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Hydrologie und Wasserwirtschaft (Subject) / Abwasserreinigung (Lesson)

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• Welche Verfahren werden bei der Klärung von Schmutz- und Abwasser angewandt? - 1. Rechen (mechanische Abwasserreinigung) => Grobstoffe werden beim Durchströmen des Rechens zurückgehalten => Die Größe der zurückgehaltenen Partikel hängt vom Stababstand des Rechens ab => Grobrechen: 30 –60 mm Stababstand / Feinrechen: 6 –30 mm Stababstand => meist mit abnehmenden Stababstand hintereinander (in Reihe) gebaut - 2. Sandfang (mechanische Abwasserreinigung) => Reduzierung der Fließgeschwindigkeit => Sedimentation mineralischer Stoffe wie Sand (in der Regel durch Schwerkraft) => In der Regel werden Korndurchmesser zurückgehalten => Aber: Noch keine Ablagerung von organischen Stoffen  => Ausführungsformen: Längssandfang –Rundsandfang i. d. R. belüfteter Sandfang => Belüftung regt die Strömung an, um Fett-und Schwimmstoffe an die Oberfläche zu treiben => Sandgut wird wie Hausmüll beseitigt (Deponie) - 3. Vorklärbecken (mechanische Reinigungsstufe) => sinkfähige Stoffe setzen sich als sogenannter Primärschlamm ab => Sedimentation durch Schwerkraft => Der Primärschlamm wird der Schlammbehandlung zugeführt - 4. Phosphorelemination / Belebungsbecken => Zuführung von Sauerstoff für biologische Prozesse erforderlich => Bakterien sind im Belebtschlammenthalten => kontinuierliche Durchmischung zur Schaffung möglichst großer Kontaktflächen - 5. Nachklärbecken => Nach der biologischen Behandlung werden gereinigtes Abwasser und biologischer Schlamm der Nachklärung zugeführt => Der Klärschlamm setzt sich am Boden ab und wird abgesaugt => ein großer Teil des Schlamms wird wieder in das Belebungsbecken gepumpt , der restliche Anteil wird der Schlammbehandlung zugeführt => Das gereinigte Abwasser wird ins Gewässer geleitet
• Erläutere grundlegend den Unterscheid zwischen mechanischer und bilogischer Reinigungsstufe! - mechanische Abwasserreinigung => Es werden mechanische Verfahren wie Querschnittsverengungen (Spaltbreiten) oder Sedimentationseigenschaften genutzt, um Feststoffe vom Abwasser zu trennen => Bauwerke der mechanischen Abwasserreinigung: Rechen, Sandfang, Vorklärbecken => bereitet das Abwasser für die eigentliche Reinigung (biologische Abwasserreinigung) vor => grobe und mineralische Feststoffe werden in einer Deponie entsorgt => biologisch abbaubare Feststoffe werden als Primärschlamm der Schlammbehandlung zugeführt - biologische Abwasserreinigung => Abbau schädlicher Kohlenstoff-, Stickstoff-(und Phosphor-) Verbindungen in Gase und oxidierte Stoffe => Umwandlung in Biomasse (Schlamm) durch bakteriellen Stoffwechsel => Erfolg der biologischen Prozesse hängt von den Milieubedingungen (anoxisch/ aerob) und dem Konzentrationsverhältnis einzelner Inhaltsstoffe ab => Dies bedingt interne Rezirkulationenvon Abwasser-und Schlammströmen, die im Vergleich zur mechanischen Reinigung zu größeren Beckenvolumina führen => Inhaltsstoffe des Abwassers werden reduziert, aber nicht vollständig entfernt => Bauwerke der biologischen Abwasserreinigung: Belebungsbecken (Denitrifikation / Nitrifikation), Nachklärbecken, Leitungen zur internen Rezirkulation
• Unterscheide „Trennsystem“ und „Mischsystem“ bei der Abwassereinleitung! - Trennsystem => Ableitung des Schmutz-und Niederschlagswassers in zwei getrennten Kanälen => Ableitung des Schmutzwassers zur Kläranlage => Einleitung des Niederschlagswassers in nahegelegene Gewässer => Zum Schutz des Gewässers sind Retentions-und Reinigungsbauwerke erforderlich => Regenrückhaltebecken (Verringerung der hydraulischen Belastung) => Regenklärbecken / Bodenfilterpassagen / Filterschächte (Verringerung der stofflichen Belastung) => Ableitung des „klärpflichtige“ Regenwasseranteil über Trennbauwerke im Regenwasserkanal in den Schmutzwasserkanal und weiter zur Kläranlage => Die Anforderungen an die Regenwasserreinigung sind in den letzten Jahren stark angestiegen   - Mischsystem => Ableitung des Schmutz-und Niederschlagswassers in einem Kanal => UnverschmutztesWasser (z. B. aus Drainagen, Quellen oder Brunnen) darf nicht in einen Mischwasserkanal eingeleitet werden => Ableitung des Mischwassers zur Kläranlage (bis zur maximalen Leistungsfähigkeit der Kläranlage) => Anordnung von Mischwasserentlastungsanlagenoder Speicherräumen => Begrenzung der Kanalquerschnitte => begrenzte Leistungsfähigkeit der Kläranlage => Im Vergleich zum Trennsystem geringere Kosten, da nur ein Kanal gebaut werden muss => geringere Reinigung des Schmutzwasser gegenüber einem Trennsystem, da über Mischwasserentlastungsanlagen „verdünntes“ Schmutzwasser in Gewässer abgeschlagen und nicht zur Kläranlage geführt wird
• Erläutere „Schlammbehandlung“! - Der Schlamm stammt aus der Vorklärung (Primärschlamm) und aus der Nachklärung (Überschussschlamm) => Anaerobe Schlammstabilisierung im Faulturm (Methangasgewinnung) => Dem Klärschlamm wird in Pressen oder Zentrifugen Wasser entzogen  Anschließend thermische Verwertung (Verbrennung) oder landwirtschaftliche Nutzung - Schlammeigenschaften => Die große biologische Aktivität und die hohe Konzentration von abbaubaren Stoffen im aufkonzentriertenSchlamm führen zu => anaeroben Verhältnissen => intensiver Entwicklung von flüchtigen, stark stinkenden, organischen Säuren - Es liegt zunächst instabiler Klärschlamm vor, der einer schnellen, stinkenden Zersetzung unterworfen ist Schlammbehandlung Wesentliche Ziele der Schlammbehandlung - Stabilisierung des Schlamms, um Geruchsbelästigungen zu vermeiden - Erzeugung eines hygienisch einwandfreien Zustands, wenn der Schlamm in der Landwirtschaft genutzt werden soll - Volumenreduzierung durch Entwässerung - Thermische Nutzung durch Verbrennung
• Schmutzwasser“, „industrielles Abwasser“ und „Fremdwasser“! - Abwasser => Wasser, bestehend aus jeglicher Kombination von abgeleitetem Wasser aus Haushalten, Industrie-und Gewerbebetrieben, Oberflächenabfluss und unbeabsichtigter Fremdwasserzufluss => Unter einer Einleitung wird das unmittelbare Verbringen des Abwassers in ein Gewässer verstanden => Eine Abwasserbehandlungsanlagedient dazu, die Schädlichkeit des Abwassers zu vermindern oder zu beseitigen => Abwasserbehandlungsanlagen sind neben Kläranlagen auch Regenwasserbehandlungsanlagen wie z. B. Regenklärbecken - Niederschlagswasser => Niederschlag, der nicht im Boden versickert ist und von Bodenoberflächen oder von Gebäudeaußenflächen in das Entwässerungssystem eingeleitet ist - Schmutzwasser => Durch Gebrauch verändertes und in ein Entwässerungssystem eingeleitetes Wasser - häusliches Schmutzwasser => Wasser aus Küchen, Waschräumen, Waschbecken, Badezimmern, Toiletten und ähnlichen Einrichtungen - industrielles Schmutzwasser => gewerbliches Abwasser, Abwasser aus Industrie-oder Gewerbebetrieben - Fremdwasser => unerwünschter Abfluss in einem Entwässerungssystem
• Definiere „Chemischer Sauerstoffbedarf CSB“! - Der chemische Sauerstoffbedarf ist ein Summenparameter, der ausdrückt, wie viel Sauerstoff zur vollständigen Oxidation von organischen Stoffenzu CO2  und Wasser erforderlich ist.
• Was sind Auswirkungen des Fremdwassers und Maßnahmen zur Fremdwasserreduzierung? -  Fremdwasser führt zu einer zum Teil permanenten Mehrbelastung der Kläranlage - Fremdwasser führt zu höheren Pumpenlaufzeiten, wenn das Schmutz-bzw. Mischwasser nicht im Freispiegelabfluss zur Kläranlage geleitet werden kann - Beides führt zu erhöhten Kosten (Stromkosten, Verschleiß von Anlagen) - In NRW werden daher zahlreiche Fremdwassersanierungsprojekte durchgeführt und vom Land NRW gefördert => Festlegung von Fremdwasserschwerpunktgebieten => Lokalisierung von Fremdwasserquellen => Erarbeitung und Umsetzung von Sanierungsmaßnahmen im öffentlichen und privaten Kanal
• Was sind Methoden zur Fremdwasserbestimmung? -  In Einzugsgebieten mit hohem Fremdwasseranteil wird grundsätzlich die Durchführung von Messkampagnen im Kanal empfohlen - Darauf aufbauend werden unterschiedliche Methoden zur Bestimmung des Fremdwasseranteil angewendet => Nachtminimum –Methode => Methode des gleitenden Minimums => Jahresschmutzwassermethode => Dreiecksmethode
• Erläutere Voraussetzungen & Vorgehen der Nachtminimum –Methode! - Voraussetzungen: => Es stehen hoch aufgelöste Nachtmessungen (Stundenwerte) zur Verfügung => Es stehen Niederschlagsdaten zur Ermittlung von Trockenwettertagen zur Verfügung => Es müssen Angaben zu Einwohnern / Einwohnergleichwerten vorliegen - Vorgehen: => Es wird pro Monat mindestens ein Trockenwettertag ausgewählt, um saisonale Schwankungen zu berücksichtigen => Der Abstand zwischen den Trockenwettertagen muss mindestens 14 Tage betragen => An den ausgewählten Tagen wird jeweils der kleinste Nachtzufluss bestimmt (Stundenwert)und um den geschätzten Nacht-Schmutzwasserzuflussvon reduziert => Am Ende wird ein Mittelwert über alle Tage gebildet und auf das Jahr hochgerechnet
• Erläutere Voraussetzungen & Vorgehen der Methode des gleitenden Minimums! - Voraussetzungen:  => Es stehen hoch aufgelöste Abflussmessungen (Stundenwerte) zur Verfügung => Es muss ein mittlerer täglicher Schmutzwasserabfluss (Mittel über alle Stundenwerte) angegeben werden  - Vorgehen: => Reduzierung der Ganglinie um Tage mit Ausfallzeiten (unplausiblen Messwerten)  => Gleitendes Minimum über die letzten 21 Tage bilden => Vom gleitenden Minimum wird der mittlere tägliche Schmutzwasserabfluss abgezogen => Der Mittelwert (über einen beliebig wählbaren Zeitraum) über alle Einzelwerte entspricht dem mittleren Fremdwasserabfluss
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• Erkläre das Prinzip der Sedimentation im Sandfang und im Vorklärbecken! - Feststoffe im Abwasser, deren Dichte sich von der Dichte des Wassers unterscheidet, schwimmen (flotieren) und sinken nach unten (sedimentieren) - Das Verfahren der Sedimentation wird in der Mechanischen Abwasserreinigung bei kontinuierlich durchflossenen Bauwerken (Sandfang und Vorklärbecken) genutzt, um die Feststoffe aus dem Abwasser zu entfernen - Dabei werden folgende stark vereinfachte Annahmen getroffen: => laminare Strömung => die Fließgeschwindigkeit ist im gesamten Querschnitt gleich groß
• Was sind Voraussetzungen für die Nitrifikation bei Stickstoffverbindungen im Abwasser und auf der Kläranlage? => Anwesenheit von zwei unterschiedlichen Bakterienarten = Nitrifikanten => Verfügbarkeit von freiem Sauerstoff (aerobe Verhältnisse)
• Was sind Voraussetzungen für die Dentrifikation bei Stickstoffverbindungen im Abwasser und auf der Kläranlage? => Anwesenheit von Denitrifikanten(die meisten Bakterien können denitrifizieren) => Nitratund Biomasse (BSB5) => Abwesenheit von freiem Sauerstoff (anoxischeVerhältnisse), da ansonsten die gleichen Bakterien aufgrund des höheren Energiegewinns in die „SauerstoffAtmung“ (für den Kohlenstoffabbau) übergehen und der Nitratabbau gehemmt wird
• Erläutere den „Eindicker“ bei der Schlammbehandlung! - Ziel: Reduzierung des Wassergehalts - Verfahren: Durch Rühren wird die Flockung des Schlamms unterstützt - Ergebnis: Verdichteter Schlamm kann sich am Boden absetzen und das Schlammwasser kann an der Oberfläche abgezogen werden
• Erläutere den „Faulturm“ bei der Schlammbehandlung! - Ziel: Anaerobe Schlammstabilisierung  - Verfahren: => Umwandlung der langkettigen Kohlenstoffverbindungen (Polymere) in kurzkettige Verbindungen => biologische Umwandlung der Monomere in Biogas und in einen leicht entwässerbaren Gärrest - Ergebnisse: => stabilisierter Schlamm => Abbau des organischen Anteils um ca. 50 % => gewonnenes Methangas kann zur Energiegewinnung in einem Blockheizkraftwerk genutzt werden
• Erläutere die „Entwässerung / Trocknung“ bei der Schlammbehandlung! - Ziel: Reduzierung des Wassergehalts - Verfahren: => Entwässerung: Filterpressen oder Zentrifugen => Trocknung: (Solar-) Schlammtrocknungsanlagen - Ergebnis: => signifikante Volumenreduzierung => Vorbereitung für thermische Nutzung (Verbrennung)
• Welche Lastfälle sind für welche Anlagenbauteile maßgebend?  - Die Vorklärung wird bei Trennsystemen auf die maximale Trockenwassermenge oder den Mischwasserabfluss ausgelegt. - Belebungsbecken werden nach Stofffrachten und der Schlammbelastung dimensioniert - Die Schlammbelastung ist so zu wählen, dass aufgrund biologischer Zusammenhänge Stoßbelastungen im Abwasser abgefangen werden können - Die Nachklärung wird für den Mischwasserabfluss ausgelegt, um zu verhindern, dass bei Regen die Biomasse ins Gewässer ausgeschwemmt wird
• Definiere „Weitergehende Abwasserreinigung“! - jüngere Vergangenheit: => gezielte Elimination von Stickstoff und Phosphor => Heute ist diese teilweise in die biologische Abwasserreinigung integriert => Stand der Technik zur Behandlung von Abwasser auf großen, deutschen Kläranlagen - heute: => Elimination von Mikroverunreinigungen => Synonym wird auch die Bezeichnung 4. Reinigungsstufe verwendet
• Definiere „Mikroverunreinigungen“! - Mikroverunreinigungen sind organische Schadstoffe. Sie stammen aus unterschiedlichen Produkten und Quellen - Teile der Produkte gelangen ins kommunale Abwasser. Ihre Konzentration ist jedoch sehr gering. - Da die bestehenden Reinigungsstufen auf kommunalen Kläranlagen nicht in der Lage sind, diese biologisch nicht abbaubaren Stoffe aus dem Wasser zu entfernen, gelangen sie in die Umwelt. Aufgrund ihrer Eigenschaften reichern sich dort an.
• Was sind Gegenmaßnahmen zur Mikroverunreinigung? - Der Eintrag von Mikroverunreinigungen in die Gewässer sollte an dem Ort seines Ursprungs verhindert werden. - Das erfordert sowohl für Industrie, Gewerbe und Haushalte einen verantwortungsvolleren Gebrauch und Entsorgung von Produkten. - Möglicherweise kann der Einsatz bestimmter Produkte verringert werden oder es können umweltfreundlichere Substitute verwendet werden. - Produkte, die ins Abwasser gelangt sind, können in Kläranlagen mit einer zusätzlichen Reinigungsstufe (=> 4. Reinigungsstufe) reduziert werden.
• Erläutere die Verfahren der 4. Reinigungsstufe? - Oxidation mit Ozon - Durch die Zugabe eines Oxidationsmittels werden die Stoffeigenschaften der Mikroverunreinigungen durch Reaktion so verändert, dass sie ihre ursprünglichen Eigenschaften verlieren. - Für den Erfolg der Elimination ist die eingetragenen Ozondosis entscheidend => Je mehr Ozon bereit gestellt wird, desto mehr Reaktionen können stattfinden - Neben der Elimination der Mikroverunreinigungen führt die Ozonung auch zur Entfärbung und Desinfektion des Abwassers - Da Ozon auch mit anderen Bestandteilen des Abwassers (z. B. Nitrit und Kohlenstoffverbindungen) reagiert, sollte die Ozonung nach dem Belebungsbecken angeordnet werden Es sollte eine weitere biologische Stufe (Sand-oder Biofilter) nachgeschaltet werden, um entstandene Reaktionsprodukte zu entfernen - Zudem ist eine Abgasbehandlunganzuordnen, um das noch vorhandene Restozonzu vernichten - Adsorption durch Aktivkohle - Der Einsatz von Aktivkohle trägt zur Elimination von Mikroverunreinigungen bei, da die Aktivkohle eine sehr große innere Oberfläche hat an der sich die Schadstoffe anlagern - Aktivkohle wird entweder in Form von Pulver oder von Granulat eingesetzt. - Pulveraktivkohle (PAK) wird mit dem zu reinigenden Wasser gemischt und nach der Kontaktzeit mit Hilfe eines Abtrennverfahrens wieder getrennt. - granulierte Aktivkohle (GAK) wird in Raumfiltern einsetzt, die von dem zu reinigenden Wasser durchströmt werden. - Pulveraktivkohle (PAK) - Zugabe der Pulveraktivkohle in ein Kontaktbecken mit anschließender Sedimentation - Wie bei der biologischen Reinigung gibt es eine interne Rezirkulationeines Teils der Kohle in das Kontaktbecken und eine Abtrennung der Restkohle als Überschussschlamm - Zur vollständigen Entfernung der Pulveraktivkohle wird ein Filter nachgeschaltet => Möglich ist auch die Zugabe der Pulveraktivkohle in das Belebungsbecken - Vorteil: die Pulveraktivkohle wird in den Belebtschlammmit eingebaut und kann leichter im Nachklärbecken entfernt werden. Trotzdem sollte auch bei diesem Verfahren ein Filter nachgeschaltet sein. - Nachteil: Bei diesem Betrieb wird spezifisch mehr Aktivkohle benötigt
• Was sind Gründe für und gegen eine 4. Reinigungsstufe auf Kläranlagen? Für: - Mikroverunreinigungen werden im gängigen Reinigungsprozess der Kläranlagen nicht abgebaut, da sie biologisch schwer abbaubar sind. - Gelangen diese schwer abbaubaren Stoffe in den Wasserkreislauf, reichern sie sich in den Meeren an und gefährden die Lebewesen. - Für sensiblen Gewässer gelten erhöhte Wasseranforderungen, die eine Elimination von Mikroverunreinigungen erforderlich machen können. - Die vorgegebenen Qualitätsnormen zur Konzentration von Mikroverunreinigungen werden momentan in den Gewässern nicht eingehalten. - Ein zusätzlicher Effekt von Maßnahmen zur Elimination von Mikroverunreinigungen kann die Reduktion von anderen Abwasserbestandteilen sein. Gegen: - Der Ausbau der Kläranlagen um eine weitere Reinigungsstufe hat sowohl Bau-als auch Betriebskosten zur Folge. - Der Energieverbrauch ist im Vergleich zum Betrieb der bisherigen Reinigungsstufen besonders hoch => weiterer Anstieg von CO2-Emissionen - Ein Ausbau von KA kann eine Vernachlässigung von Maßnahmen zur Reduktion der Entstehung von Mikroverunreinigungen zur Folge haben. - Abbauprozesse mit Ozon: Entstehung von unbekannten Nebenprodukten mit unbekannten Auswirkungen auf die Umwelt

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