecken sind in einem Becken evtl. mehrere Klarwasserabzugsvorrichtungen anzuordnen.

Das Mitziehen von Schwimmschlamm und Schaum beim Klarwasserabzug ist unbedingt zu verhindern. Dies kann z. B. durch Anordnung einer Tauchwand bzw. durch den Abzug des

Klarwassers unterhalb der Wasserspiegeloberfläche erreicht werden. Die Klarwasserabzugsvorrichtung muß so gestaltet sein, daß während der Belüftungs- und Mischphase kein belebter Schlamm in die Abzugsleitungen gelangt. Ein Aufsaugen des abgesetzten Schlammes muß ebenfalls vermieden werden. Dazu muß während des Abzugs zu jeder Zeit ein sicherer Abstand der Abzugsvorrichtung von der Schlammspiegeloberfläche eingehalten werden. Die Sogwirkung durch punktuell zu hohe Abzugsvolumenströme ist zu begrenzen. Die Abzugsvorrichtung kann schwimmend oder zwangsgesteuert ausgeführt werden. In kleinen Aufstaubecken ist die Anordnung starrer Abzugsvorrichtungen möglich. Grundsätzlich ist ein automatischer Betrieb des Klarwasserabzuges erforderlich. Die maschinentechnische Ausführung der Abzugsvorrichtungen ist anbieterspezifisch und in einigen Fällen patentgeschützt. Wegen der Anordnung der Abzugsvorrichtung auf der Wasseroberfläche des Aufstaubeckens sind Maßnahmen gegen das Einfrieren (Begleitheizung) zu treffen. Abzugsvorrichtungen dürfen durch die Belüftung oder Mischung nicht beschädigt werden. Die Abzugsvorrichtung sollte auch ohne vollständige Entleerung des Beckens gewartet und repariert werden können.

3.2.2.4 Überschuß- und Schwimmschlammabzug Im Unterschied zum konventionellen Belebungsverfahren erfolgt der Copyright GFA, Hennef

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Überschußschlammabzug zeitlich begrenzt zu einem festgelegten Zeitpunkt innerhalb des Zyklus. Sofern die gleiche Belastung der Becken unterstellt werden kann, ist aus jedem Becken jeweils die gleiche Masse an Schlamm zu entfernen. Hierfür gibt es zwei Möglichkeiten: 1. Abzug nach Beendigung der Sedimentation gegen Ende des Klarwasserabzuges aus dem Sohlbereich des Beckens. Dies wird am häufigsten praktiziert. 2. Abzug am Ende der Reaktionsphase (Belüftungs- bzw. Denitrifikationsphase) aus dem durchmischten Becken. Nachteilig ist hierbei die geringere Feststoffkonzentration im Überschußschlamm. Diese Lösung hat den Vorteil, daß das Schlammalter durch Vorgabe eines bestimmten Abzugsvolumens auf einfache Weise konstant gehalten werden kann. Der Überschußschlammabzug kann je nach den hydraulischen Verhältnissen im Freigefälle oder mit Pumpen erfolgen. Eventuell auftretender Schwimmschlamm ist nicht schädlich, solange er nicht in den Klarwasserablauf gezogen wird. In der Regel sind daher Einrichtungen zum Schwimmschlammabzug nicht eingebaut. Aufschwimmende Partikel müssen durch Abschöpfen entfernt werden.

3.2.2.5

Rohrleitungen und Armaturen

Rohrleitungsinstallationen sollten nach den bekannten technischen Qualitätsstandards erfolgen. Zu beachten ist die Gefahr des Einfrierens aufgrund des diskontinuierlichen Durchflusses einiger Rohrleitungen. Deshalb sind Rohrleitungen möglichst so auszuführen, daß nach Abschluß der Durchströmung eine selbsttätige Entleerung erfolgt. Armaturen sind gegebenenfalls mit einer Begleitheizung auszurüsten.

3.2.3 Ablaufspeicher Ist eine Vergleichmäßigung des Ablaufs erforderlich, ist ein Schönungsteich oder ein Ausgleichsbecken nachzuschalten. Der Auslauf kann durchluß- oder füllstandsabhängig mit Drosselorganen, wie sie an Regenüberläufen üblich sind, eingestellt werden.

3.3 Meßtechnische Ausrüstung Es wird hier nur die betriebstechnisch notwendige Meßtechnik aufgelistet. Länderspezifische Selbstüberwachungs- oder Eigenkontrollverordnungen können zusätzliche Einrichtungen verlangen. Copyright GFA, Hennef

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3.3.1 .3.1 Vo Vorrspe speich icher Die notwendige meßtechnische Ausrüstung eines Speicherbeckens besteht aus: Niveaumessung (kontinuierlich ( kontinuierlich oder im einfachsten Fall als Min/Max-Messung) Min/Max-Messung) zur • Niveaumessung Steuerung der Aufstaubeckenbeschickun Aufstaubeckenbeschickung. g.

3.3.2 .3.2 Au Aufs fsta tau ubecken cken Die notwendige meßtechnische Ausrüstung des Aufstaubeckens besteht aus: Niveaumessung entweder kontinuierlich oder Mehrpunktmessung für vorgegebene • Niveaumessung Wasserstände,

• Sauerstoffmessung für die Belüftungssteuerung in jedem Becken. Optional kann vorgesehen werden:

• pH-Messung (in jedem Becken), zweckmäßig bei Industrieabwasser bzw. bei geringer Pufferkapazität, Redox-Messung (in jedem Becken), liefert wertvolle Hinweise auf das Ende der • Redox-Messung Denitrifikationsphase,

• On-line-Messungen On-line-Messungen z. B. für Nitrat und Ammonium zur Prozeßregelung empfehlen sich nur bei großen Anlagen mit entsprechend hohem Automatisierungsgrad und ausreichendem ausreichendem Personalstand, Schlammspiegelmessung zur Steuerung der Klarwasserabzugsvorrichtung. Klarwasserabzugsvorrichtung. • Schlammspiegelmessung

3.4 Elektrotechnische Elektrotechnische Ausstattung, Ausstattung, Steuerungstechnik Um die gewählte Zyklusstrategie ausführen zu können, ist eine spezielle Steuerungstechnik erforderlich. Folgende Möglichkeiten sollten gegeben sein: Einstellmöglichkeiten von Zyklusdauer, Belüftungsdauer, Mischdauer, • Flexible Einstellmöglichkeiten Absetzdauer, Dauer für den Klarwasserabzug etc.,

• Steuerung der Belüftung bzw. Gebläse über die Sauerstoffmessung im Reaktor, Mischwasserzufluß, • Gegebenenfalls Wechsel zu einem speziellen Zyklusplan bei Mischwasserzufluß,

• Gegebenenfalls Wechsel zu einem speziellen Zyklusplan bei geringer Belastung (z. B. Wochenende, Ende der Saison in Gemeinden mit starkem Fremdenverkehr).

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3.5 Bautechnik Bei Aufstellung der Becken oberhalb Geländeoberkante kann eine Isolierung zweckmäßig sein, damit sich der Behälterinhalt Behälterinhalt im Winter W inter nicht zu stark abkühlt.

4 Bemessung von Belebungsanlagen Belebungsanlagen mit Aufstaubetrieb Aufstaubetrieb Für die Bemessung von Kläranlagen können individuelle individuelle Bemessungswerte auch aus Versuchen vor Ort abgeleitet werden. Die zugehörigen Versuchsanlagen sind hierzu mindestens im halbtechnischen Maßstab zu errichten und mindestens ein dreiviertel Jahr bei praxisnahen Betriebsverhältnissen zu betreiben.

4.1 Bemessungsgrundlagen Die Vorgehensweise bei der Bemessung von Belebungsanlagen mit Aufstaubetrieb lassen sich in die folgenden Schritte unterteilen:

1. Bestimmung Bestimmung der der Bemessungske Bemessungskenngrö nngrößen ßen - Zulaufvolumenstrom bei bei durchschnittlichem durchschnittlichem und maximalem Abwasserzulauf Abwasserzulauf - Frac Fracht hten en - Gangli Ganglinie nienn 2. Festlegung Festlegung der der Prozeßge Prozeßgestaltu staltung ng - Anlage mit mit oder ohne Vorspeicher Vorspeicher - Füllmodus (kontinuierlich, (kontinuierlich, intermittierend) intermittierend) 3. Zyklu Zyklusbe sbemes messun sungg Festlegung der Prozeßparameter - Schla Schlamma mmalte lterr - Volumena Volumenaustau ustauschv schverhäl erhältnis tnis - Zyklu Zyklusda sdauer uer - Abfolge der Prozeßphasen Prozeßphasen (Füllen, (Füllen, Belüften, Mischen, Mischen, Sedimentieren, Klarwasserabzug, Klarwasserabzug, Überschußschlammabzug) Überschußschlammabzug) - Dauer Dauer der Prozeßph Prozeßphasen asen - Beginn und Ende der der einzelnen Aktionen Aktionen (z. B. Beginn der Belüftung mit Beginn des des Füllvorgangs) 4. hydrauli hydraulische sche Anlagenb Anlagenbemess emessung ung Festlegung der Anlagenparameter: - Zahl der der Aufstaube Aufstaubecken cken - Volumen der der Aufstaubecken und und ggf. des Vorspeichers Vorspeichers 5. maschinen maschinentechn technisch ischee Bemessung Bemessung - Belüfterle Belüfterleistun istungg Copyright GFA, Hennef

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- Pumpenle Pumpenleistun istung g - Mischerl Mischerleistu eistung ng 6. Funktio Funktionsn nsnach achwe weis is - mit Hilfe Hilfe von von Simulationsprogramme Simulationsprogrammen n - mit Hilfe von von Pilotversuc Pilotversuchen hen

Der Zyklusplan kann nach Erfahrungswerten, aufgrund der Ergebnisse von Pilotversuchen oder im Zuge der Bemessung (siehe Kap. 4.4) festgelegt werden.

Für Abwässer mit besonderer Zusammensetzung (z. B. Industrieabwässer, I ndustrieabwässer, Deponiesickerwässer) Deponiesickerwässer) ist die Durchführung von Pilotversuchen zur Bemessung anzuraten. Zu ermitteln ist die Dauer der nacheinander durchzuführenden Prozeßphasen und damit auch die Zyklusdauer. Die hydraulische Bemessung hat zum Ziel, die Beckenvolumina zur Behandlung der anfallenden Abwassermengen zu ermitteln. Das höchste Maß an prozeßtechnischer Flexibilität wird erreicht, wenn das anfallende Abwasser in einem Vorspeicher gesammelt und von dort in dasjenige Aufstaubecken eingeleitet wird, das sich am längsten in der Stillstandsphase befindet. Bei Anlagen ohne Vorspeicher muß gewährleistet sein, daß das zufließende Abwasser nicht auf kurzem Wege W ege in den Klarwasserabzug Klarwasserabzug gelangen kann. Für die aus Gründen der Betriebssicherheit erforderliche Zahl der Aufstaubecken gelten die gleichen Grundsätze wie für ständig durchflossene Belebungsbecken. In der Regel sind daher mindesten zwei Becken zu empfehlen. Das Volumen eines eventuellen Vorspeichers sowie die Größe und Zahl der Aufstaubecken richten sich weiterhin nach: • Zulaufvolumenstrom, • Reinigungsziel, • Variation des Zulaufstroms (Ganglinie) im Tagesverlauf, über die Woche, saisonbedingt und unter Berücksichtigung des Mischwasserzulaufs, • Volumenaustauschverhältnis. olumenaustauschverhältnis (f A) und Zyklusdau Zyklusdauer er (tZ) sind Parameter, die die sich gegenseitig Volumenaustauschverhältnis beeinflussen. Definiert ist das Volumenaustauschverhältnis Volumenaustauschverhältnis als Verhältnis des abgezogenen Abwasservolumens Abwasservolumens während eines Zyklus (DV) und dem Volumen des Aufstaubeckens Aufstaubeckens bei Vollfüllung (VR).

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f A

=

∆V VR

[-]

(1)

Durch Erhöhung oder Verringerung des Volumenaustauschverhältnisses wird die dem einzelnen Aufstaubecken zugeführte Fracht an Abwasserinhaltsstoffen erhöht bzw. vermindert. Entsprechend muß die Dauer der Reaktionsphase (tR), während der die biologischen Umsetzungen ablaufen (z. B. anoxische und anaerobe Phasen) und als Folge davon die Zyklusdauer (tZ) verlängert oder verkürzt werden. In kommunalen Anlagen ist ein Volumenaustauschverhältniss von fA > 0,5 nicht üblich. Untersuchungen an bestehenden Anlagen haben gezeigt, daß die Reinigungsleistung einer Aufstaubelebungsanlage und die Absetzbarkeit des belebten Schlamms mit der Zyklushäufigkeit (mZ) steigen, d. h. mit der Zahl der Zyklen pro Tag. Diese positiven Effekte treten allerdings nur ein, wenn zu Beginn des Zyklus ein signifikanter Anstieg der Substratkonzentration erreicht werden kann. Das heißt, daß diese Vorteile nur mit konzentrierteren Abwässern erreichbar sind. Die Höhe des erforderlichen Konzentrationsanstiegs ist auch von der Art der Abwasserinhaltsstoffe abhängig. Bei der Entscheidung über die Zahl der Aufstaubecken spielen Überlegungen eine Rolle, wie • Investitionskosten für die maschinelle Ausrüstung einschließlich der Regelungstechnik der Aufstaubecken . Da jedes der Aufstaubecken einzeln installiert ist, steigen die Investitionskosten mit zunehmender Beckenzahl nahezu linear an.

• Energievorhaltekosten für den Betrieb der Pumpen, Mischer und Belüfter. Die Aggregate zum Betrieb von Aufstaubecken sind in der Regel nur zeitweise in Betrieb. Mit steigender Zahl an Aufstaubecken wird das Verhältnis zwischen Energieanschlußkosten und Betriebszeiten der Maschinen günstiger. Voraussetzung dafür ist allerdings ein möglichst geringer Gleichzeitigkeitsfaktor für den Betrieb der einzelnen Aggregate.

• Hydraulische Leistung der Abzugsvorrichtung Um das vorhandene Beckenvolumen bestmöglich ausnutzen zu können, sollte die Dauer der Klarwasserabzugsphase möglichst kurz sein. Die Bemessung von Belebungsanlagen mit Aufstaubetrieb muß sich an folgenden Kriterien orientieren: Copyright GFA, Hennef

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1 Reinigungsziel Optionen sind:

1.1 Kohlenstoff (CSB, BSB5) -Elimination 1.2 Kohlenstoffelimination und Nitrifikation 1.3 Kohlenstoffelimination, Nitrifikation und Denitrifikation 1.4 Kohlenstoffabbau, Nitrifikation, Denitrifikation und Phosphorelimination 2 Hydraulische Zulaufcharakteristik

Zu berücksichtigen sind: 2.1 durchschnittlicher Abwasseranfall bei Trockenwetter 2.2 maximaler Abwasseranfall (Qm) bei Regenwetter, Schneeschmelze etc. 3 Klärschlammbehandlung mit den Optionen: 3.1 getrennte Stabilisierung 3.2 simultane Schlammstabilisierung

Für jeden dieser Fälle müssen speziell angepaßte Zykluspläne aufgestellt werden. Jedem Fall ist ein charakteristisches Schlammalter zugeordnet. Bei dessen Berechnung ist zwischen der effektiven Verweilzeit des belebten Schlamms in dem einzelnen Aufstaubecken und dem aus Vermehrung und Absterben resultierenden Schlammalter zu unterscheiden. Die mittlere Verweilzeit des belebten Schlamms (θx) resultiert aus dem Verhältnis der

Masse an Schlamm in n Becken mit je einem Volumen V R und der Schlammtrockensubstanz TS R sowie der täglich abgezogenen Masse an Überschußschlamm (ÜSd).

θx =

n ⋅ VR ⋅ TSR

ÜS d

[d]

(2)

Das durch biologische Reaktionen bedingte Schlammalter (tTS) kann sich dagegen

nur auf den Teil der Schlammverweilzeit beziehen, während dessen biologische Reaktionen ablaufen, nämlich auf die gesamte Reaktionsphase (tR) bzw. auf die Dauer der Belüftungsphase (aerobes Schlammalter, tTS,a). Berechnen läßt sich das Copyright GFA, Hennef

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so definierte Schlammalter durch Multiplikation der mittleren Schlammverweilzeiten

mit dem Verhältnis aus Dauer der jeweils interessierenden Prozeßphase und der Zyklusdauer (tZ). t TS = θ x ⋅

tR tZ

[d]

(3)

4.2 Festlegung der Zyklusdauer nach Erfahrungswerten In kontinuierlich betriebenen Belebungsanlagen mit Nitrifikation-Denitrifikation liegt die hydraulische Verweilzeit üblicherweise zwischen 12 und 24 h. Die Verweilzeit ist dabei von der Abwasserzusammensetzung, vom Reinigungsziel und der Verfahrenstechnik abhängig. Verwendet man diese hydraulische Verweilzeit (q H) als Grundlage für die Bemessung, so ergibt sich die Zyklusdauer (t Z) aus folgender Gleichung: tZ = θH . f A

[h]

(4)

Bei einem Volumenaustauschverhältnis (f A) von 50 % ergeben sich damit für das Aufstaubecken Zykluszeiten von 6 bis 12 h. Bei einem kleineren Volumenaustauschverhältnis von z. B. 20 % ergeben sich entsprechend kürzere Zyklusdauern von 2 bis 5 h. Diese von der hydraulischen Verweilzeit abgeleiteten Zyklusdauern können als Orientierungshilfe bei einer überschlägigen Bemessung dienen. Dabei werden bei ausschließlichem Kohlenstoffabbau kürzere Zyklusdauern und bei kombinierter Kohlenstoff-, Stickstoff- und Phosphorentfernung längere Zyklusdauern benötigt. Bei der Berechnung des erforderlichen Volumens der Aufstaubecken wird davon ausgegangen, daß der Volumenstrom, der der Kläranlage an einem Tag zufließt (Tageswassermenge, Q d), in den vorhandenen Becken aufgenommen und behandelt werden kann. Das Volumen der Aufstaubecken ergibt sich in Abhängigkeit von der gewählten Zyklusdauer zu n · VR = Qd · θ H =

Qd ⋅ tZ 24 ⋅ fA

[m³]

(5)

Die Berechnung des Volumens ist für den Trockenwetterfall sowie mit verminderter Zyklusdauer und/oder erhöhtem Volumenaustauschverhältnis für Mischwasserzufluß durchzuführen. Der höhere Wert ist der maßgebende.

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4.3 Bemessung auf der Basis der ATV-Arbeitsblätter 4.3.1 Grundsätzliches

Bei der Bemessung auf der Basis der ATV-Arbeitsblätter ATV-A 122, ATV-A 126 und ATV-A 131 wird davon ausgegangen, daß in Durchlauf- und Aufstau-Belebungsanlagen bei gleichem Schlammalter und vergleichbaren Betriebsweisen gleiche Reinigungsergebnisse erzielt werden. Es gibt Aufstau-Belebungsanlagen mit speziellen Prozeßgestaltungen, die nicht mit dem folgenden Berechnungsverfahren überprüfbar sind. In solchen Fällen muß man sich Betriebs- und Versuchsergebnisse vorlegen lassen. Gegebenenfalls müssen vor Ort Versuche durchgeführt werden. In Aufstau-Belebungsanlagen ist das Schlammalter auf die Dauer der Reaktionsphase (tR) zu beziehen, die sich aus der Zyklusdauer (tZ) nach Abzug der Sedimentationsdauer (tSed) und der Klarwasserabzugsdauer (tAb), ggf. einer anaeroben Phase zur biologischen Phosphatelimination (tBioP) sowie u. U. einer Stillstandsphase (tStill) ergibt. Wird statische Befüllung (d. h. ohne Belüftung

und/oder Mischung während der Füllphase) gewählt, muß auch die Dauer der Füllphase (tF) abgezogen werden. tR = tZ - tSed - tAb - tBioP - tF - tStill

[h]

(6)

In Anlagen mit Nitrifikation-Denitrifikation gilt weiterhin mit tN, der Dauer der Nitrifikationsphase(n) und tD, der Dauer der Denitrifikationsphase(n): tR = tN + tD

[h]

(7)

Das Verhältnis VD /VBB ist dabei gleich dem Verhältnis tD / (tD + tN): VD /VBB =

tD t N + tD

[-]

(8)

Ein weiterer Wert, der in den Berechnungen verwendet wird, ist die Anzahl der Zyklen pro Tag mZ: mZ =

24 tZ

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[d-1]

(9)

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Am übersichtlichsten ist es für das Betriebspersonal, wenn mit mZ = 1, 2, 3, 4, oder 6 pro Tag gearbeitet wird, weil dann zu gleichen Uhrzeiten das gleiche in den Anlagen abläuft. Bei mZ = 2 oder 4 d-1 sind zwei im Zeitversatz betriebene Aufstaubecken in der Regel unterschiedlich hoch belastet. Das während eines Zyklus einem Becken zugeführte Volumen an Abwasser (∆V) beträgt: t

∫ 

∆V = Qdt

[m³]

(10)

0

Die Zeit t ist mit tZ /n einzusetzen. Wenn für den Zufluß Qmax eingesetzt wird, erhält

man ∆Vmax. Es gilt weiterhin: VR = Vmin + ∆Vmax

[m³]

(11)

Die Schlammbelastung BTS einer Aufstauanlage wird wie folgt berechnet: BTS =

Qd ⋅ BSB 5,0

⋅

tZ

n ⋅ VR ⋅ TSR t R

[kg/(kg·d)]

(12)

Im Zähler steht die maßgebende BSB5-Fracht, n·VR ist das Gesamtvolumen von n Becken mit je einem Volumen von VR. Mit dem Verhältnis tZ /tR wird der Bezug auf die Reaktionszeit hergestellt. Für das Schlammalter erhält man entsprechend: tTS =

n ⋅ VR ⋅ TSR t R

ÜS d

⋅

tZ

[d]

(13)

ÜSd ist die täglich produzierte Überschußschlammtrockenmasse. Der Trockensubstanzgehalt im Aufstaubecken wird bewußt mit TSR statt mit TSBB bezeichnet, weil er sich in Abhängigkeit vom Füllvolumen VR des Aufstaubeckens ändert. Das Produkt VR·TSR ist als konstante Größe zu betrachten. Vor der Bemessung sind festzulegen: • • •

Anzahl der Aufstaubecken Betriebsweise (vgl. Bild 9) Mit oder ohne gemeinsame Schlammstabilisierung

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•

Schlammindex (in Verbindung mit der Betriebsweise)

4.3.2 Bestimmung des erforderlichen Schlammalters Das erforderliche Schlammalter ist Tabelle 2 (ATV-A 131) zu entnehmen. Für Anlagen

mit gemeinsamer Schlammstabilisierung muß hiernach das Schlammalter tTS = 25 Tage betragen. Wenn der Schlamm getrennt stabilisiert werden soll, ist vorher das Verhältnis VD /VBB anhand von Tabelle 4 (ATV-A 131) zu bestimmen. Anlagen mit schubweiser Beschickung aus einem Vorspeicher sind wie Durchlaufanlagen mit vorgeschalteter Denitrifikation zu betrachten. Das gilt auch für Anlagen mit zwei und mehr abwechselnd beschickten Aufstaubecken, weil dabei tF ≈ tD wird. Anlagen mit kontinuierlichem Zufluß und intermittierender Denitrifikation sind wie Durchlaufanlagen mit simultaner Denitrifikation zu berechnen. Für Anlagen mit gemeinsamer Schlammstabilisierung ist das Verhältnis V D /VBB im wesentlichen für die Auslegung der Belüftungseinrichtung von Bedeutung.

4.3.3 Berechnung des Volumens V BB Mit dem festgelegten Schlammalter findet man in Tab. 8 (ATV-A 131) die

Schlammproduktion ÜSBSB5. Wenn Simultanfällung zur Phosphatelimination erforderlich ist, erhält man anhand der Gl. 11 oder Gl. 12 (ATV-A 131) den Fällschlamm (ÜSP). Nach Gl. 4 (ATV-A 131) wird ÜSB = ÜSBSB5 + ÜSP. Mit der Gl. 6 (ATV-A 131) erhält man die Raumbelastung BR. Die maßgebende Schmutzfracht (Bd, BSB5 ) ist bekannt und mit Gl. 8 (ATV-A 131) findet man nach Vorgabe von TSBB das Belebungsbeckenvolumen VBB. 4.3.4 Volumen der Aufstaubecken

Zwischen dem Reaktionsvolumen einer Aufstauanlage (bestehend aus n Becken mit  je einem Volumen VR) mit der Schlammtrockensubstanz TSR und dem nach den ATV-Arbeitsblättern berechneten Belebungsbeckenvolumen VBB mit der Schlammtrockensubstanz TSBB besteht folgender Zusammenhang: tZ

n · VR · TSR = (VBB · TSBB) ·

tR

[kg]

(14)

Die Zyklusdauer tZ (Anhaltswerte vgl. 4.2) und die Schlammtrockensubstanz TSR Copyright GFA, Hennef

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sind dabei zunächst vorzugeben und ggf. aufgrund der hydraulischen Berechnungen zu korrigieren. Als erste Bedingung für das Volumen berechnet man streng genommen mit Gl. 14 die der Belebungsanlage äquivalente Masse an belebtem Schlamm in der Aufstauanlage. Dies ist insbesondere bei Änderung des Volumens VR zu beachten. Als zweite Bedingung für das Volumen eines Aufstaubeckens muß der folgende hydraulische Zusammenhang erfüllt sein: t

∫ Q VR =

max

dt

0

[m³]

f A,max

(15)

Das Integral stellt das maximale Füllvolumen infolge des maximalen Zuflusses dar. Es ist aus der maximalen Zuflußganglinie für die Dauer von t = tZ /n zu berechnen. Maßgebend ist für kommunale Anlagen wegen der hohen Zuflüsse bei Regen in den meisten Fällen das Volumen nach Gl. 15. Nach Gl. 14 steigt das Volumen VR mit abnehmender Zyklusdauer, weil tZ /tR dann wegen der meist konstant gehaltenen Dauern von tSed, tAb, usw. größer wird. Umgekehrt ist es nach Gl. 15, weil das Füllvolumen mit abnehmender Zyklusdauer kleiner wird. Nach Gl. 15 würde man fA,max möglichst groß wählen. Dem ist aber durch das Schlammvolumen eine Grenze gesetzt. Für eine Vorprüfung wird daher empfohlen, das Volumen VR nach Gl. 15 mit fA,Vor = 0,4 zu berechnen. Der Index „Vor“ bei fA,Vor soll anzeigen, daß es sich um einen vorgegebenen Wert handelt. Der größere der beiden nach Gl. 14 und 15 berechneten Werte für VR wird für die weiteren Berechnungen verwendet. Wenn VR nach Gl. 15 den größeren Wert ergeben hat, ist die Schlammtrockensubstanz zu korrigieren: TSR (neu) = TSR ·

VR (Gl.14) VR (Gl.15)

[kg/m³]

(16)

4.3.5 Volumenaustauschverhältnis

Zur hydraulischen Berechnung wird zunächst das angenommene Austauschverhältnis (fA,Vor) überprüft. Primäre Bedingung ist, daß der Schlammspiegel zu Beginn und während der gesamten Dauer der Copyright GFA, Hennef

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Klarwasserabzugsphase stets in einem angemessenen Abstand unterhalb der Abzugsvorrichtung liegt (vgl. Bild 10). Die Leistung der Abzugseinrichtung wurde hier

während der Abzugsphase als konstant angenommen. Es ist konstruktionsbedingt möglich, daß diese zunächst höher ist und sich gegen Ende der Abzugsphase verringert. Wichtigste Größe ist die Höhenlage des Schlammspiegels (hS) nach Beendigung des Absetzvorganges. Unter der Annahme, daß der Schlamm nicht stärker eindickt als im Meßzylinder, gilt: hS = hW ·

TSR ⋅ ISV 1000

[m]

(17)

Den Verlauf der Lage des Schlammspiegels findet man mit Hilfe der Sinkgeschwindigkeit des Schlammes. Nach Resch [19] kann man mit ausreichender Genauigkeit annehmen: vs · VSV = 725 l/(m2·h). Für Nachklärbecken mit vertikalem Durchfluß wird

sicherheitshalber qSV = 600 l/(m2·h) angesetzt. Wegen des bei Aufstauanlagen nicht durch Strömungsvorgänge gestörten Absetzvorganges kann man mit qSV = 650 l/(m2·h) rechnen. Damit wird: 650 vS = TSR  ⋅ ISV

[m/h]

(18)

Da es nach dem Abschalten der Belüftung einige Zeit dauert, bis der Beckeninhalt zur Ruhe kommt und der Sinkvorgang des Schlammes beginnt, wird empfohlen, die Sinklinie des Schlammes mit einem Zeitversatz von 10 Minuten beginnen zu lassen. Die Gleichungen 17 und 18 lassen sehr gut erkennen, daß der richtigen (vorsichtigen) Annahme des Schlammindex oder präziser des Produktes TSR · ISV, also des Schlammvolumens, große Bedeutung zukommt. Wenn keine internen Selektoren vorhanden sind, sind in kontinuierlich beschickten Anlagen höhere Schlammindices zu erwarten als in diskontinuierlich beschickten Anlagen, wobei stoßweise aus einem Vorspeicher beschickte Anlagen meist den geringsten Schlammindex haben. Im Grundsatz sollte man sich nach den Ausführungen in ATV-A 131 unter 4.2.2 richten. Bild 10: Ganglinien des Wasserstandes und Höhe des Schlammspiegels während der Sedimentations- und Absetzphase für ein Bemessungsbeispiel(10) Copyright GFA, Hennef

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Die Abzugsvorrichtung sollte während des gesamten Abzugsvorganges einen Abstand von mindestens 0,1 hW , aber nicht weniger als 0,25 m vom Schlammspiegel haben. Dies ist entsprechend Bild 10, welches die Zahlen für das noch folgende Beispiel enthält, graphisch nachzuweisen. Für die tiefste Lage des Schlammmspiegels läßt sich daraus ableiten: TSR ⋅ ISV hW  ≥ 2,50 m: f A,max ≤ (1 - 1000 ) - 0,1

[-]

(19)

0,25 TSR ⋅ ISV hW  ≤ 2,50 m: f A,max ≤ (1 - 1000 ) - h W

[-]

(20)

Die obere Gleichung beinhaltet, daß der Schlammspiegel 0,1 hW unter dem Wasserspiegel liegen muß; Gl. 20 gilt für Wassertiefen unter 2,50 m, bei denen der Schlammspiegel mindestens 0,25 m unter dem Wasserspiegel bleiben soll. In die Gleichungen ist ggf. der nach Gl. 16 korrigierte Wert für TSR einzusetzen. Ist fA,max nach Gl. 19 oder 20 kleiner als der Wert von fA,Vor, bedeutet das, daß das Schlammvolumen zu groß ist. Daher muß die Schlammtrockensubstanz TSR verringert und das Volumen VR entsprechend vergrößert werden. Um die Berechnungen nicht wiederholen zu müssen, empfiehlt es sich, nach den Annahmen von TSR und fA,Vor mit Gl. 19 oder 20 eine Vorprüfung vorzunehmen. Es sind der minimale Wasserstand hW,min und das minimale Füllvolumen Vmin zu berechnen: hW,min = hW · (1 - fA,max)

[m]

(21)

Vmin = VR · (1 - fA,max)

[m³]

(22)

Wenn mit fester Zyklusdauer und variablem Füllvolumen gearbeitet wird, sollte eine zweite Betrachtung für den niedrigsten Abwasseranfall eines Zyklus angestellt werden. Das Aufstauvolumen beträgt dann ∆VTW und das Gesamtvolumen V R,TW. Es gilt:

∆VTW = QTW · (tZ /n)

[m³]

(23)

VR,TW = Vmin +  ∆VTW

[m³]

(24)

fA,TW =  ∆VTW /VR,TW

[-]

(25)

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Für QTW kann der durchschnittliche Abwasseranfall QD /24 eingesetzt werden. Da mit der gleichen Masse an Schlamm im Reaktor gearbeitet wird, ist die Schlammtrockensubstanz höher. Es gilt: TSR,TW = TSR · (VR /VR,TW )

[kg/m³]

(26)

Mit Hilfe von TSR,TW wird vS,TW entsprechend Gl. 18 berechnet. Wegen der meist konstanten Leistung der Abzugsvorrichtungen kann es vorkommen, daß bei durchschnittlicher Füllung die Abzugsvorrichtung in eine kritische Nähe zum Schlammspiegel kommt. 4.3.6 Technische Bedingungen für die Denitrifikation Die Nitrifikations- und Denitrifikationsphasen werden in Abhängigkeit von der Betriebsweise eingerichtet (Bild 11). Bei kontinuierlicher Beschickung (1) wird man je zwei oder mehr (z) Nitrifikations- und Denitrifikationsphasen vorsehen. Dies kommt der intermittierenden Denitrifikation von Durchlaufanlagen gleich. Werden zwei (oder mehr) Becken abwechselnd beschickt (2), ist mit Beginn der Beschickungsphase eine Denitrifikationsphase sinnvoll. Damit kommt man dem Verfahren der vorgeschalteten Denitrifikation von Durchlaufanlagen schon sehr nahe. Es kann zweckmäßig sein, die Nitrifikationsphase noch durch eine Denitrifikationsphase zu unterbrechen; dies entspräche einer Kombination aus vorgeschalteter und intermittierender Dentrifikation. Der vorgeschalteten Denitrifikation entsprechen Anlagen mit schubweiser Beschickung (3). Sollte die Stickstoffelimination nicht ausreichen, muß man in zwei (oder mehr) (z) Schüben beschicken (4) im Bild 11. Bild 11: Denitrifikations- und Nitrifikationsphasen bei verschiedenen Beschickungsund Betriebsweisen(11)

Im einfachsten Fall gilt bei z gleichgroßen Schüben und konstanten Dauern von tN und tD folgende Beziehung: tR = z · (tD + tN)

[h]

(27)

[h]

(28)

Nach Gl. 8 erhält man dann: tD =

VD VBB

⋅ tR z

Für die weiteren Berechnungen ermittelt man zunächst die für die Nitrifikation verfügbare Ammoniumkonzentration NH4-NNit: Copyright GFA, Hennef

29

ATV-DVWK-Regelwerk

NH4-NNit = TKNo - NÜS - org. Ne

[mg/l]

(29)

Der in den Überschußschlamm eingebundene Stickstoff NÜS wird als 0,04 bis 0,05 · BSB5 berechnet. Der Gehalt an organischem Stickstoff im Ablauf, org. Ne, wird in der Regel mit 2 mg/l angesetzt. Rückflüsse aus der Schlammbehandlung sind bei TKNO zu berücksichtigen. Unter den Vorgaben, daß in den Nitrifikationsphasen keine Denitrifikation erfolgt und umgekehrt, sowie den Annahmen, daß am Ende der Denitrifikationsphase NO3-N = 0 und am Ende der Nitrifikationsphase NH4-N = 0 wird, erhält man anhand der folgenden Massenbilanz die Ablaufkonzentration an Nitrat: ∆V z · NH4-NNit = NO3-Ne · (Vmin + ∆V)

∆V NO3-Ne = NH4-NNit · z ⋅ ( Vmin + ∆V ) Da fA =

∆V ( Vmin  + ∆V )

beträgt, kann man auch schreiben: fA NO3-Ne = NH4-NNit · z

[mg/l]

(30)

Wenn z. B. NH4-NNit = 50 mg/l beträgt und NO3-Ne = 10 mg/l eingehalten werden muß,

muß nach Gl. 30 f A /z £ 0,2 betragen. Bei kontinuierlichem Zufluß läßt sich das durch entsprechende Wahl der Anzahl (z) und der Dauern der Einzelphasen (t N, tD) vergleichsweise einfach realisieren (vgl. (1) in Bild 11). Man kann natürlich auch bei intermittierender und stoßweiser Beschickung die Nitrifikationsphasen durch Denitrifikationsphasen (gestrichelt in Bild 11 dargestellt) unterbrechen. Die Denitrifikationsgeschwindigkeit wird jedoch geringer sein als während der Beschickungsphasen. Dies läßt sich nur durch Simulationsrechnungen erfassen (vgl 4.4). Diese Fälle werden hier daher nicht näher betrachtet. Wird das Abwasser aus einem Vorspeicher in einem Schub pro Zyklus zugegeben, muß Gl. 30 mit z = 1 eingehalten werden. Voraussetzungen für eine weitergehende Copyright GFA, Hennef

30

ATV-DVWK-Regelwerk

Stickstoffelimination schafft man durch mehrere Schübe (z) pro Zyklus.

Bei kommunalen Abwässern repräsentieren VR und fA in aller Regel die Verhältnisse bei maximalem Misch- oder Fremdwasserzufluß. Maßgebend sind aber die in der Regel vorherrschenden Trockenwetterverhältnisse. In Gleichung 30 ist daher für fA der Wert von fA,TW einzusetzen. Die zu denitrifizierende Nitratkonzentration (NO3-ND) beträgt unter der Annahme von NH4-Ne = 0: NO3-ND = NH4-NNit - NO3-Ne

[mg/l]

(31)

4.3.7 Berechnung des Sauerstoffbedarfes

Zur Auslegung der Belüftungseinrichtung wird OVC für die höchste Sommertemperatur bei dem vorgegebenen Schlammalter aus Tab. 9 (ATV-A 131) abgegriffen. Die Stoßfaktoren können anhand der Ganglinien ermittelt oder Tab. 10 (ATV-A 131) entnommen werden. Der Sauerstoffbedarf für Nitrifikation und Denitrifikation ergibt sich nach Gl. 13 (ATV-A 131). Der Lastfall „nur Nitrifikation bei T = 10 °C“ ist überflüssig, wenn die Anlage für diese Temperatur auf Denitrifikation ausgelegt ist. Der Sauerstoffverbrauch OV [kg/h] ist nach der folgenden Gleichung zu berechnen: OV=

1 1 − VD / VBB

⋅

1 mZ ⋅ tR

· (fC · OVC + fN · OVN) · Bd,BSB5

[kg/h]

(32)

Die für einen Reaktor erforderliche Sauerstoffzufuhr (αOC) beträgt dann: αOC =

CS CS

− CX

⋅

OV n

[kg/h]

(33)

Der Sauerstoffgehalt ist mit CX = 2,0 mg/l zugrundezulegen; CS ist für die

Temperatur (z. B. 20 °C) Tabellen zu entnehmen und ggf. für die Einblastiefe zu korrigieren. 4.3.8 Überschußschlammanfall

Es wird angenommen, daß in jedem Zyklus aus jedem Becken die entsprechende Masse an Schlamm abgezogen wird. Die Messung des Volumens an Copyright GFA, Hennef

31

ATV-DVWK-Regelwerk

Überschußschlamm (VÜS) erfolgt je nach meßtechnischer Ausstattung entweder durch die Vorgabe der Pump- oder Abzugsdauer (tÜS) oder über die Füllstandsmessung bzw. eine Volumenstrommessung direkt als Schlammvolmen (VÜS).Mit der Pumpleistung (QP,ÜS) erhält man anhand der Abzugsdauer: VÜS = tÜS · QP,ÜS

[m³/Zyklus]

(34)

Die Schlammtrockensubstanz (TSÜS) bei Abzug gegen Ende der Klarwasserabzugsphase ist sicherlich höher als im Absetzzylinder nach halbstündigem Absetzen: 1000 TSÜS > ISV

[kg/m³]

(35)

Die pro Zyklus abzuziehende Masse an Überschußschlamm läßt sich wie folgt berechnen: VR ⋅ TSR t R ⋅ VÜS · TSÜS = t TS 24

[kg/Zyklus]

(36)

Die insgesamt täglich anfallende Masse an Überschußschlamm (ÜSd) beträgt dann: ÜSd = VÜS · TSÜS · n · mZ

[kg/d]

(37)

[kg/d]

(38)

Es gilt auch zur Kontrolle: ÜSd = Bd,BSB5 · ÜSB 4.3.9 Volumen eines Vorspeichers

Das erforderliche Volumen eines Vorspeichers hängt davon ab, ob man einen Tagesausgleich schaffen will, um in jedem Zyklus die gleichen Abwasservolumina zu verarbeiten oder ob man bei mehreren Schüben pro Zyklus einen Ausgleich über  jeweils einen Zyklus anstrebt. Im einfachsten Falle ohne jeden Ausgleich beträgt das maximale Speichervolumen: t

VSP =

∫ Q

max

dt

[m³]

(39)

o

Die Zeit t in Gl. 36 beträgt für eine Anlage mit n Becken und einmaliger Beschickung pro Copyright GFA, Hennef

32

ATV-DVWK-Regelwerk

Zyklus t = tZ /n, d. h. das Speichervolumen ist gleich DVmax. Will man mit mehreren

gleichen Schüben z pro Zyklus arbeiten, so wird man diese in gleichen Abständen während der Zeit tR + tBioP zugeben. Dann ist in Gl. 36 die Zeit t wie folgt einzusetzen: t=

t R + t BioP + (t Sed + t Ab ) n⋅z

[h]

(40)

Bei großen Differenzen zwischen Qmax und QTW kann man den Vorspeicher auch nur für QTW bemessen und bei hohen Zuflüssen mit mehreren Schüben arbeiten.

4.4 Beispiel für die Bemessung einer Aufstauanlage 4.4.1 Belastung und Anforderungen Angeschlossene Einwohner:

8.000, rein häusliches Abwasser, Trennkanalisation Abwasseranfall

QTW

1.500 m³/d; Q24 = 62,5 m³/h Maximale Tagesganglinie (gemessen):

Uhr Q (m³/h)

0-2 150

Uhr 12 - 14 Q (m³/h) 180

2-4 155

4-6 160

6-8 170

8 - 10 180

10 - 12 180

14 - 16 180

16 - 18 180

18 - 20 180

20 - 22 170

22 - 24 160

Qmax = 180 m³/h Es wird mit folgenden Frachten und Konzentrationen gerechnet: BSB5 TS TKN P TS0 /BSB5

480 kg/d 560 kg/d 88 kg/d 16 kg/d 1,17

= 320 mg/l bei TW = 373 mg/l bei TW = 59 mg/l bei TW = 11 mg/l bei TW

Anforderungen: Gemeinsame aerobe Schlammstabilisierung Copyright GFA, Hennef

33

ATV-DVWK-Regelwerk

anorg. Ne ≤ 18 mg/l, Pe ≤ 2 mg/l

4.4.2 Berechnungen nach dem Arbeitsblatt ATV-A 131

Stickstoffbilanz und erforderliche Denitrifikationskapazität: Betriebswerte: anorg. Ne ≤ 10 mg/l; org. Ne = 2 mg/l Gl. 29: NH4-NNit = 59 - 0,04 · 320 - 2 = 45 mg/l Gl. 31: erf. NO3-ND = 45 -10 = 35 mg/l NO3-ND / BSB5 = 35 / 320 = 0,11 Erforderliches Schlammalter: tTS = 25 d wegen Schlammstabilisierung Vorgabe: TSBB = 5 kg/m³ Nach Tab. 8 (ATV-A 131) ÜSBSB5 = 0,98 kg TS/kg BSB5 Phosphorelimination: Teilweise biologisch, zusätzlich Simultanfällung. Zu fällen rd. 5 mg/l P; β = 1,5. Gl: 11 (ATV-A 131)

ÜSP = 6,8 · 5 : 320 = 0,11 kg TS/kg BSB5 Gl. 4 (ATV-A 131)

ÜSB = 0,98 + 0,11 = 1,09 kg TS/kg BSB5 Erforderliches Volumen VBB: Gl. 6 (ATV-A 131)

BR = 5 : (1,09 · 25) = 0,183 kg/(m³·d) Gl. 8 (ATV-A 131)

VBB = 480 : 0,183 = 2.620 m³ 4.4.3 Aufstauanlage mit kontinuierlicher Beschickung Berechnung des Beckenvolumens

Vorgaben: Copyright GFA, Hennef

34

ATV-DVWK-Regelwerk

2 Aufstaubecken (n = 2); Annahmen: TSR = 5 kg/m³ ; ISV = 120 ml/g; fA,Vor = 0,4

Konstante Zyklusdauern, gewählt: tZ = 8 h, mZ = 3 d-1 tBioP = 0,5 h; tSed = 1,0 h; tAb = 1,0 h Bevor weitergerechnet wird, prüft man zunächst mit Gl. 19, ob mit den Annahmen für die Schlammtrockensubstanz und den Schlammindex das angenommene Austauschverhältnis realisierbar ist: 5 ⋅ 120

fA,max ≤ (1-

1000 ) - 0,1 = 0,30

Man müßte hiernach mit einem Austauschverhältnis von 0,30 statt des vorgegebenen von 0,40 arbeiten. Würde man TS R = 4,0 kg/m³ zugrundelegen, so ergibt sich nach obiger Gleichung fA,max £ 0,42. Die Entscheidung wird nach den folgenden Berechnungen getroffen. Gl. 6:

tR = 8 - 1 - 1 - 0,5 = 5,5 h

Berechnungen für TSR = 5,0 kg/m³ und fA,max = 0,3: Gl. 14: VR = (5 · 2.620) : (2 · 5) · (8/5,5) = 1.905 m³ Gl. 15: VR = [180 · (8/2)] : 0,3 = 2.400 m³ Berechnungen für TSR = 4,0 kg/m³ und fA,max = 0,4: Gl. 14: VR = (5 · 2.620) : (2 · 4) · (8/5,5) = 2.381 m³ Gl. 15: VR = [180 · (8/2)] : 0,4 = 1.800 m³ Im einen Fall ergibt sich ein Volumen von rd. 2.400 m³ aufgrund der hydraulischen Gegebenheiten, im anderen Fall ist ein fast gleich großes Volumen (2.381 m³) für die biologischen Prozesse erforderlich. Es wird daher mit dem Volumen VR = 2.400 m³ pro Becken (d. h. insgesamt 4.800 m³ Aufstaubecken) weitergerechnet. Nach Gl. 16 wird: TSR (neu) = 5,0 · (1.905 : 2.400) = 3,97 kg/m³ Der maximale Zufluß in einem Zyklus beträgt nach Gl. 10: Copyright GFA, Hennef

35

ATV-DVWK-Regelwerk

∆Vmax = 180 · (8/2) = 720 m³, damit wird nach Gl. 1: fA,max = 720 : 2.400 = 0,30 und nach Gl. 11: Vmin = 2.400 - 720 = 1.680 m³

Überprüfung des Volumenaustauschverhältnisses Vorgaben: Wassertiefe des Beckens: hW = 5,00 m Minimaler Wasserstand: Gl. 21: hW ,min = 5,00 · (1 - 0,30) = 3,50 m

Höhe des Schlammspiegels nach Beendigung des Absetzvorganges: Gl. 17: hS = (5,00 · 3,97 · 120) : 1.000 = 2,38 m Am Ende der Klarwasserabzugsphase liegt der Schlammspiegel 1,12 m unter dem Wasserspiegel, dies ist mehr als 0,1 · hW = 0,5 m. Sinkgeschwindigkeit des Schlammes: Gl. 18: vS = 650 : (3,97 · 120) = 1,35 m/h Die Lagen des Wasser- und Schlammspiegels sind in Bild 10 dargestellt. Es ist erkennbar, daß der Schlammspiegel immer einen sicheren Abstand vom Wasserspiegel hat. Überprüfung für Trockenwetter Gl. 23: ∆VTW

= 62,5 · (8/2) = 250 m³

Gl. 24: VR,TW

= 250 + 1.680 = 1.930 m³ = 250 : 1.930 = 0,13 = 3,97 · (2.400/1.930) = 4,94 kg/m³ = 5,00 · (1.930/2.400) = 4,02 m = 650 : (4,94 · 120) = 1,10 m/h

Gl. 25: fA,TW Gl. 26: TSR,TW hW,TW Gl. 18: vS

Auch bei Trockenwetter bleibt der Schlammspiegel hinreichend weit unter dem Wasserspiegel, wie Bild 10 zu entnehmen ist. Bedingung für die Denitrifikation Der Nachweis wird nur für Trockenwetter geführt. Aus Tabelle 4 (ATV-A 131) entnimmt man für die oben berechnete Denitrifikationskapazität von NO3-ND /BSB5 = 0,11 für simultane Denitrifikation VD /VBB = 0,4. Nach Gl. 28 erhält man, wenn mit Copyright GFA, Hennef

36

ATV-DVWK-Regelwerk

einer Denitrifikationsphase pro Zyklus gearbeitet wird: tD = 0,4 · (5,5/1) = 2,2 h

Mit Gl. 30 erhält man die Ablaufkonzentration an Nitrat: NO3-Ne = 45 · (0,13/1) = 5,85 mg/l Bei Regen steigt zwar fA, aber wegen Verdünnung sinkt NH4-NNit. Solange durch Kanalausspülungen nicht erhebliche zusätzliche Frachten anfallen, sollte anorg. Ne nicht viel über 10 mg/l steigen. Sauerstoffbedarf

Aus Tabelle 9 (ATV-A 131) entnimmt man für T = 20 °C und tTS = 25 d OVC = 1,6 kg O2 /kg BSB5. Nach Gl. 13 (ATV-A 131) erhält man OVN: OVN = (4,6 · 10 + 1,7 · 35) : 320 = 0,33 kgO2 /kg BSB5 Es wurde sicherheitshalber mit der erforderlichen NO3-Ne Konzentration (10 mg/l) statt mit der technisch erreichbaren gerechnet. Aus Tabelle 10 (ATV-A 131) entnimmt man die Stoßfaktoren fN = 1,5 und fC = 1,1. Der Sauerstoffbedarf ergibt sich nach Gl. 32 zu: OV =

1

1

⋅

1 − (VD / VBB ) 3 ⋅ 5,5

⋅ (1,1 · 1,6 + 1,5 · 0,33) · 480 = 109 kg/h

Für jedes der zwei Becken beträgt der Spitzenbedarf bei einem Sättigungswert von 11,2 mg/l (Einblastiefe 4,75 m, T = 20°C) mit cx = 2 mg/l nach Gl. 33: αOC =

11,2 11,2 − 2

⋅

109 2

= 66 kg/h

Hierfür ist die Belüftungseinrichtung jedes Beckens auszulegen. Überschußschlamm Pro Zyklus sind nach Gl. 36 abzuziehen: VÜS · TSÜS =

⋅

2400 ⋅ 3,97 5,5 = 87,3 kg TS / Zyklus ⋅ 25 24

Nach Gl. 37 erhält man mit mZ = 3 und n = 2: Copyright GFA, Hennef

37

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ÜSd = 87,3 · 2 · 3 = 523,8 kg/d Zur Kontrolle kommt man nach Gl. 38 auf: ÜSd = 480 · 1,09 = 523,2 kg/d Die Berechnungen sind also in sich schlüssig. Die Trockensubstanz des Überschußschlammes beträgt bei Abzug gegen Ende der Klarwasserabzugsphase nach Gl. 35: TSÜS = 1.000/120 = 8,3 kg/m³ Es sind dann pro Zyklus 87,3/8,3 = 10,5 m³ abzuziehen. 4.4.4 Aufstauanlage mit zwei abwechselnd beschickten Becken

Zur Berechnung des Beckenvolumens könnte man einen etwas geringeren Schlammindex vorgeben, weil die Zugabe des Abwassers über einen kürzeren Zeitraum erfolgt. Die Zyklus-, Sedimentations- und Klarwasserabzugsdauer werden wie im vorherigen Beispiel angesetzt. Es kann sich wegen des eventuell geringeren Schlammindex ein etwas kleineres Volumen ergeben. Da die Abwasserzugabe zum großen Teil während der an den Zyklusbeginn zu legenden Denitrifikationsphase erfolgt, kann man mit vorgeschalteter Denitrifikation rechnen. Aus Tabelle 4 (ATV-A 131) entnimmt man VD /VBB = 0,35; im vorherigen Beispiel war es 0,40. Die erforderliche Sauerstoffzufuhr wird hierdurch geringfügig kleiner. Die technisch erreichbare Ablaufkonzentration an Nitrat bleibt gleich. Auch am Überschußschlammanfall ändert sich nichts. 4.4.5 Aufstauanlage mit zwei abwechselnd aus einem Vorspeicher schubweise beschickten Becken

Gegenüber dem vorherigen Beispiel kann man wegen der schubweisen Beschickung mit einem noch geringeren Schlammindex von 90 bis 100 ml/g rechnen. Damit kommt man auf ein noch etwas kleineres Beckenvolumen. Sauerstoffbedarf, erreichbare Ablaufkonzentration an Nitrat und Überschußschlammanfall bleiben wie im vorherigen Beispiel. Der Vorspeicher muß nach Gl. 39 ein Volumen von 4 · 180 = 720 m³ erhalten.

4.5 Rechnergestützte Dimensionierung Copyright GFA, Hennef

38

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4.5.1 Grundlagen Die Veränderung der Prozeßgrößen, wie Sauerstoffbedarf, Schlammtrockensubstanz, Substratkonzentration etc. während einer Zyklusfolge in Aufstaubelebungsanlagen ist ein dynamischer Prozeß. Es bietet sich deshalb an, als Hilfsmittel zur Dimensionierung von Aufstaubelebungsanlagen rechnergestützte dynamische Simulationsprogramme einzusetzen. Unter dem Begriff rechnergestützte Dimensionierung soll an dieser Stelle die Dimensionierung auf der Grundlage eines wissenschaftlich anerkannten, dynamischen Modells verstanden werden. Als wissenschaftlich anerkannt gelten derzeit das IAWPRC-Activated Sludge Model No. 1 bzw. das IAWQ-Activated Sludge Model No. 2 [20, 21]. Oles [22] wandte das IAWPRC-Modell für die Betriebssimulation von Aufstauanlagen an. Die verwendeten Modellgleichungen für die Beschreibung der biologischen Prozeßabläufe müssen als Differentialgleichungssystem in ein Simulationsprogramm (Software) eingebunden werden. Die Modellgleichungen enthalten Modellparameter zur Beschreibung der kinetischen und stöchiometrischen Größen sowie zur Charakterisierung des Abwasserzulaufs und des belebten Schlammes. Die Größen der Modellparameter sind im Simulationsprogramm vorzuwählen und können entweder der einschlägigen Literatur entnommen werden oder müssen über geeignete Pilot- bzw. Laborversuche ermittelt werden.

4.5.2 Anwendung

Für die rechnergestützte Dimensionierung ergeben sich folgende Anwendungsbereiche: • Ergebniskontrolle der „statischen“ Bemessung nach Kapitel 4.3 Die Ergebnisse der Bemessung nach Kapitel 4.3 können mit Hilfe des Simulationsprogramms nachgeprüft werden.

• Überprüfung der Leistungsfähigkeit einer Aufstaubelebungsanlage Eine vorgegebene Aufstaubelebungsanlage, z. B. in der nach Kapitel 4.3 bemessenen Größe, kann mit Hilfe der rechnergestützten Dimensionierung auf ihre Leistungsfähigkeit bei Variation verschiedener Randbedingungen überprüft werden. Mit Hilfe des Simulationsprogramms lassen sich auf einfache Weise die Zulaufbedingungen, Temperatur, Sauerstoffeintrag, variieren. • Optimierung der Zyklusstrategie Durch Variation der Zyklusdauer, Phasendauer, Phasenanordnung und Zulaufverteilung Copyright GFA, Hennef

39

ATV-DVWK-Regelwerk

kann für eine vorgegebene Anlagengröße die optimale Zyklusstrategie mit Hilfe des Simulationsprogramms eruiert werden.

• Abschätzung des Sauerstoffbedarfs, insbesondere bei schubweiser Beschickung. • Betriebsüberwachung durch dynamische On-line-Simulation.

Wird die Größe der Aufstaubelebungsanlage durch die rechnergestützte dynamische Simulation gegenüber der „statischen“ Bemessung nach Kapitel 4.3 korrigiert, müssen folgende Nachweise geführt werden: • Das der Simulation zugrunde liegende Modell muß eindeutig beschrieben werden. Die darin verwandten Modellvorstellungen müssen einen wissenschaftlich überprüften und anerkannten Status haben. • Die Simulationssoftware muß nachvollziehbar beschrieben werden. Falls keine kommerziell erhältliche Standardsoftware eingesetzt wird, müssen die Programmierungsgrundlagen, wie das verwendete Differentialgleichungssystem, Iterationsverfahren etc. angegeben werden. • Die für die Simulationsrechnung verwendeten Parameterwerte für Kinetik und Stöchiometrie sowie die verfahrenstechnischen Randbedingungen, wie Zulaufgrößencharakterisierung, Schlammfraktionierung, Temperatur, Sauerstoffeintrag etc., sind zahlenmäßig anzugeben. • Die Simulationsergebnisse müssen in tabellarischer oder graphischer Form f ür die maßgebenden Parameter (z. B. Sauerstoffkonzentration, Schlammtrockensubstanz, Stickstoffkomponenten etc.) dargestellt werden. Dabei sind die Ergebnisse sowohl für einen einzelnen Zyklus als auch für eine Langzeitsimulation, d. h. die Entwicklung der Ablaufwerte bei wiederholter Zyklusabfolge anzugeben.

5 Betrieb 5.1 Betriebseinstellungen Im Entwurf wird in aller Regel die maßgebende Zyklusdauer für den maximalen Zufluß festgelegt. Nur wenn sich herausstellt, daß die maximalen Zuflüsse wesentlich höher sind, ist eine Korrektur (Verkürzung) der Zyklusdauer erforderlich. Die Dauern der einzelnen Phasen innerhalb eines Zyklus sind in der Programmsteuerung festgelegt. Es sind im wesentlichen: tD

Denitrifikations- bzw. Mischphase

Copyright GFA, Hennef

40

ATV-DVWK-Regelwerk

tBioP

anaerobe Phase (nur Mischung)

tN

Nitrifikations- bzw. Belüftungsphase (tN = tB)

tSed

Sedimentationsphase

tAb

Klarwasserabzugsphase

tÜS

Dauer des Überschußschlammabzuges oder

VÜS

Volumen an Überschußschlamm pro Zyklus

Änderungen am Zeitprogramm sollten nur auf der Basis einer längeren Beobachtungsdauer mit intensivierter Beprobung vorgenommen werden. Nach jeder Änderung ist die Beprobung mit gleicher Intensität fortzusetzen. Sofortige Erfolge sind häufig nicht zu erwarten. Deshalb sollte mit einem geänderten Programm mindestens eine Woche gearbeitet werden, bis eine erneute Änderung vorgenommen wird. Kommt es nach einer Änderung jedoch zu einer rapiden Verschlechterung, sollte sofort auf das vorherige Programm zurückgegangen werden. Die Dauer der Klarwasserabzugphase (tAb) ist durch die Leistung der Klarwasserabzugseinrichtung fixiert, sie ist je nach Art der Abzugsvorrichtung aber

ggf. veränderbar. Wenn das Absetzverhalten des belebten Schlammes sich verändert, z.B. wegen eines Anstieges des Schlammindex, muß die Sedimentationsdauer (tSed) unter Verkürzung von (tD + tBioP + tN) verlängert werden. Eine nicht hinreichende Sedimentationsdauer ist am Gehalt an absetzbaren Stoffen im Klarwasser gegen Ende der Klarwasserabzugsphase zu erkennen. In kommunalen Anlagen mit gemeinsamer aerober Schlammstabilisierung wird in der Regel die Schlammtrockensubstanz (TSR) vom Betriebspersonal durch Variation des Überschußschlammabzuges (tÜS bzw. VÜS) auf einen vorgegebenen Wert eingestellt. Auf vielen Anlagen ist es wegen der kurzen Dauer des

Überschußschlammabzuges schwierig, die Trockensubstanz des abgezogenen Überschußschlammes (TSÜS) zu bestimmen. Dann ist auch das Schlammalter nicht zu berechnen. Hilfsweise kann zur Kontrolle die Schlammbelastung nach Gl. 12 herangezogen werden. Solange BTS < 0,04 kg/(kg·d) bleibt, ist TSR in Anlagen mit

gemeinsamer Schlammstabilisierung hinreichend hoch genug eingestellt. Zu bedenken ist, daß der Schlamm um so besser stabilisiert wird, je geringer die Copyright GFA, Hennef

41

ATV-DVWK-Regelwerk

Schlammbelastung ist. Auch die zu entsorgende Masse an Schlamm wird verringert.

Dafür wird der Energiebedarf für die Belüftung etwas höher. Eine anerobe Phase (tBioP) schließt sich häufig einer Denitrifikationsphase (tD) an. Die Dauer einer Denitrifikationsphase ist dann richtig eingestellt, wenn die Nitratkonzentration im Becken am Ende der Denitrifikationsphase Null beträgt. Findet man im Klarwasserablauf bei Betrieb ohne Fällmitteldosierung auch noch nur geringe Phosphatkonzentrationen, so ist das ein Zeichen für eine biologische Phosphatelimination. Wiederum im Interesse einer ordnungsgemäßen Schlammstabilisierung sollte das Verhältnis (tBioP + tD)/(tBioP + tD + tN) nicht größer, sondern möglichst deutlich kleiner als 0,5 gewählt werden. In Anlagen mit gemeinsamer Schlammstabilisierung ist das Schlammalter so groß, daß es auch im Winter keine Probleme mit der Nitrifikation geben dürfte. Ammoniumkonzentrationen von durchgehend über 2,0 bis 3,0 mg/l sind daher meist ein Zeichen einer unzureichenden Belüftung. Es können entweder die Nitrifikationsphase(n) zu kurz oder/und die Belüftungsleistung zu schwach sein. Zunächst sollte geprüft werden, ob die zur Regelung verwendete Sauerstoffelektrode noch richtig kalibriert ist. Im zweiten Schritt ist dann ggf. die Nitrifikationsphase (tN) zu verlängern und die Denitrifikationsphase (tD) entsprechend zu verkürzen, d. h. es wird tD /(tN+tD) verkürzt.

5.2 Betriebsüberwachung Die Betriebsüberwachung unterscheidet sich praktisch nicht von der kontinuierlich durchflossener Belebungsanlagen. Dabei ist zu beachten, daß jedes Aufstaubecken eine selbstständige Belebungsanlage darstellt. Da die Schlämme nicht miteinander vermischt werden, können sich in jedem Becken verschiedenartige Biozönosen entwickeln, insbesondere dann, wenn u. U. die Belastungen der Becken oder/und die Schlammtrockensubstanz unterschiedlich sind. Proben zur Bestimmung des Schlammvolumens und der Schlammtrockensubstanz (TSR) sind gegen Ende der Belüftungsphase zu entnehmen. Zur Interpretation der Schlammdaten ist zu bedenken, daß bei Betrieb mit festen Zyklusdauern die Volumina VR beträchtlich schwanken können. Für einen Vergleich kann es daher zweckmäßig sein, im Betriebstagebuch auch das Produkt VR · TSR aufzuschreiben. Die Zu- und Ablaufbeprobung kann wie auf üblichen Belebungsanlagen durchgeführt werden. Ist kein Ausgleichsbecken oder Schönungsteich Copyright GFA, Hennef

42

ATV-DVWK-Regelwerk

nachgeschaltet, muß man sich bewußt sein, daß der Klarwasserabzug in der Regel nur 15 bis 60 Minuten dauert. Bewährt hat sich die Probenahme aus den Ablaufleitungen jedes Beckens per Magnetventilen, welche auch von der Programmsteuerung geschaltet werden. Bei Anlagen mit mehreren Becken erhält man einen besseren Einblick in die Belastungsverhältnisse, wenn man die Zu- und Abläufe der einzelnen Becken korrespondierend beprobt. Falls die Ablaufproben trübe sind, ist zu prüfen, ob gegen Ende der Klarwasserabzugsphase Schlamm mitgerissen wird oder ob eine erhöhte Schwimmschlamm- oder Schaumentwicklung die Ursache ist.

6 Bezeichnungen fA

-

Volumenaustauschverhältnis

hW

m

Wasserspiegelhöhe im Aufstaubecken bei VR

hS

m

Höhe des Schlammspiegels über der Beckensohle (nach Beendigung des Absetzvorganges)

mZ

d-1

Anzahl der Zyklen pro Tag

n

-

Anzahl der Aufstaubelebungsbecken

NH4-NNit

mg/l

Für die Nitrifikation verfügbarer Ammoniumstickstoff

NÜS

mg/l

Im Überschußschamm gebundener Stickstoff bezogen auf Tageszufluß

org. Ne

mg/l

Konzentration des organischen Stickstoffs im Ablauf

Q

m3 h-1

Zulaufvolumenstrom

Qmax

m3 h-1

maximaler Zulaufvolumenstrom (z. B. bei Mischwasserzufluß)

QÜS

m3 d-1

Volumenstrom des Überschußschlammes

tAb

h

Dauer der Klarwasserabzugsphase

Copyright GFA, Hennef

43

ATV-DVWK-Regelwerk

tB

h

Dauer der Belüftungsphase

tBioP

h

Dauer der nichtbelüfteten Phase zur Anreicherung von Bakterien, die zur biologischen Phosphatelimination befähigt sind

tD

h

Dauer der Denitrifikationsphase

tF

h

Dauer der Füllphase

tN

h

Dauer der Nitrifikations- bzw. Belüftungsphase

tR

h

Dauer der Reaktionsphase

tSed

h

Dauer der Sedimentationsphase

tStill

h

Dauer der Stillstandsphase

tÜS

h

Dauer des Überschußschlammabzuges während eines Zyklus

tZ

h

Zyklusdauer

TSR

kg/m3

Schlammtrockensubstanz im Aufstaubecken bezogen auf VR

tTS

d

Schlammalter

tTS,a

d

aerobes Schlammalter

VBB

m3

Volumen eines Belebungsbeckens mit Durchlaufbetrieb

Vmin

m3

Volumen im Aufstaubecken nach Abschluß des Klarwasserabzuges

VR

m3

Maximales Volumen eines Aufstaubeckens

VSp

m3

Volumen eines Vorspeichers

VÜS

m3

Volumen des während eines Zyklus abzuziehenden Schlammes

∆V

m3

Zulaufvolumen, das pro Zyklus in ein Aufstaubecken eingeleitet wird

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∆Vmax

m3

Maximales Zulaufvolumen, das pro Zyklus in ein Aufstaubecken eingeleitet wird

vS

m/h

Sinkgeschwindigkeit des Schlammspiegels

z

-

Zahl der Nitrifikations- bzw. Denitrifikationsphasen

während eines Zyklus

θH

d

mittlere Verweilzeit des Abwassers in einem Aufstaubecken

θx

d

mittlere Verweilzeit des belebten Schlamms in einem Aufstaubecken

Der Index TW zeigt, daß der Wert sich auf Verhältnisse bei Trockenwetter bezieht.

7 Schrifttum [1]

Ingerle, K. (1995): ESB-process, 1-stage biological nitrogen elimination. Poster

präsentiert auf der 7. IAWQ Specialized Conference „Design and Operation of Large Wastewater Treatment Plants“, Wien, 27.08. - 01.09.1995. [2]

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Endnotes 1 (Popup - Popup) Bild 1: Prinzipskizze einer Aufstaubelebungsanlage

2 (Popup - Popup) Bild 2: Beispiel für die Aufeinanderfolge von Prozeßphasen während eines Zyklus

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Bild 3: Fließbild für eine Belebungsanlage mit Aufstaubetrieb vom

Typ:"kontinuierliche Beschickung", dargestellt ist eines von ggf. mehreren Aufstaubecken

4 (Popup - Popup)

Bild 4: Zyklusplan für eine Belebungsanlage mit Aufstaubetrieb vom Typ: "kontinuierliche Beschickung" (Beispiel)

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5 (Popup - Popup) Bild 5: Fließbild für eine Belebungsanlage mit Aufstaubetrieb vom Typ: "schubweise

Beschickung ohne Vorspeicher"; Beispiel: 2 Parallelbecken

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6 (Popup - Popup) Bild 6: Zyklusplan für eine Belebungsanlage mit Aufstaubetrieb vom Typ:

"schubweise Beschickung ohne Vorspeicher"; Beispiel mit 2 Becken

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7 (Popup - Popup) Bild 7: Fließbild für eine Belebungsanlage mit Aufstaubetrieb vom Typ: "schubweise

Beschickung aus einem Vorspreicher"; Beispiel mit 2 Becken

8 (Popup - Popup)

Bild 8: Zyklusplan für eine Belebungsanlage mit Aufstaubetrieb vom Typ: "schubweise Beschickung aus einem Vorspeicher"; Beispiel mit 2 Becken

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9 (Popup - Popup) Bild 9: Betriebsweisen des Aufstau-Belebungsverfahrens, gezeigt anhand von

Füllstandsganglinien

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Bild 10: Ganglinien des Wasserstandes und Höhe des Schlammspiegels während der Sedimentations- und Absetzphase für ein Bemessungsbeispiel

11 (Popup - Popup)

Bild 11: Denitrifikations- und Nitrifikationsphasen bei verschiedenen Beschickungsund Betriebsweisen

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