Rioolwaterzuiveringsinstallatie

Rioolwaterzuiveringsinstallatie Kiel-Bülk met 380.000 inwonerequivalenten (PE)

Een rioolwaterzuiveringsinstallatie , ook wel afvalwaterzuiveringsinstallatie genoemd , in Zwitserland en Oostenrijk ook wel afvalwaterzuiveringsinstallatie (ARA) genoemd, is een technische installatie voor de zuivering van afvalwater . Mechanische (ook wel fysische), biologische en chemische processen worden gebruikt om de watervervuilende componenten van het afvalwater te zuiveren. Aangezien dit soort processen na elkaar in verschillende zuiveringsstadia worden toegepast, worden moderne conventionele rioolwaterzuiveringsinstallaties gewoonlijk "drietraps" genoemd. Intussen worden ook rioolwaterzuiveringsinstallaties uitgerust met een vierde zuiveringstrap ^[1] , waarbij microverontreinigingen (o.a. medicijnresten , microplastics ) via verschillende processen ( o.a. ozonisatie , actiefkoolfiltratie ) uit het afvalwater worden verwijderd. In Frankfurt-Niederrad werd in 1882 de eerste rioolwaterzuiveringsinstallatie op het Europese vasteland in gebruik genomen.

Vanaf 2018 werd wereldwijd ongeveer 1000 kubieke kilometer afvalwater gegenereerd. Ongeveer 70% hiervan wordt gereinigd door rioolwaterzuiveringsinstallaties in de geïndustrialiseerde landen, maar slechts ongeveer 8% in minder ontwikkelde landen. ^[2]

Stroomschema

• 

  Stroomschema van een rioolwaterzuiveringsinstallatie met voorbehandeling en slibvergisting

• 

  Stroomschema van een rioolwaterzuiveringsinstallatie zonder voorbehandeling en slibvergisting

Plantendelen

Synthesefabriek Schwarzheide (1990)

Rioolwaterzuiveringsinstallatie in Emden

Rioolwaterzuiveringsinstallatie Heidelberg-Grenzhof

Secundaire bezinker in ARE Merchtem, België

Intake

Het afvalwater dat door het riool wordt opgevangen en tijdens de rioolwaterafvoer naar de rioolwaterzuiveringsinstallatie wordt getransporteerd, komt terecht bij de inlaat van de rioolwaterzuiveringsinstallatie, waar meestal een apparaat is voor het meten van het inlaatvolume en een pompstation voor het oppompen van het afvalwater .

Regen reliëf

Indien regenwater en afvalwater in een riool ( gemengd systeem ) naar de rioolwaterzuiveringsinstallatie worden gevoerd, moet het rioleringsnet meestal worden aangevuld met een regenafvoersysteem . Dit reliëfsysteem kan bestaan ​​uit de volgende technische constructies (afzonderlijk of in combinatie):

• Regen overloop
• Regen overloop bekken
• Regenwateropvangbassin

Dergelijke constructies kunnen zowel in het rioolstelsel als in de rioolwaterzuiveringsinstallatie worden aangebracht. Het doel van het regenontlastingssysteem is het realiseren van een economische dimensionering van de rioolwaterzuiveringsinstallaties, doordat deze slechts een hydraulische belasting hoeven te verwerken tot een bepaald regengebeurtenis . Als dergelijke voorzieningen niet aanwezig zijn, moeten de afzonderlijke constructies van de RWZI vervolgens groter worden en de technische apparatuur, zoals pompen , een grotere capaciteit hebben .

Aan de andere kant is er het scheidingssysteem . Hier wordt het afvalwater in een speciaal aangelegde leiding naar de rioolwaterzuiveringsinstallatie gevoerd. In dit geval is alleen de aansluiting van afvalwaterhuisaansluitleidingen toegestaan. Het hemelwater dat op verharde oppervlakken (straten, paden, daken) terechtkomt, kan via een apart kanaal direct naar het oppervlaktewater worden afgevoerd , eventueel na reiniging in een hemelwaterzuiveringsbassin , of kan via verschillende infiltratiesystemen in het grondwater worden gebracht.

Mechanische voorreiniging

Hark

In het harksysteem wordt het afvalwater door een hark of zeef geleid. Grof vuil zoals maandhygiëne artikelen, condooms , stenen, maar ook takken, twijgen, bladeren en dode dieren komen vast te zitten in de hark. Deze grove materialen zouden de pompen van de rioolwaterzuiveringsinstallatie verstoppen of zelfs beschadigen en ook de efficiëntie van de biologische zuiveringsfase verslechteren. Er wordt onderscheid gemaakt tussen fijne en fijne zeefjes met enkele millimeters en grove zeefjes met een spleetbreedte van enkele centimeters. De zeefsels worden in de zeefpers gegooid, waar ze machinaal worden gewassen en ontwaterd (gewichtsbesparing). Daarna wordt het meestal verbrand (zelden: gecomposteerd).

Zandvanger

Een zandvanger is een bezinkbassin met als taak het verwijderen van grove, bezinkende verontreinigingen uit het afvalwater , zoals zand , steentjes of glassplinters . Deze stoffen zouden leiden tot bedrijfsstoringen in de installatie (slijtage, verstopping, afzettingen). Zoals een ontwerp is

• een lange zandvanger,
• een geventileerde lange zandvanger, waarin tegelijkertijd vetten en oliën aan het oppervlak worden gescheiden,
• een ronde zandvanger of
• een diepe zandvang mogelijk.

Door de ventilatie van de zandvanger (net boven de bodem van het bassin geplaatst) ontstaat als nevenstroom een ​​rollenstroom, waardoor deze onafhankelijk is van stromingsschommelingen. De turbulentie van deze secundaire stroom houdt organische deeltjes in suspensie, terwijl zwaardere deeltjes op een sedimentatiespoor rechtstreeks in de zandvanggoot worden gedragen. Bij diepe zandvangputten stroomt het afvalwater van bovenaf het bassin in en heeft door de diepte een relatief lange verblijftijd, waardoor het zwaardere zand op de bassinbodem bezinkt (zandtrechter). In moderne systemen worden de zandvangers gewassen nadat ze uit de zandvanger zijn verwijderd, d.w.z. grotendeels ontdaan van begeleidende organische stoffen om een ​​betere afwatering en latere bruikbaarheid (bijvoorbeeld in de wegenbouw) mogelijk te maken.

Primair bezinksel

Een primaire klaringstank is ook een bezinktank, dwz het debiet van het afvalwater wordt verminderd door aangepaste geometrische afmetingen zodanig dat een deel van de onopgeloste organische stoffen ( feces , papier ) kan bezinken (bezinkbare stoffen). Het resulterende primaire slib moet vervolgens naar een verdere behandeling, zoals een vergistingstoren , worden gestuurd.

Primaire bezinkers worden voornamelijk gebruikt in rioolwaterzuiveringsinstallaties waar het overtollige slib anaëroob wordt gestabiliseerd.

In moderne systemen met stikstofverwijdering kan dit systeemdeel weggelaten worden of is het klein, aangezien de organische stoffen in het afvalwater werken als reductiemiddel voor stikstofverwijdering door middel van denitrificatie (reductie van nitraat (NO ₃ ^- ) tot stikstof (N ₂ )) in het anoxische deel of in de anoxische fase is het biologische stadium vereist.

Biologisch niveau

De onzuiverheden die na mechanische voorbehandeling in het afvalwater achterblijven, worden biologisch afgebroken met behulp van micro-organismen (voornamelijk bacteriën , schimmels en protozoa ). In het algemeen vindt deze afbraak plaats onder aërobe omstandigheden (dus onder toevoeging van zuurstof ). Zelden worden reactoren gebruikt waarin anaërobe omstandigheden heersen (zogenaamde UASB-reactoren (Upflow anaerobe slibdeken )) en waarin methaan als bijproduct wordt geproduceerd. Meestal bestaat het biologische stadium echter uit (een of meer) beluchtingstanks en (een of meer) secundaire bezinkers. Het SBR-proces combineert activering en secundaire klaring in één bassin. Andere bijzondere vormen, die met name als kleine rioolwaterzuiveringsinstallaties worden toegepast, zijn het druppelfilterproces , het dompelfilterproces , het vastbedreactorproces en het MBR-proces .

Beluchtingstank

De meeste gemeentelijke rioolwaterzuiveringsinstallaties in Centraal-Europa werken met het actiefslibproces. Op deze manier wordt in zogenaamde actief-slibbassins het met actief-slib verontreinigde afvalwater (massa's vlokkige geaggregeerde bacteriën) biotisch en oxidatief afgebroken. Aerobe (zuurstofverbruikende) bacteriën en andere micro-organismen (bijv. gist) breken koolstofverbindingen grotendeels af tot koolstofdioxide en zetten deze om in biomassa , en de stikstof uit de organische verbindingen wordt eerst als ammoniak afgesplitst door andere bacteriën en vervolgens geoxideerd met zuurstof tot nitraten vormen ( nitrificatie ). Het actiefslibproces wordt meestal met een continue stroom bedreven, dat wil zeggen dat afvalwater continu in de actiefslibtank stroomt en water met actief slib continu in dezelfde mate wegstroomt. Door het toevoegen van precipitanten kan de voedingsstof fosfor ook worden verwijderd door middel van chemische reacties , eventueel door gelijktijdige precipitatie . Dit verbetert ook de bezinkingseigenschappen van het actief slib in de nabezinker .

Er zijn verschillende technische varianten van het actiefslibproces, met name upstream, downstream en simultane denitrificatie. Hier vinden nitrificatie en denitrificatie plaats in dezelfde of in aparte tanks, hier in een andere opstelling dan elkaar.

Een bijzondere vorm is het SBR- proces (SBR = Sequencing Batch Reactor), dat biologische reiniging en de daaropvolgende klaring in één tank combineert. Het afvalwater stroomt niet continu, maar slechts in beperkte hoeveelheden, dat vervolgens wordt gereinigd met behulp van het actiefslibproces (nitrificatie en denitrificatie). De bezinkingsfase (d.w.z. de uiteindelijke zuivering) vindt dan plaats in hetzelfde bassin. Het resulterende overtollige slib wordt dan ofwel tijdgecontroleerd afgezogen of afhankelijk van het verhoogde slibniveau (passende meettechniek vereist). Hiermee wordt een cyclus beëindigd en wordt de volgende partij afvalwater geïnitieerd en gereinigd. Het SBR-proces vereist minimaal twee tanks, ofwel een tweede beluchtingstank of een vooropslagtank (buffertank) waarin de hoeveelheid afvalwater die tijdens het reinigingsproces binnenstroomt al is voorgereinigd of in ieder geval tijdelijk is opgeslagen. In de regel is het ook voordelig om een ​​derde bassin te bouwen waarin het overtollige slib en eventueel eerder afgescheiden primair slib worden opgeslagen. Dit slib wordt vervolgens toegevoerd aan grotere rioolwaterzuiveringsinstallaties, die zijn uitgerust met een uitgebreidere slibbehandeling.

Secundair bezinksel

De nabezinker vormt een proceseenheid met de actief-slibtank. Daarin wordt het actief slib door bezinking gescheiden van het afvalwater. Het grootste deel van het slib wordt teruggevoerd naar de beluchtingstank (retourslib) om de concentratie micro-organismen in de beluchtingstank voldoende hoog te houden. Anders zou de afbraaksnelheid te laag zijn. Het overschot (toename biomassa, overtollig slib) wordt samen met het primaire slib uit de voorbezinker afgevoerd voor verdere behandeling in de voorverdikkingsinrichting.

Het actief slib moet goede bezinkingseigenschappen hebben. Als dit niet het geval is, bijvoorbeeld door de massale groei van draadachtige micro-organismen, wat leidt tot de vorming van volumineus slib, kan het actief slib van de secundaire bezinker in het ontvangende water drijven. Dit heeft niet alleen gevolgen voor het water. Omdat er dan onvoldoende slib in de actiefslibtank / nabezinkinstallatie kan worden gehouden, neemt de slibleeftijd (de gemiddelde tijd dat de biomassa in het systeem blijft) en daarmee de reinigingsprestatie af. Allereerst worden de langzaam groeiende bacteriën (bijvoorbeeld de nitrificerende bacteriën, die ammoniak oxideren tot nitraat) aangetast. Vooral afvalwater met goed afbreekbare organische stoffen (bijvoorbeeld uit de voedingsmiddelenindustrie) heeft de neiging om grof slib te vormen. Het stroomopwaarts aansluiten van kleine, niet of slecht beluchte bassins voor het beluchtingsbassin (selectors) kan de vorming van ophopend slib voorkomen.

De trechtervormige Dortmunder fontein is een bijzondere vorm van de secundaire bezinker.

Vast bed proces

Het vastbedproces is een andere bijzondere vorm van het actiefslibproces, dat vooral wordt toegepast bij kleine aansluitmaten (zie ook kleine rioolwaterzuiveringsinstallatie ). Verschillende gevormde vaste stoffen dienen als basis voor de groei van micro-organismen die de verontreinigende stoffen afbreken. Deze vaste stoffen worden afwisselend ondergedompeld in afvalwater en lucht of met regelmatige tussenpozen gevuld met afvalwater, zodat de micro-organismen in contact komen met zowel de verontreinigende stoffen als met de zuurstof die nodig is voor hun oxidatieve afbraak. ^[3]

Slibbehandeling

Het overtollige zuiveringsslib dat vrijkomt tijdens het afvalwaterzuiveringsproces wordt vervolgens behandeld. Deze behandeling vindt plaats in twee stappen

• Stabilisatie en
• Hoeveelheidsvermindering.

Stabilisatie betekent hier de verregaande afbraak van de organische stof in het zuiveringsslib ( mineralisatie ) en vindt aëroob plaats in het activeringsproces op kleine rioolwaterzuiveringsinstallaties en anaëroob in vergistingstorens op grote rioolwaterzuiveringsinstallaties. De stabilisatie houdt dus al een zekere vermindering van de hoeveelheid zuiveringsslib in. Het doel van stabilisatie is ervoor te zorgen dat daaropvolgende biologische of chemische omzettingsprocessen slechts in beperkte mate of zeer langzaam plaatsvinden, zodat zuiveringsslib kan worden hergebruikt.

De daadwerkelijke hoeveelheidsreductie wordt echter bereikt door het scheiden van water uit het zuiveringsslib. De gebruikelijke methoden zijn hier slibindikking of ontwatering met geschikte machines. De efficiëntie van slibontwatering neemt in het algemeen toe met toenemende mate van stabilisatie.

Slibbehandeling in de rioolwaterzuiveringsinstallatie van Birsfelden.

Aerobe slibstabilisatie

Het procesprincipe van aërobe slibstabilisatie is gebaseerd op het feit dat de micro-organismen in het zuiveringsslib worden blootgesteld aan een constante "hongertoestand" in aanwezigheid van zuurstof , waardoor ze bijna alle beschikbare reserve, opslag en andere bruikbare stoffen als voedsel. Het slib wordt zo op aerobe wijze gestabiliseerd, dat er bij de daaropvolgende afvoer geen verdere afbraakprocessen plaatsvinden en dus ook geen onaangename geuren. Deze voorwaarde wordt bereikt door een hoge ouderdom van het slib, dat wil zeggen een voldoende hoge TS-concentratie in het actief slib.

Het grootste voordeel van dit proces ligt in de eenvoudige constructie en procestechniek. Dit komt doordat biologische afvalwaterzuivering en slibstabilisatie tegelijkertijd (tegelijkertijd) in de beluchtingstank plaatsvinden. Nadeel is het relatief hoge energieverbruik dat ontstaat door de ventilatie die voor dit proces nodig is.

Anaërobe slibstabilisatie

Dit artikel of de volgende paragraaf is niet voldoende voorzien van ondersteunende documenten ( bijv. individuele bewijsstukken ). Informatie zonder voldoende bewijs kan binnenkort worden verwijderd. Help Wikipedia alstublieft door de informatie te onderzoeken en goede ondersteunende documenten op te nemen.

Vergistingstoren in Oberzell

Vanaf een aansluitgrootte van 30.000 inwonerequivalenten wordt anaërobe slibstabilisatie veelal toegepast in rioolwaterzuiveringsinstallaties. Dit wordt ook wel slibvergisting genoemd en vereist een vergistingstoren. In de regel zijn anaëroob stabiliserende rioolwaterzuiveringsinstallaties ook uitgerust met een voorbehandeling. De primaire slib gescheiden wordt afgebroken samen met de overmaat slib uit de activering onder zuurstofarme omstandigheden door anaërobe bacteriële stammen en methanogene Archaea in uitgegist slib en brandbare vergister gas . Het mengsel van primair en overtollig slib dat in de vergisting terechtkomt, wordt ruw slib genoemd.

Er zijn vier afbraakfasen in de vergistingstoren: hydrolysefase , verzuringsfase, acetogene fase en methanogene fase.

In de praktijk wordt de 70 procent organische droge stof in het ruwe slib tijdens de slibgisting teruggebracht tot ongeveer 50 procent. Theoretisch zou de afbraak verder gaan, maar het zou veel langzamer gaan omdat de resterende organische stof moeilijk af te breken is. In technische zin wordt het slib als zeer goed vergist en stabiel beschouwd met een gloeiverlies van ongeveer 50 procent. Het wordt dan vergist slib genoemd.

Ontsluitingsgas ontstaat als ontledingsproduct. Het is een gasmengsel dat ruwweg als volgt is samengesteld:

• Methaan : 60 tot 70 procent
• Kooldioxide : 26 tot 36 procent
• kleine hoeveelheden waterstof en waterstofsulfide .

Dit proces komt overeen met de opwekking van biogas in een biogasinstallatie . Conventionele vergisters zijn meestal eivormig (zie afbeelding). Op basis van biogasinstallaties zijn er nu steeds eenvoudiger en dus minder kostenintensieve ontwerpen.

Het vergistergas wordt in gezuiverde vorm (bijvoorbeeld na verwijdering van waterstofsulfide ) gebruikt in gasmotoren of in blokvormige thermische centrales om in onze eigen behoefte aan elektriciteit en warmte te voorzien. Er worden nu ook microgasturbines gebruikt om het vergistergas te benutten. Als deze eenheden uitvallen, wordt het gas afgefakkeld .

Slibindikking

Het vergiste slib of overtollig slib wordt vervolgens ingedikt (zie schema hierboven). Dit kan met verschillende technische processen. Vaak is er sprake van een statische slibindikker, dit is een structuur waarin de slibvlokken kunnen bezinken. Hierdoor kunnen gewoonlijk TS-concentraties tot 4% worden bereikt. Daarnaast zijn er technische systemen, b.v. B. trommelverdikkers, die vlokmiddelen en energie gebruiken om een ​​snellere scheiding en tegelijkertijd hogere drogestofconcentraties (tot 8%). Het overtollige water van het indikkingsproces wordt troebel water genoemd en wordt teruggevoerd naar de rioolwaterzuiveringsinstallatie.

Slib ontwatering

Bij de slibontwatering vindt een verdere afname van de hoeveelheid plaats. Hiervoor moet een nog hogere technische en energetische inspanning worden geleverd. Daarnaast neemt het noodzakelijke gebruik van chemicaliën (vlokmiddelen, in sommige gevallen ook kalk) toe. Voor het ontwateren van het zuiveringsslib worden meestal filterpersen of decanteercentrifuges gebruikt. Rioolslibvergisting wordt ook gebruikt voor ontwatering, maar gebruikt in wezen natuurlijke principes ( bezinking , filtratie , verdamping ) zonder het gebruik van chemicaliën.

volgorde

Na de secundaire klaring stroomt het gezuiverde water via de rioolwaterzuiveringsinstallatie naar het ontvangende water . Hiervoor hebben veel rioolwaterzuiveringsinstallaties ook een ontwateringsgemaal nodig als ontwatering op een vrij talud niet mogelijk is.

Slibrecycling

Sinds 2005 mag zuiveringsslib in Duitsland niet meer op stortplaatsen worden opgeslagen omdat het een gloeiverlies heeft van meer dan 5%.

Daarom wordt het zuiveringsslib voornamelijk gerecycleerd :

thermisch

Voor thermische recycling worden monoverbrandingsinstallaties of afvalverbrandingsinstallaties voorzien, maar er worden ook kolencentrales en cementfabrieken ingezet. Het zuiveringsslib van rioolwaterzuiveringsinstallaties met een aansluitgrootte van 50.000 inwonerequivalenten of meer moet worden behandeld in mono- verbrandingsinstallaties conform de Rioolslibverordening , zodat de op deze manier in de as geconcentreerde fosfaten op een dag kunnen worden teruggevoerd naar de cyclus . Hiervoor bestaat momenteel geen grootschalig proces dat economisch te exploiteren is.

agrarisch

Naast de Verordening zuiveringsslib valt recycling in de landbouw ook onder de Meststoffenverordening en de Meststoffenverordening .

Ook al valt de wettelijk conforme slibrecycling nog onder de verantwoordelijkheid van de exploitant van de rioolwaterzuiveringsinstallatie, de technische uitvoering ervan vindt meestal niet plaats in de zuiveringsinstallatie zelf. Zo zijn er slechts enkele RWZI's die een eigen monoverbrandingsinstallatie voor zuiveringsslib exploiteren.

Reinigingsprocessen

1e etappe

Mechanische processen vormen meestal de eerste reinigingsfase. Hier wordt ongeveer 20 tot 30 procent van de vaste (onopgeloste) zwevende en zwevende stof verwijderd. Bij de meer uitgebreide afvalwaterzuivering en industrieel waterbeheer wordt onder meer gebruik gemaakt van adsorptie , filtratie en strippen .

2e etappe

Biologische processen worden gebruikt in de tweede behandelingsfase van gemeentelijke afvalwaterzuiveringsinstallaties en voor de afbraak van organisch sterk vervuild afvalwater in aerobe en anaerobe afvalwaterzuivering. Ze gebruiken microbiologische afbraakprocessen. Afbreekbare organische afvalwatercomponenten worden zo volledig mogelijk gemineraliseerd, dat wil zeggen bij de aërobe afvalwaterzuivering afgebroken tot de anorganische eindproducten water , kooldioxide, nitraat, fosfaat en sulfaat . Bij anaërobe afvalwaterzuivering worden ze omgezet in organische zuren, methaan en koolstofdioxide. Meestal worden hiermee de koolstofverbindingen uit het afvalwater verwijderd. Ook organisch gebonden stikstof en ammonium worden verwijderd door bacteriële nitrificatie en denitrificatie . Ook in middelgrote en grote rioolwaterzuiveringsinstallaties wordt het aandeel fosfor steeds vaker bacterieel verlaagd.

3e etappe

Abiotische chemische processen maken gebruik van chemische reacties zoals oxidatie en precipitatie zonder tussenkomst van micro-organismen. Bij gemeentelijke afvalwaterzuivering worden ze voornamelijk gebruikt om fosfor te verwijderen door middel van neerslagreacties ( fosforverwijdering ). Dit proces is van groot belang om eutrofiëring van de ontvangende wateren te voorkomen . Daarnaast worden abiotische chemische processen ingezet voor neerslag in industrieel waterbeheer en voor uitgebreidere afvalwaterzuivering (bijvoorbeeld flocculatie/neerslag/filtratie).

4e etappe

Sinds het einde van de jaren tachtig zijn er uitgebreidere reinigingsprocessen ontwikkeld die al klaar zijn voor serieproductie, maar zich vanwege hun soms hoge bedrijfskosten nog niet hebben kunnen vestigen. ^{[4] [5] [6]} Voorbeelden zijn afvalwaterfiltratie ^[7] en desinfectie. In Zwitserland moet, als gevolg van de herziening van de Water Protection Act die op 1 januari 2016 van kracht is geworden, in de komende periode een extra reinigingsfase tegen sporenstoffen worden geïnstalleerd in ongeveer 100 van de meer dan 700 Zwitserse rioolwaterzuiveringsinstallaties in vervuild water. twintig jaar. ^{[8] [9]} Afvalwaterzuiveringsinstallaties met meer dan 80.000 aangesloten mensen worden getroffen. ^[10]

De processen in rioolwaterzuiveringsinstallaties kunnen wiskundig worden beschreven door hun reactiekinetiek ( macrokinetiek ).

Laad parameters

De vervuiling van rioolwaterzuiveringsinstallaties wordt bepaald volgens de populatie equivalenten (PE). Dit is de som van de feitelijke inwoners (aantal inwoners , EZ) en de populatie equivalenten (EGW). De inwonerequivalenten wordt de overeengekomen omvang van het afvalwater emissies wordt uitgegaan van een “standaard resident”. Voor commerciële , industriële en agrarische productie worden belastingen gegeven die verband houden met de productieomvang (bijv. 10 PE BSB ₅ per hectare wijngaarden). Hierbij moet wel worden opgemerkt dat de relaties tussen de afzonderlijke parameters kunnen verschuiven. Afvalwater kan meer geconcentreerd zijn (minder afvalwater met dezelfde vuilvracht), of het kan rijk zijn aan organische koolstofverbindingen en dus arm aan nutriënten. Der Gehalt an biotisch abbaubaren Stoffen wird mit dem Summenparameter biochemischer Sauerstoffbedarf , abgekürzt BSB, quantifiziert. In der Regel wird er mit dem biochemischen Sauerstoffverbrauch in Milligramm innerhalb von fünf Tagen unter Standardbedingungen gemessen und als BSB ₅ bezeichnet (siehe unten). Für den biotischen Abbau muss ein Nährstoffverhältnis von BSB ₅ :N:P von etwa 100:5:1 gegeben sein, damit die Mikroorganismen ausreichend mit Stickstoff und Phosphor versorgt werden. Dies fußt auf der Annahme, dass etwa die Hälfte der abgebauten organischen Stoffe zum Biomassewachstum verwendet wird und Biomasse in der Trockensubstanz zu etwa zwölf Prozent aus Stickstoff und zu etwa zwei Prozent aus Phosphor besteht.

Abwassermenge

Als Belastung der Kläranlage mit Abwasser wurde früher ein Schmutzwasseranfall von 150 bis 200 Liter pro Einwohner und Tag angesetzt. Der Schmutzwasseranfall entspricht etwa dem Wasserverbrauch . Für Neuplanungen oder Vorausplanungen wird inzwischen der ortsspezifische Wasserverbrauch ermittelt und eine Abschätzung für die Zukunft versucht. Üblicherweise werden Schmutzwassermengen um die 130 Liter pro Einwohner und Tag angesetzt.

Dieser Wert berücksichtigt die in Mitteleuropa bei dichten Kanalnetzen üblichen Werte. Für die Bemessung der Kläranlage wird jedoch in der Regel ein Zuschlag für Fremdwasser (undichte Kanäle, Einleitungen von Drainagen und dergleichen) berücksichtigt. Dieser kann bis 100 Prozent des Schmutzwasseranfalls betragen. Die Fremdwassermenge wird auf die angeschlossene versiegelte Fläche bezogen und sollte nicht mehr als 0,15 l/(s×ha) betragen.

Bei Mischkanalisationen (Regenwasser und Schmutzwasser in einem Kanal) sind entsprechende Zuschläge zur Abarbeitung des Regenwassers zu berücksichtigen, die meist mit 100 Prozent der Tagesspitze bei Trockenwetter angesetzt werden.

Für die hydraulische Berechnung (Zahl und Größe der Förderpumpen) der Kläranlage ist zudem der Tagesgang der Belastung von Bedeutung. Die durchschnittliche Tagesfracht ist daher zur Bemessung nicht durch 24 Stunden, sondern durch eine kleinere Zahl (10 bis 14) für den maximalen Stundenwert zu teilen.

Verschmutzungsgrad

BSB ₅

Beim BSB ₅ -Wert, dem biochemischen Sauerstoffbedarf während einer Messzeit von fünf Tagen bei 20 °C, wird jener Sauerstoffbedarf erfasst, der bei der Oxidation von organischen Stoffen durch aerobe Mikroorganismen entsteht. Er gehört zu den sogenannten Summenparametern , da damit nicht der Abbau von Einzelverbindungen bestimmt werden kann.

Die bakterielle Oxidation von Ammoniak (NH ₃ ), Ammonium (NH ₄ ⁺ ) und Nitrit (NO ₂ ⁻ ) zu Nitrat (NO ₃ ⁻ ) – Nitrifikation genannt – soll nicht erfasst werden und wird bei der Messung durch einen Hemmstoff, beispielsweise Allylthioharnstoff (ATH) oder Natriumhydroxid -Plätzchen, unterbunden.

Als üblicher Wert für den BSB ₅ werden 60 Gramm pro Einwohnerwert und Tag angesetzt. Davon können etwa 20 Gramm in der Vorklärung durch Sedimentation entfernt werden. Für die Bestimmung des BSB sind folgende Voraussetzungen notwendig:

1. Die angesetzte Probe muss während der gesamten Zehrungszeit ausreichend Sauerstoff, das sind mindestens zwei Milligramm pro Liter, enthalten.
2. Die angesetzte Probe muss genügend Bakterien enthalten. Sie sind im normalen Abwasser reichlich vorhanden. Bei speziellen Abwässern gewerblicher Betriebe (z. B. Deponie-Sickerwasser-Reinigung) müssen Bakterien zugesetzt werden. Man „impft“ mit 0,3 Milliliter häuslichem Abwasser je Liter angesetzter Probe.
3. In der angesetzten Probe müssen genügend Stickstoff und Phosphat als Nährstoffe enthalten sein.
4. Die angesetzten Proben müssen während der fünf Tage möglichst genau bei 20 °C und im Dunkeln, am besten in einem Thermoschrank, aufbewahrt werden.

Mit dem Erscheinen des neuen DWA -Arbeitsblattes 131 im Juni 2016 entfiel der BSB ₅ als Bemessungsparameter für einstufige Belebungsanlagen, da der BSB ₅ keine vollständige Bilanzierung des Schlammanfalls und des Sauerstoffbedarfs ermöglicht und in der Praxis nicht mehr flächendeckend gemessen wird.

Chemischer Sauerstoffbedarf

Der chemische Sauerstoffbedarf, abgekürzt CSB, gehört ebenfalls zu den Summenparametern, da damit keine Einzelverbindungen quantifiziert werden können. Er wird mittels der Oxidation der Abwasserinhaltsstoffe durch Kaliumdichromat bestimmt und erfasst den Sauerstoffbedarf zur Oxidation eines Großteils der organischen Stoffe. Sind im Abwasser auch oxidierbare anorganische Verbindungen wie Sulfite enthalten, werden diese ebenfalls als chemischer Sauerstoffbedarf erfasst. Dieser Parameter wird zur Bilanzierung der Anlage herangezogen. Für den chemischen Sauerstoffbedarf wird ein Wert von 120 Gramm pro Einwohnerwert und Tag angesetzt.

Stickstoff

Stickstoff liegt im Rohabwasser hauptsächlich organisch gebunden (zum Beispiel in Proteinen , Nukleinsäuren , Harnstoff ) und in Form von Ammonium-Ionen (NH ₄ ⁺ ) sowie in geringen Anteilen auch in Form von Nitrat- (NO ₃ ⁻ ) und Nitrit-Ionen (NO ₂ ⁻ ) vor. Angesetzt werden hierfür etwa zehn bis zwölf Gramm pro Einwohnerwert und Tag.

Phosphor

Phosphor liegt organisch als Phosphatgruppe gebunden und als freies Phosphat vor. Für Deutschland werden etwa 2 Gramm Phosphor pro Einwohner und Tag angenommen. ^[11] In der Schweiz muss Phosphor aus Kläranlagen ab 2026 rezykliert werden. ^[12]

Mikroplastik

Die Rückhalteeffizienz von Mikroplastik in Kläranlagen liegt laut einem Review-Artikel bei 83–99,9 %, wobei sie bei der Mehrheit der berücksichtigten Untersuchungen höher als 95 % war. ^[13]

Die weitere Reduktion der Emissionen kann z. B. mittels Tuchfiltration erfolgen. ^[14]

Die Rieselfelder Münster werden mit dem gereinigten Wasser der Kläranlage Münsters bewässert, das relativ viel Mikroplastik enthält. Derzeit wird untersucht, welche Auswirkungen es auf wirbellose Tiere wie Schnecken und Krebse hat, wenn diese die Plastikteilchen fressen. ^[15]

Global betrachtet sind die Haupteintragspfade von primärem Mikroplastik in die Ozeane Straßenabläufe (66 %), Abwasserbehandlungssysteme (inkl. Regenüberlauf , 25 %) und Windverfrachtungen (7 %). ^[16]

Umweltaspekte

Dieser Artikel oder nachfolgende Abschnitt ist nicht hinreichend mit Belegen (beispielsweise Einzelnachweisen ) ausgestattet. Angaben ohne ausreichenden Beleg könnten demnächst entfernt werden. Bitte hilf Wikipedia, indem du die Angaben recherchierst und gute Belege einfügst.

Energieverbrauch

Für viele Kommunen weltweit sind Kläranlagen die Einrichtungen mit dem höchsten Energieverbrauch. Es wird geschätzt, dass sie bei Einsatz herkömmlicher Technik bis etwa 3 % des globalen Stromverbrauchs verursachen. ^[2] Im Durchschnitt sind Kläranlagen für rund 20 Prozent des kommunalen Energieverbrauchs verantwortlich. Bundesweit werden dafür 4400 Gigawattstunden elektrische Energie im Jahr verbraucht (2009). ^[17] Ein Teil dieser Energie kann durch die Verstromung des beim Klärprozess anfallenden energiereichen Klärgases in einem Blockheizkraftwerk selbst erzeugt werden. Im Jahr 2014 waren von ca. 10.000 deutschen Kläranlagen rund ein Achtel mit einem BHKW zur Eigenversorgung mit Strom und Wärme ausgestattet. Diese lieferten ca. 1.340 GWh elektrische Energie, die zu mehr als 90 % in den Kläranlagen selbst verbraucht wurde. Damit könnten rechnerisch alle Haushalte einer Großstadt wie Frankfurt am Main versorgt werden. ^[18]

Davon erfordert in der Regel das Druckbelüftungssystem im Belebungsbecken den mit Abstand größten Energieaufwand von allen Verfahrensschritten einer kommunalen Abwasserbehandlungsanlage. Der Energieverbrauch für die Belüftung liegt im Durchschnitt bei etwa 50 Prozent des gesamten Energiebedarfs. Danach folgen die kontinuierlich laufenden Pumpen, und die drittgrößte Verbrauchergruppe bilden in der Regel die fortlaufend arbeitenden Rührwerke. Diese drei Hauptkomponenten verbrauchen bei normal geführten Anlagen über 80 Prozent der Energie. ^[19]

Unter optimalen Bedingungen ist es möglich, Kläranlagen mit Energiegewinnung zu betreiben. So realisiert die Kläranlage der Stadtwerke Bad Oeynhausen seit einem Umbau im Jahr 2014 Energieüberschüsse. ^[20] Nach Schätzungen ist die chemische Energie im Abwasser etwa neunmal so hoch wie die für den Klärvorgang notwendige Energie. ^[2]

Folgende Maßnahmen zur Steigerung der Energieeffizienz werden unter anderem vorgeschlagen: ^[21]

• durch Austausch, Optimierung und Regelung der Belüfter können unter Umständen mehr als 50 Prozent der Belüftungsenergie eingespart werden
• Verbesserung der Betriebsführung zur Vermeidung von Druckverlusten
• Einsatz moderner Pumpen der höchsten Effizienzklasse (EFF 1)
• transparente Überwachung ( Monitoring ), mehr Stromzähler, Druckverlusterkennung bei den Belüftungseinrichtungen, übersichtliche Anordnung der Messinstrumente
• mechanische Entwässerung vor der Einbringung in den Faulbehälter zur Reduzierung der Beheizungsenergie
• effiziente Nutzung der Faulgase zur Stromerzeugung
• Trocknungsprozesse über Sonnenenergie oder Abwärme
• Einrichtung eines Blockheizkraftwerkes zur Faulgasverstromung – damit erreicht man einen Eigenversorgungsgrad von etwa 33 % des Strombedarfs (Stand 2009).

Darüber hinaus kann die im Abwasser enthaltene thermische Energie mit Hilfe von (Groß)- Wärmepumpen auf ein höheres Temperaturniveau angehoben werden und anschließend in Fernwärmesysteme eingespeist werden. Eine 2017 publizierte Review-Studie fand insgesamt 54 Großwärmepumpen mit einer kumulierten Wärmeleistung von rund 900 MW in Betrieb, die in aller Regel Abwasser mit einer Temperatur von 10–20 °C nutzen. Die leistungsfähigsten Anlagen dieser Art befinden sich in Skandinavien , wobei in Stockholm mit 230 MW und Göteborg mit 160 MW besonders große Anlagen installiert waren. Ähnliche Systeme könnten nun in anderen europäischen Städten genutzt werden. Als besonderen Vorteil der Abwasserwärmenutzung sehen die Autoren die von wirtschaftlichen Unsicherheiten kaum tangierte Langzeitverfügbarkeit der Wärmequelle Abwasser an. ^[22]

Treibhausgasemissionen

Dieser Artikel oder nachfolgende Abschnitt ist nicht hinreichend mit Belegen (beispielsweise Einzelnachweisen ) ausgestattet. Angaben ohne ausreichenden Beleg könnten demnächst entfernt werden. Bitte hilf Wikipedia, indem du die Angaben recherchierst und gute Belege einfügst.

Kläranlagen sind Emittenten von Treibhausgasen , die im Klärprozess anfallen. Freigesetzt werden sowohl Kohlenstoffdioxid als auch weitere hochpotente Treibhausgase wie Methan oder Distickstoffmonoxid . Schätzungen für das Jahr 2010 ermittelten einen Treibhausgasausstoß von ca. 0,77 Mrd. Tonnen CO ₂ -Äquivalent , was etwa 1,57 % der globalen Äquivalentemissionen in Höhe von 49 Mrd. Tonnen entspricht. Der zugrundeliegende Kohlenstoff stammt weitgehend aus natürlichen organischen Stoffen, daher gilt das freiwerdende Kohlendioxid als treibhausgasneutral; problematisch sind vor allem die Methan- und Lachgasemissionen, da diese um ca. Faktor 25 bzw. 298 stärker wirken als Kohlendioxid. Mit etwa 0,56–0,71 Mrd. Tonnen CO ₂ -Äquivalent sind diese Emissionen aus Kläranlagen für etwa 4,6 % – 5,2 % der globalen Nicht-CO ₂ -Emissionen verantwortlich. ^[2]

Zugleich sorgen Kläranlagen auch für eine Reduzierung potentieller Treibhausgasmengen. Denn würde Abwasser ungereinigt in ein Gewässer eingeleitet werden, führte dies neben der entsprechenden Verschmutzung mit den üblichen Begleiterscheinungen ( Eutrophierung , Fischsterben ) zu einem erheblichen Anstieg der Treibhausgasemissionen. Die natürlichen Abbauprozesse finden zunächst unter Zehrung des gelösten Sauerstoffs statt, wobei Kohlendioxid freigesetzt wird. Nachdem der Sauerstoff aufgebraucht wurde, finden die weiteren Abbauprozesse unter anaeroben Bedingungen statt. Dadurch kommt es vermehrt zu Methan-, Schwefelwasserstoff- und Lachgasemissionen, die wiederum (so) ein höheres Treibhauspotential aufweisen. ^[23]

Kläranlagen gelten aufgrund des Anfalls großer Mengen von kohlenstoffhaltigem Abwasser, ihrer Lage in dicht besiedelten Gebieten und der größtenteils schon vorhandenen Infrastruktur als vielversprechende Standorte für die Installation von Kohlendioxidabscheideanlagen für die Endlagerung oder die industrielle Weiternutzung von CO ₂ . Auf diese Weise könnte anfallendes Kohlendioxid entweder dauerhaft der Atmosphäre entzogen werden, um klimapolitisch wünschenswerte negative Emissionen zu realisieren, oder als industrieller Rohstoff für diverse Anwendungen genutzt werden. Ein besonderer Vorteil von Kläranlagen ist hierbei, dass durch die bereits vorhandene Technik kein zusätzlicher Landverbrauch für Abscheide- und Transportinfrastruktur benötigt würde. Mögliche Konzepte für solche Anlagen umfassen den Einsatz von mikrobieller elektrolytischer CO ₂ -Abscheidung, mikrobielle Elektrosynthese , das Anlagen von Mikroalgen-Kulturen, das Anlegen künstlicher Feuchtgebiete, die Produktion von Biokohle aus Klärschlamm ^[2] oder die Aufwertung des erzeugten Biogases durch Methanisierung des enthaltenen Kohlenstoffdioxids ( Power-to-Gas -Konzepte).

Sonderformen

• Eine Sonderform für die dezentrale Abwasserbehandlung ist die Kleinkläranlage .
• Nichttechnische Anlagen der Abwasserbehandlung sind unter dem Begriff Pflanzenkläranlage beschrieben.

Weblinks

Commons : Kläranlage – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

Wiktionary: Kläranlage – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen

• Klärwerk.info Aktuelle Fachinfos rund ums Klärwerk
• VSA-Plattform "Verfahrenstechnik Mikroverunreinigungen" Verband Schweizer Abwasser- und Gewässerschutzfachleute
• Dresdens virtuelle Kläranlage. In: Stadtentwässerung Dresden. (Interaktive Kläranlage)
• Historische Kläranlage Frankfurt. In: Frankfurt360.de. (360-Grad-Rundumansichten)
• Aufbau einer Kläranlage und Funktion der einzelnen Stationen. ( Memento vom 10. Dezember 2013 im Internet Archive ) In: Wasserverband Neufelderseen-Gebiet. (Video zur Funktionsweise einer Kläranlage)
• Funktionsweise einer Vollbiologischen Kläranlage – Lehrfilm
• Funktionsweise einer Vollbiologischen Kläranlage – 360-Grad-virtuelle Tour
• Kommunale Abwasserreinigung – Informationen des Bundesamts für Umwelt (Schweiz)

Einzelnachweise

1. ↑ Hersteller sollen für Abwasserklärung zahlen . In: Frankfurter Allgemeine Zeitung für Deutschland, Nummer 227/2019 vom 30. September 2019, S. 15.
2. ↑ ^{a b c d e} Lu Lu et al.: Wastewater treatment for carbon capture and utilization . In:Nature Sustainability . Band   1 , 2018, S.   750–758 , doi : 10.1038/s41893-018-0187-9 .  
3. ↑ Die biologische Reinigungsstufe. In: System S&P. (Festbett- und Belebtschlammverfahren).
4. ↑ Riskante Fracht ging ins Forschernetz . In: mittelbayerische.de , 5. September 2018, abgerufen am 22. September 2018.
5. ↑ Machbarkeitsstudie für zusätzliche Klärstufe vorgestellt: Unsichtbare Gefahr im Wasser . In: wn.de , 22. September 2018, abgerufen am 22. September 2018.
6. ↑ Weil am Rhein Schadstoffe setzen dem Fluss zu . In: verlagshaus-jaumann.de , 22. September 2018, abgerufen am 22. September 2018.
7. ↑ Vierte Reinigungsstufe: Stand und Ausblick . In: initiative-mikroplastik.de, abgerufen am 22. September 2018.
8. ↑ 100 Kläranlagen müssen aufrüsten – Eawag Infotag 2015 , eawag , 3. September 2015, abgerufen am 23. September 2018.
9. ↑ Christoph Zweili: Die ARA Altenrhein gehört dank der vierten Reinigungsstufe zu den modernsten Europas. In: tagblatt.ch . 5. September 2019, abgerufen am 6. September 2019 .  
10. ↑ Kläranlage Winznau - Ganz neu heisst nicht zwingend topmodern. In: srf.ch . 30. August 2019, abgerufen am 31. August 2019 .  
11. ↑ Forschungsbericht zu Phosphorgewinnung aus Klärschlamm im Auftrag des Umweltbundesamtes , Seite 38
12. ↑ Stefan Hartmann: Phosphorverwertung: Recyclingdünger aus Kläranlagen. In: bafu.admin.ch . 2019, abgerufen am 17. August 2020 .  
13. ↑ Joana Correia Prata: Microplastics in wastewater: State of the knowledge on sources, fate and solutions . In: Marine Pollution Bulletin . Band   129 , Nr.   1 , 2018, S.   262–265 , doi : 10.1016/j.marpolbul.2018.02.046 .  
14. ↑ Stefan Idel: Investition In Wildeshausen: Becken abgerissen – Großer Sandplatz mitten in Kläranlage . In: nwzonline.de , 8. Januar 2020, abgerufen am 8. Januar 2020.
15. ↑ WWU-Forscher untersuchen Mikroplastik in den Rieselfeldern . In: uni-muenster.de , 4. Mai 2018, abgerufen am 27. Mai 2018.
16. ↑ Julien Boucher, Damien Friot: Primary Microplastics in the Oceans: A Global Evaluation of Sources . In: IUCN . 2017, S.   24 , doi : 10.2305/IUCN.CH.2017.01.en .  
17. ↑ Energieeffizienz kommunaler Kläranlagen , Umweltbundesamt, Okt. 2009, S. 3 (PDF; 2,7 MB).
18. ↑ 1 340 Gigawattstunden Strom aus Klärgas erzeugt . Pressemitteilung des Statistischen Bundesamtes vom 10. Juli 2015. Abgerufen am 10. Juli 2015.
19. ↑ Energieeffizienz kommunaler Kläranlagen , Umweltbundesamt, Okt. 2009, S. 4–5 (PDF; 2,7 MB).
20. ↑ http://www.stadtwerke-badoeynhausen.de/cms/Abwasser/Klaeranlage_/Klaeranlage_.html . Webseite der Stadtwerke Bad Oeynhausen. Abgerufen am 8. September 2016.
21. ↑ Energieeffizienz kommunaler Kläranlagen , Umweltbundesamt, Okt. 2009, S. 6–8 (PDF; 2,7 MB).
22. ↑ Andrei David et al.: Heat Roadmap Europe: Large-Scale Electric Heat Pumps in District Heating Systems . In: Energies . Band   10 , Nr.   4 , 2017, S.   578   ff ., doi : 10.3390/en10040578 .  
23. ↑ Hartmut Bick: Grundzüge der Ökologie . 1998, S.   138   ff .