Technische Entscheidungskriterien für dezentrale oder ...€¦ · DWA WaWiKu O/6 Kassel, 05.11.2014 Technische Entscheidungskriterien für dezentrale oder zentrale Abwasserreinigungsanlagen

DWA WaWiKu O/6Kassel, 05.11.2014

Technische Entscheidungskriterien für dezentrale oder zentrale

Abwasserreinigungsanlagen

DWA WasserWirtschafts‐Kurs O/6„Abwasserentsorgung im ländlichen Raum“

Kassel 5 bis 7 November 2014Kassel, 5. bis 7. November 2014

Franz‐Bernd FrechenObmann des DWA‐Fachausschusses KA‐7 „Membranbelebungsanlagen“

Chair, IWA Specialist Group „Membrane Technology“

Folie 1 Fachgebiet Siedlungswasserwirtschaft (FG SWW)

Leiter: Univ.‐Prof. Dr.‐Ing. F.‐B. Frechenwww.uni‐kassel.de/fb14/siwawiFo

lie 1 Fachgebiet Siedlungswasserwirtschaft (FG SWW)

Leiter: Univ.‐Prof. Dr.‐Ing. F.‐B. Frechenwww.uni‐kassel.de/fb14/siwawi

DWA WaWiKu O/6Kassel, 05.11.2014Inhalt

Einleitung, Problemstellung Modelle der Abwasserentsorgung Entscheidungsfindung / Entscheidungskriterien Ab i i f h Abwasserreinigungsverfahren Verfahrensauswahl Effizienz von Kleinkläranlagen Effizienz von Kleinkläranlagen Finale





DWA WaWiKu O/6Kassel, 05.11.2014Dogma 1

Dezentral = Ländlicher Raum





DWA WaWiKu O/6Kassel, 05.11.2014Dezentrale Lösungen: Situation weltweit

AbwassergrabenBrunnen





DWA WaWiKu O/6Kassel, 05.11.2014Dezentrale Lösungen in den neuen Megacities?

Etwa ab dem Jahr 2007 wohnt die Mehrzahl der Menschen auf der Welt in städtischen Ballungsgebieten






Dezentral = Ländlicher RaumX





DWA WaWiKu O/6Kassel, 05.11.2014Infrastrukturproblem bis ins 20. Jahrhundert





DWA WaWiKu O/6Kassel, 05.11.2014Infrastrukturproblem bis ins 20. Jahrhundert






Hohe Gewässerbelastungen durch dezentrale

Problemstellung

Abwasserentsorgung führten zu zentralen Lösungen Entwicklung einer Vielzahl von Technologien zur dezentralen

AbwasserreinigungAbwasserreinigung Kleinkläranlagen steigend konkurrenzfähiger





DWA WaWiKu O/6Kassel, 05.11.2014Problemstellung

Kleinkläranlagen in Europa Quelle: Dorgeloh, Defrain

2015: > 10 Mio. 1.600.000

1.200.000

1.400.000

1.600.000

800.000

1.000.000

400.000

600.000

200.000






Quelle: Dorgeloh, Defrain u. Hilmer et al 2006

Kleinkläranlagen in Deutschland

HEHH

Hilmer et al. 2006

SLRP BB

BW

MVSH

NRW

NISTBYBW

50 000 100 000 150 000 200 000 250 000 300 000

THSNNI





50.000 100.000 150.000 200.000 250.000 300.000


Gewässerbelastungen in NRW 2004

Entlastete Abwassermengen: 5.885 Mio m³/a

Entlastete TOC‐Frachten:91.850 t/a

Industrielle Kläranlagen 18,5% kommunale 29,3%

12,2%

14,2%g ,

Mischwasser‐entlastung

6 3%

Kläranlagen 49% 20,0%

21,3%3,0%

Regenwasser‐abflüsse 12,5%

6,3%

industrielle KläranlagenMischwasserentlastungRegenwasserabflüsse

Regenwasser‐entlastung

aus Trennsystemen13,3%

Kleinkläranlagen 0,5%

RegenwasserabflüsseRegenwasserentlastung aus TrennsystemenKleinkläranlagenkommunale Kläranlagen





, kommunale KläranlagenQuelle: Dorgeloh, Defrain

DWA WaWiKu O/6Kassel, 05.11.2014Prognose

Prognose für 2015 in NRW

Einleitungen aus KKA 0 2 %0,2 %





Quelle: MUNLV


Gesetzliche Anforderungen, Anhang 1 (AbwV) ‐ Emissionsprinzip

Größenklasse 1(< 60 kg/d BSB5 ≈

< 1 000 EW/EWG*)< 1.000 EW/EWG*)

BSB5 [mg/l] 40CSB [mg/l] 150CSB [mg/l] 150* = BSB5 entspricht 60 g / (Einwohner und Tag)

Ggf. weitergehende Anforderungen für die Nährstoffparameter nach den wasserrechtlichen Belangen und den Erfordernissen des Gewässers Immissionsprinzipdes Gewässers ‐ Immissionsprinzip





DWA WaWiKu O/6Kassel, 05.11.2014Modelle der Abwasserentsorgung

Dezentrale und zentrale Entsorgung sowie MischformenFolie 15 Fachgebiet Siedlungswasserwirtschaft (FG SWW)




DWA WaWiKu O/6Kassel, 05.11.2014Modelle der Abwasserentsorgung

Dezentrale und zentrale Entsorgung sowie MischformenFolie 16 Fachgebiet Siedlungswasserwirtschaft (FG SWW)




DWA WaWiKu O/6Kassel, 05.11.2014Innovationssystemanalyse, EAWAG (2006)

Dezentrale KKADezentrale

Regenwassernutzung

adikaler

UV‐BehandlungMBR aufvorh. KA

men

d ra Komposttoilette

Wasserlose Urinale

SBR aufvorh. KA

Zune

hm

Sauerstoffeintrags‐systeme

Heizen / Kühlen mit Abwassersysteme Abwasser

Pflanzenkläranlage





Zunehmend komplexer Wegelin und Tuffer (2006)

DWA WaWiKu O/6Kassel, 05.11.2014Entscheidungsfindung – KA Größe

Kleinkläranlagen, kleine Kläranlagen oder Zentralkläranlage VariantenvergleichAnschluss an eine öffentliche Kläranlage und Ableitung zu einer zentralen

KläranlageKläranlage Errichtung gemeinsamer KläranlagenBau von Einzelkläranlagen (Hauskläranlagen)

Wichtig: Berücksichtigung zukünftiger Entwicklungen bzw. des örtlichen Entwässerungskonzeptes, z.B.:örtlichen Entwässerungskonzeptes, z.B.:Demographie: bietet dezentrale Lösungen bessere Antworten auf einen

Bevölkerungsschwund? Klimawandel: werden dezentrale Lösungen besser mit den Folgen fertig? Klimawandel: werden dezentrale Lösungen besser mit den Folgen fertig?






Kleine, weit auseinander liegende Orte u. Ortsteile Lockere, offene Bebauung, Einzelgehöfte, Weiler,

Streusiedlungen, Siedlungsdichte bis max. 25 E/ha G i A t il b f ti t Flä h Geringer Anteil an befestigter Flächen Primär landwirtschaftliche Struktur und in der Regel keine

Industrie und nur wenig Gewerbedust e u d u e g Ge e be Oftmals kleine und leistungsschwache, vielfach durch diffuse

Einträge belastete Vorfluter Teilweise extreme Abwassermengen‐ und

Konzentrationsschwankungen (Freizeitnutzung) Mangel an ausgebildetem Klärpersonal Mangel an ausgebildetem Klärpersonal






Kleinkläranlagen (< 50 EW)Wenn eine Abwasserentsorgung mittels öffentlicher Kanalisation

unverhältnismäßig hohe Kosten verursachen würde Einwandfreie Beseitigung des Abwassers g gGesicherte Schlammentsorgung





DWA WaWiKu O/6Kassel, 05.11.2014Entscheidungskriterien (1)

Allgemeine Entscheidungskriterien

Entscheidungskriterien

Belange des Gewässer- und Grundwasserschutzes (Gewässerzustand, weitergehende Schutzanforderungen,

Ordnungspolitische Bedingungen

(Gesetze, Richtlinien, Normen)

Planungsbezogene Aspekte (Betrachtungsraum, Politik,

Trends)

( g gHöhe des Grundwasserleiters)

Genehmigungsrecht(Wasserbehörden)

Wirtschaftliche Aspekte (Kosten, Gebühren)

Beteiligte Akteure

Technische Aspekte (Betriebssicherheit, -aufwand, Schlammbehandlung und -beseitigung)





(Bürger, Betreiber, Kommunen)

DWA WaWiKu O/6Kassel, 05.11.2014Entscheidungskriterien (2) – Technische Aspekte

BetriebssicherheitReinigungsleistung – im L.R. oft schwächere VorfluterStossbelastungen – im L.R. oft erheblich größerProzessstabilitätProzessstabilitätStörungsanfälligkeitRobustheitFlexibilitätFlexibilität

BedienungsaufwandEinfache Bedienunggeringer ZeitaufwandWartungsaufwand





DWA WaWiKu O/6Kassel, 05.11.2014Entscheidungskriterien (3) – Technische Aspekte

SchlammbehandlungSchlammanfallSchlamminhaltsstoffeEntsorgungssicherheitEntsorgungssicherheitHäufigkeit der Schlammentsorgung





DWA WaWiKu O/6Kassel, 05.11.2014Abwasserreinigungsverfahren

Vorklärung

Mehrkammer-

Mehrkammer-

mechanische Behandlung

mechanisch/ biologische Behandlung

absetzgruben, Absetzteiche

ausfaulgruben

Biologische Reinigung

Belebungsanlagen m. aerober Stabilisierung T fkö l

belüftet unbelüftet

Tropfkörperanlagen

Tauchkörperanlagen Rotationskörper Festkörper Schwebekörper

SBR-Anlagen Membrananlagen Kombinationsanlagen

Filtergraben Filterschacht

g

Sonstige Verfahren: Abwasserteichanlagen Pflanzenbeete

Versickerung





G e w ä s s e r

g

Grundwasser


Vorklärung

mechanische Behandlung

mechanisch/ biologische Behandlung

Mehrkammer-absetzgruben, Absetzteiche

Mehrkammer-ausfaulgruben






Biologische Reinigung Biologische Reinigung

belüftet unbelüftet

Belebungsanlagen m. aerober Stabilisierung

Tropfkörperanlagen Tauchkörperanlagen

Filtergraben Tauchkörperanlagen

Rotationskörper Festkörper Schwebekörper

SBR-Anlagen Membrananlagen

Filtergraben Filterschacht

g Kombinationsanlagen

Sonstige Verfahren: Abwasserteichanlagen Pflanzenbeete

G e w ä s s e r

Versickerung

G d





G e w ä s s e r Grundwasser


Lösungsmöglichkeiten, Dezentral ‐ Zentral

Sammeleinrichtung

Grube/Tank ohne AbflussGüllegrube

Naturnahe VerfahrenAb i hGüllegrube

AbwasserteichBodenfilterPflanzenkläranlageARA

Pflanzen-klä l

Rohabwasser

kläranlage

T h i h V f h

Mechanische Vorbehandlung

Rechen und SiebZerkleinererAbsetzgrubeRotteverfahren Schlammabfuhr

Vorfluter

Technische Verfahren

Tropfkörperverfahren:Tauchtropfkörper/ RotationstropfkörperFestbettverfahrenBelebtschlammverfahrenEinbeckenanlage SBR

Rotteverfahren

Tropfkörper

Schlammabfuhr





Einbeckenanlage, SBR

Quelle: VSA


Weitergehende Reinigung Einhaltung besonders niedriger BSB5, CSB u. NH4‐N‐AblaufkonzentrationenVergleichmäßigung des AblaufsRückhaltung von SchwebstoffenRückhaltung von SchwebstoffenWeitgehende Stickstoff‐ und PhosphorentfernungReduzierung der Keimzahl

z B durch z.B. durch Konventionelle Stufe mit nachgeschaltetem bepflanzten BodenfilterMembranbelebungsverfahren (Membranbioreaktor – MBR)






PflanzenkläranlageFolie 29 Fachgebiet Siedlungswasserwirtschaft (FG SWW)




Quelle: Wett, 2005


PflanzenkläranlageFolie 30 Fachgebiet Siedlungswasserwirtschaft (FG SWW)




www.dezentrales‐abwasser.de


SBR‐VerfahrenFolie 31 Fachgebiet Siedlungswasserwirtschaft (FG SWW)




Quelle: Mutec‐Markgraf, 2005


SBR‐VerfahrenFolie 32 Fachgebiet Siedlungswasserwirtschaft (FG SWW)





CWSBR‐Verfahren

Abwasserreinigungsverfahren

1 Vorlagezone1 2 3Reaktorbefüllung

g2 SBR‐Zone3 Ablaufzone

bH, M

ölln

Durchmischung

falltechn

ik m

Befüllung

Absetzen4 4 Klarwasser

5 Sedimentierter

asser‐un

d Ab

f

Quelle: Wett, 2005

(Phasenseparation)

Klarwasserabzug(Dekantieren)

5Belebtschlamm

haft fü

r Abw

a

(Dekantieren)

Ende der Dekantierphase el

le: G

esellsc

h





Que


FestbettverfahrenFolie 35 Fachgebiet Siedlungswasserwirtschaft (FG SWW)




BDZ, Leipzig












Membrantechnik ‐ Basics

Membran





Membran

DWA WaWiKu O/6Kassel, 05.11.2014Übersicht Membranen

Bacteria

I CryptosporidiaC ll id E‐coli

Virusses

Ions Cryptosporidia

molecular weight [kDa] 0.3 50 500 2.000

Pesticides

Colloids

Solid matter (DIN filtration 0.45 µm)

E coli

100200

reverse conv. filter material, membrane filtration

sure [b

ar]

10

ultra‐

nano‐filtration

osmosis sieve, screen

press

1 microfiltration

ultra‐filtration

particle size [µm]0,0001 0,001 0,01 0,1 1 10

0,1100





p [µ ]


MBR mit getauchter Membranfiltration

Membran‐Bio‐Reaktor (MBR)

Zulauf Rezirkulation

Belebungsbecken

Filtrationseinheiten

integriertes MBR‐SystemPermeat

Crossflow‐BelüftungÜ

VBB

gsve

rfahr

en“

Belebungsbecken Membranbecken

Überschuss‐schlamm

mbr

anbe

lebu

ng

Zulauf Rezirkulation

Permeat

Belebungsbecken Membranbecken

WA

-M 2

27„M

em

FiltrationseinheitenPermeat

Crossflow‐Belüftung

separates MBR‐System

VMB

VBB

Mer

kbla

tt D

W





RücklaufschlammÜberschuss‐schlamm A

us


MembranbelebungsverfahrenMBR – Dezentrale Lösung


















Membrantechnik = Kompliziert, technischaufwendig






Membrantechnik = Kompliziert, technischaufwendig

X

Es geht auch einfach!Es geht auch einfach!





DWA WaWiKu O/6Kassel, 05.11.2014Ertüchtigung Teichkläranlage mit Membran

Beispiel: Kläranlage Ihnp gFolie 46 Fachgebiet Siedlungswasserwirtschaft (FG SWW)




Quelle: Hasselbach, EVS 2007


wwtp St. Peter ob Judenburg/A ‐ 1,500 p.e. (com. 2002)

Ertüchtigung Teichkläranlage mit Membran

p g/ , p ( )

sedscreenpumping

Qdwf/Qmax 9 / 15 [m³/h]V 950 m³ V 96 m³

aerated pond sed.zone

MBRscreen 5 mm

pumpingstation

945 m²HF mem

BCOD 180BBOD 90

rainwaterstorage pond

sludgetank

BN 16 [kg/d]








p g/ , p ( )Folie 48 Fachgebiet Siedlungswasserwirtschaft (FG SWW)







p g/ , p ( )Folie 49 Fachgebiet Siedlungswasserwirtschaft (FG SWW)




DWA WaWiKu O/6Kassel, 05.11.2014Verfahrensauswahl

PflanzenkläranlagenVorteil: Die Anlagen weisen ein großes hydraulisches Pufferungsvermögen

auf. Es besteht ein geringer Wartungs‐ und Bedienungsaufwand. Die Anlagen erreichen stabile Ablaufwerteg

Nachteil: Pflanzenkläranlagen haben einen relativ hohen Flächenbedarf. Für die Behandlung von einseitig, hochbelastetem Abwasser und gewerblichem Abwasser sind sie nur bedingt einsetzbar. Im Winterbetrieb g gkann es zu Problemen bei den Verteileinrichtungen führen.

Betriebssicherheit Bedienungsaufwand Schlammentsorgung

hydraulisch: mittelh ß gering erforderlich (VK!)





Schmutzstoß: gut gering erforderlich (VK!)


TropfkörperanlagenVorteil: Tropfkörper weisen auch bei hydraulischen Stoßbelastungen keine

Gefährdung durch Ausschwemmen von Biomasse auf. Geringe Energiekosten, da in der Regel kein Gebläse für die Sauerstoffversorgung g , g g gnotwendig ist.

Nachteil: Es kann sowohl zu Verstopfungen der Verteileinrichtung als auch des Füllmaterials kommen. In den Verfahrensablauf kann nicht eingegriffen werden. Im Winterbetrieb kann es zu einer schwankenden Reinigungsleistung kommen.


hydraulisch: mittelh ß mittel erforderlich (VK!)





Schmutzstoß: gut mittel erforderlich (VK!)


Belebungsanlagen mit BelüftungseinrichtungVorteil: Bei gleichmäßiger Beschickung sind die Mindestanforderungen

einhaltbar. Neben Kohlenstoff‐ ist ein Nährstoffabbau möglich. Die Verfahrensstufen sind einzeln kontrollier‐ und steuerbar.

Nachteil: Die Anlagen sind sehr empfindlich gegen hydraulische Stoßbelastungen (Ausspülung der Biomasse). Bei Mischwasserzufluss ist ein vorgeschaltetes Regenbecken erforderlich. Der Energiebedarf für die g g gBelüftung wirkt sich deutlich in den Betriebskosten aus.


hydraulisch: mittelh ß hoch erforderlich





Schmutzstoß: gut hoch erforderlich


Membranbelebungsverfahren (MBR)Vorteil: Die Anlagen sind äußerst betriebssicher und bieten neben

Kohlenstoff‐ und Nährstoffabbau eine weitestgehende Entkeimung des Abwassers (Stichwort „Reuse“). MBR‐Anlagen haben einen geringen ( „ ) g g gPlatzbedarf. Geeignet für Ertüchtigung bestehender Anlagen.

Nachteil: Hohe Investitionskosten. Höherer Energiebedarf für die Cross‐flow‐Belüftung. Es ist eine sorgfältige Vorreinigung erforderlich. Bei g g g g ggeringem Beckenvolumen ist das Verfahren gegen Stoßbelastungen anfällig.


hydraulisch: guth ß l Hoch ? Nicht unbedingt ! erforderlich





Schmutzstoß: mittel Hoch ? Nicht unbedingt ! erforderlich

DWA WaWiKu O/6Kassel, 05.11.2014Verfahrensauswahl ‐ Vergleich

Einzelhaus – Häusergruppe Schwallartige Abwassermengen und –frachtenBegrenzte Platzverhältnisse

Geeignet scheinen Systeme wie Geeignet scheinen Systeme wie Tropf‐ und Tauchkörper SBR‐AnlagenB fl B d fil (b d i b i S ßb l )Bepflanzte Bodenfilter (besonders geeignet bei Stoßbelastungen)Membranbelebungsanlagen





DWA WaWiKu O/6Kassel, 05.11.2014Verfahrensauswahl ‐ Vergleich

Saisonbetrieb: Ferienhaus und FeriensiedlungDiskontinuierlicher Abwasseranfall, der beträchtlich hoch sein kannAnzahl und Dauer der Ferienbesuche

Besonders geeignet scheinen hier Besonders geeignet scheinen hierBepflanzte Bodenfilter, die jedoch in den Zeiten mit geringem bzw. keinem

Abwasseranfall nicht austrocknen dürfen. (kritisch: Wartungsbereitschaft im Urlaub)im Urlaub)

Membranbelebungsanlagen





DWA WaWiKu O/6Kassel, 05.11.2014Effizienz von Kleinkläranlagen

EinflussfaktorenAbwasserinhaltsstoffe (Schadstoffe für die Biologie) Konstruktiver Aufbau, VerfahrenstechnikVorhandensein störanfälliger AnlagenteileVorhandensein störanfälliger AnlagenteileOrdnungsgemäße WartungRegelmäßige Eigenüberwachung





DWA WaWiKu O/6Kassel, 05.11.2014Effizienz von Kleinkläranlagen

Einhaltung der Ablaufwerte 150 mg CSB/l; 40 mg BSB5/l (< 8 5EW)





Quelle: Straub, 2005

DWA WaWiKu O/6Kassel, 05.11.2014Regenwasserbewirtschaftung





aus König 2010

DWA WaWiKu O/6Kassel, 05.11.2014Zusammenfassung

Kosteneinsparungen bei dezentralen Verfahren steht oft eine reduzierte Leistungsfähigkeit gegenüber.

Einsatz von „high‐tech“‐Verfahren? Durch entsprechende Bemessung können auch solche Verfahren eine Alternative fürBemessung können auch solche Verfahren eine Alternative für dezentrale Abwasserentsorgung darstellen.

Die Reinigungsleistung dezentraler Lösungen können zudem g g g gdurch Überwachung und Steuerung erheblich verbessert werden.

Lö fi d d A hl d ök l i h (G ä üt ) Lösungsfindung und Auswahl der ökologisch (Gewässergüte) und ökonomisch vorteilhaftesten Variante – eine typische kreative Ingenieuraufgabe.g g





DWA WaWiKu O/6Kassel, 05.11.2014Diese Folien sind herunterladbar von:

www.uni‐kassel.de\fb14\siwawi Portablewww.uni kassel.de\fb14\siwawi PortableAquaUnit forL ifesaving

Si h hwwwwasserrucksack de

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Siehe auch www.wasserrucksack.de

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