Anwendung der dynamischen Simulation zur Optimierung des stufenweisen Ausbaus von Kläranlagen - Praxiserprobung

Finanzierung	Sächsisches Staatsministerium für Umwelt und Landesentwicklung
Bearbeitungszeitraum	1997 - 1998
Projektleitung	Prof. Dr.-Ing. habil. Klaus Lützner
Projektbearbeitung	Dipl.-Ing. Matthias Barth
	Dipl.-Ing. Klaus Heinze
	Dipl.-Ing. Volker Kühn

Hintergrund

Die Sauerstoffzehrung, die ungeklärtes Abwasser im Vorfluter verursacht, wird im Mittel zu 60 % von Kohlenstoffverbindungen und zu 40 % durch nicht oxidierte Stickstoffverbindungen hervorgerufen. Für den Gewässerschutz ist somit bereits die Elimination der Kohlenstoffverbindungen ein wesentlicher Beitrag, zumal die biologische Grundreinigung auch eine Entgiftung der Abwasserinhaltsstoffe bewirkt. Dieses Reinigungsziel ist bereits mit wesentlich geringerem Belebungsbeckenvolumen als es für die Nährstoffelimination notwendig ist erreichbar. Mit dem Betrieb einer derartig ausgeführten Anlagenkonfiguration ist es möglich, unsichere Bemessungswerte zu verifizieren und Klarheit über die für den Endausbau notwendigen Investitionen zu gewinnen. Überdimensionierungen durch zu optimistische Abschätzung der regionalen Entwicklung können dadurch vermieden werden. Mit der Verwaltungsvorschrift StAdA ("Verwaltungsvorschrift zum stufenweisen Ausbau der Abwasserbehandlungsanlagen", Freistaates Sachsen, 1993) besteht die Möglichkeit, derartige Übergangslösungen schrittweise in sinnfällige Endlösungen zu überführen und gleichzeitig die notwendigen Investitionskosten in Grenzen zu halten.

Die Realisierung von Übergangslösungen verlangt die Erfüllung der Anforderungen an den Kohlenstoffabbau (CSB, BSB₅) gemäß der Abwasserverordnung (Tabelle 1).

Entsprechend den Möglichkeiten des stufenweisen Ausbaus von Kläranlagen wurde untersucht, unter welchen Randbedingungen die Anforderungen an den Kohlenstoffabbau einhaltbar sind.

Mit Hilfe dynamischer Simulationsrechnungen können die Auswirkungen des stufenweisen Kläranlagenausbaus bewertet werden. Diesbezüglich war die Überprüfung der in Dresden-Kaditz an der halbtechnischen Versuchsanlage gewonnenen Erkenntnisse zur Simulation von Belebtschlammanlagen mit geringem Schlammalter notwendig. Schwerpunkt der Untersuchungen war die Ermittlung des Einflusses des Schlammalters auf die für die Simulation als inert zu betrachtende Zulauffraktionen SI (gelöst) und XI (partikulär), wodurch die Auswirkungen von Stoßbelastungen auf die Reinigungsleistung modelltechnisch beurteilt werden können. In diesem Zusammenhang sollten die Ergebnisse der Einzelsimulationen auf ihre Übertragbarkeit geprüft werden, wobei in allgemein bestehende Zusammenhänge und in standortspezifische Einflüsse zu unterscheiden war. Dadurch können die Anwendbarkeit der dynamischen Simulation für die vorgesehenen Lastfälle (Schlammalter < 5 d) unterstrichen und deren Randbedingungen eingegrenzt werden.

Die Umsetzung eines stufenweisen Ausbaus beeinflusst die betrieblichen Parameter der Kläranlage. Im Ergebnis der Untersuchungen waren die Auswirkungen des stufenweisen Kläranlagenausbaus auf Kläranlagen, die gemäß ATV-Arbeitsblatt A 131 geplant werden, darzustellen.

Entsprechend der Vielfalt der Verfahren zur biologischen Abwasserbehandlung waren die Möglichkeiten des stufenweisen Kläranlagenausbaus zu systematisieren. Die Systematisierung sollte die Ausgangssituation (Anschlussgrad, Ausbaugröße), das biologische Verfahren sowie Konzepte der Realisierung von Ausbaustufen für Kläranlagen > GK 3 berücksichtigen. Die Szenarien der Ausbaustufen waren unter Berücksichtigung der Zielsetzung der Verwaltungsvorschrift StAdA zu bewerten.

Untersuchte Fallbeispiele

Untersucht wurden 5 Kläranlagen, davon drei in Sachsen, eine in Sachsen Anhalt und eine in Bayern. In Tabelle 2 sind die Kläranlagen mit ihren wesentlichen Kenngrößen aufgelistet. Die Angaben beziehen sich auf den Betriebszustand am Untersuchungstag.

Die Kläranlagen A-C sind bestehende Altanlagen, die in nächster Zeit neu gebaut bzw. zur Stickstoffelimination ertüchtigt werden müssen. Sie wurden ausgewählt, da sie ein für dieses Projekt geeigneten Belastungszustand aufwiesen. Das mittlere Betriebsschlammalter wurde über eine CSB-Bilanz nach Angaben aus den Betriebstagebüchern der Kläranlagen geschätzt. Eine exakte Bilanzierung gestaltete sich auf Grund der schwer quantifizierbaren Überschussschlammengen schwierig. Daneben wurden biologische Prozesse (Nitrifikation) zur Identifikation des aktuellen Schlammalterbereiches genutzt.  Die Kläranlagen D und E wurden unter Anwendung der Verwaltungsvorschrift StAdA errichtet. Beide verfügten bereits über eine wirkungsvolle Stickstoffelimination und wurden zur Abrundung der Ergebnisse in die Untersuchungen mit aufgenommen.

An den ausgewählten Standorten wurden die Daten als Tagesganglinie im Zulauf der Belebungsbecken, in den Reaktoren und in der Nachklärung in der 2-h-Mischprobe ermittelt. Weiterhin wurde die Vorgeschichte der Beprobung der Tagesganglinie als 24-h-Mischprobe im Zulauf und Ablauf (2-3 Tage) zur Beschreibung der mittleren Belastung aufgezeichnet. Mit Hilfe der Analysen können das Reinigungsvermögen der untersuchten Kläranlage zum Zeitpunkt der Beprobung festgestellt und Kenngrößen der Kläranlage (aktuelles Schlammalter, Überschussschlammanfall, k_La-Wert) verifiziert werden. Gleichzeitig wurden die Ausgangsgrößen für die dynamische Simulation ermittelt. Tabelle 3 zeigt einen Überblick über die durchgeführten Messungen.

Verfahrensmöglichkeiten zum Stufenausbau als Beispiel

Die wichtigsten Möglichkeiten zum Stufenausbau sind mit Angabe von Prioritäten in Tabelle 12 aufgezeigt.

Anlagenteile der Priorität 1 sind demzufolge notwendig für die Erreichung der geforderten Überwachungswerte bezüglich CSB und BSB₅ der Verwaltungsvorschrift StAdA. Mit Maßnahmen der Priorität 2 können die weitergehenden Überwachungswerte der Abwasserverordnung realisiert werden. Maßnahmen der Priorität 3 sind nicht zwingend für die Einhaltung der Überwachungswerte erforderlich, bewirken jedoch ein verbessertes Schlammmanagement und Betriebskosteneinsparungen. Gleichzeitig ergeben sich dadurch veränderte Nährstoffverhältnisse hinsichtlich BSB₅/N und BSB₅/P, die sich auch negativ auswirken können.

Die in Tabelle 12 dargestellten Verfahrensstufen können auch als Kombination von Belebungs- und Festbettanlagen ausgeführt werden.
Nachfolgend werden exemplarisch wichtige Verfahrensvarianten dargestellt.

Variante 1

Eine Möglichkeit des stufenweisen Ausbaus von Kläranlagen besteht darin, in einer ersten Ausbaustufe den Teil der mechanischen Reinigungsstufe ohne Vorklärbecken, die Belebungsbecken zur biologischen Grundreinigung mit einem Mindestschlammalter gemäß den Ergebnissen der Untersuchungen in Pkt. 4.4, die Nachklärbecken und eine Frischschlammkonditionierung und -entwässerung zu errichten (Abbildung 17).

 Der Endausbau nach Priorität 2, Tabelle 12, als einstufiges Belebungsverfahren sieht die Erweiterung der mechanischen Reinigungsstufe mit Vorklärbecken, der biologischen Stufe mit Nitrifikation, Denitrifikation und chemischer Phosphatfällung und die Errichtung einer mesophilen Schlammfaulung vor (Abbildung 18). Die Abstimmung der Belebungsbeckenvolumina in der ersten Ausbaustufe und im Endausbau ist abhängig von der Abwasserbeschaffenheit sowie örtlichen und bautechnischen Gegebenheiten. So muss zunächst der Einfluss der Vorklärbecken auf die Überschussschlammproduktion und dem sich ergebenden Schlammvolumenindex ermittelt werden. Die Beeinflussung durch Verringerung der organischen Kohlenstofffracht kann bei einstündiger Vorklärzeit mit rd. 40 % angenommen werden. Die Auswirkungen im Endausbau zu realisierender Reinigungsmaßnahmen zur P-Elimination und Stickstoffelimination heben zum Teil die negativen Auswirkungen der Nachrüstung eines Vorklärbeckens auf die Schlammabsetzeigenschaften trotz des Mehrschlammanfalles auf und werden deshalb nicht berücksichtigt. Die Einflussnahme der Stickstoffrückbelastung aus der Schlammfaulung wird für den Endausbau beachtet. Wird nunmehr beispielhaft von 15 d Schlammalter ausgegangen, das für die Gewährleistung der Mindestanforderungen nach Abwasserverordnung notwendig ist, ergeben sich Schlammalter von

15 d · 0,4 = 6 d  -> 9 d.

Demnach ist die Entscheidung zu treffen, inwieweit in der ersten Ausbaustufe nur ein Belebungsbeckenvolumen zur Einhaltung von rd. 9/2 = 4,5 d Schlammalter (Nachweis der Einhaltung der Überwachungswerte nach Verwaltungsvorschrift StAdA erforderlich) oder sofort ein Belebungsbeckenvolumen zur Einhaltung eines Schlammalters von 9 d, das dann eine Nitrifikation und zumindest in der warmen Jahreszeit eine Teildenitrifikation gewährleisten würde, zu errichten ist. Diese Entscheidung muss am jeweiligen Standort getroffen werden und wird ausschließlich von bautechnischen Gesichtspunkten und der Sicherheit der Einschätzung des Prognosezeitraumes bestimmt. Die bautechnisch günstigere Ausbauvariante wird häufig die sein, die Belebungsbecken einschließlich Leitungsführung für Rücklaufschlamm usw. für die im Beispiel angenommenen 9 d Schlammalter bereits in der ersten Ausbaustufe zu errichten. Der Endausbau würde dann Abbildung 18 entsprechen.

Ist die Aussage zur Entwicklung des Einzugsgebietes der Kläranlage unklar, sind weitere Möglichkeiten des Stufenausbaus, z.B. durch Errichtung einzelner Behandlungsstraßen, notwendig. Es sei darauf verwiesen, dass von besonders großer Bedeutung für den Kläranlagenausbau die am jeweiligem Standort gegebene Schlammentsorgung is

Des Weiteren können im konkreten Fall z.B. auch zweistufige Belebungsverfahren von Vorteil sein. Auch ist die Wahl des Verfahrens zur Stickstoffelimination sehr wichtig. Hierzu ist generell festzustellen, dass z.B. bei simultaner oder auch intermittierender Nitrifikation/Denitrifikation die hohe Variabilität in der Betriebsführung von Vorteil ist. Außerdem sind in die Überlegungen die in Tabelle 12 aufgeführten Prioritäten 3, dabei insbesondere die Integration einer biologischen Phosphatelimination, zu berücksichtigen. Schließlich ist im Rahmen der vorgesehenen Verfahrensführung korrekterweise die Einschätzung des Schlammindexes notwendig, der von großem Einfluss sein kann. Die Ausführungen unterstreichen, dass es sehr schwierig ist, generelle Vorzugslösungen vorzugeben. Es wird deutlich, dass eine sehr hohe Fachkompetenz aller am Bau Beteiligten entscheidend für eine optimale Lösung ist.

Variante 2

Eine zweite grundsätzliche Möglichkeit des Ausbaus von Kläranlagen besteht darin, in einer ersten Ausbaustufe wie bei Variante 1 den Teil der mechanischen Reinigungsstufe ohne Vorklärbecken, die Belebungsbecken mit simultaner aerober Schlammstabilisierung, die Nachklärbecken und die Schlammstapelung und Schlammentwässerung (bei kleinen Kläranlagen ggf. durch mobile Entwässerung) zu errichten (Abbildung 19).

Im Gegensatz zu Variante 1 wird das Belebungsbeckenvolumen wesentlich größer (Schlammalter 25 d statt 4,5 bzw. 9 d bei Variante 1). Allerdings ist auch die Anpassung an höhere Zulauffrachten leichter, da das Schlammalter kaum zum begrenzenden Faktor für die Stickstoffelimination wird und der nicht mehr gewährleistete Stabilisierungsgrad durch eine Schlammkonditionierung mit Kalk erreicht werden kann. Die Erweiterung muss gemäß Variante 1 erfolgen, wenn die Zulauffrachten wie folgt erreicht werden:

25 d    Schlammalter

+ 6 d    Schlammalter durch Bau der Vorklärung

-15 d    erforderliches Schlammalter zur Einhaltung der Mindestanforderungen

= 16 d    entspricht einer Frachterhöhung um rd. 100 %

Damit geht im Regelfall eine Erhöhung der hydraulischen Belastung einher, so dass neben dem Bau von Vorklärbecken und der Schlammfaulung auch das Nachklärbeckenvolumen mindestens verdoppelt werden muss (Abbildung 20).

Besonders schwierig sind bei diesem Ausbaukonzept die sehr unterschiedlichen hydraulischen Belastungen. Grundsätzlich gelten für diese Ausbauvariante die gleichen Hinweise wie unter Variante 1 aufgeführt. Es ist zusammenfassend einzuschätzen, dass es sich bei Variante 1 um ein Anwendungsbeispiel handelt, bei dem die Möglichkeiten der Verwaltungsvorschrift StAdA in Bezug auf die Forderungen an die Ablaufwerte voll genutzt werden und gleichzeitig Unsicherheiten zur Entwicklung des Einzugsgebietes im Perspektivzeitraum in Grenzen gehalten werden. Sollte sich tatsächlich eine spürbar höhere hydraulische Belastung bzw. Fracht einstellen, muss eine zusätzliche Abwasserbehandlungsstraße vorgesehen werden. Variante 2 bietet sich als Vorzugsvariante an, wenn infolge der Größe der Kläranlage auf der Grundlage von Variantenuntersuchungen eine simultane aerobe Schlammstabilisierung gegenüber einer Schlammfaulung Vorteile aufweist. Bei einer spürbaren Erhöhung der Zulauffrachten (siehe Beispiel) kann dann nach den gleichen Gesichtspunkten wie in Variante 1 ausgeführt eine Erweiterung erfolgen. Der Vorteil dieser Variante besteht in der höheren Variabilität in Bezug auf die Anschlusswerte.

Die beiden angeführten Beispiele gehen grundsätzlich von mindestens doppelter Beckenanordnung aus. Darüber hinaus ist es gemäß Hinweisen der Verwaltungsvorschrift StAdA sinnvoll, in Abhängigkeit von der Größe der Kläranlage einen straßenweisen Ausbau unter Fortschreiten des kanaltechnischen Anschlusses von Teilgebieten vorzunehmen.

Der Ausbau der Kläranlage in Straßen kann über die errichtete Anzahl an Beckeneinheiten für Nitrifikation/Denitrifikation und ggf. der Nachklärbecken erfolgen. Dies gilt unabhängig davon, ob als Verfahren die vorgeschaltete oder simultane Denitrifikation gewählt wurde. Alle anderen Anlagenteile sollten für den Endausbau errichtet werden. Da die Anzahl der Straßen stark in die Investitionskosten eingeht, kann kaum von der in Punkt 6.a), StAdA, vorgeschlagenen Anzahl nach oben abgewichen werden. Eine Reduzierung ist nur mit Einschränkungen in der Betriebs- und Havariesicherheit möglich. Das im stufenweisen Ausbau zu errichtende Volumen ergibt sich somit zwangsläufig als Vielfaches von "Gesamtvolumen im Endausbau"/"Anzahl der im Endausbau zu errichtenden Stufen". Gleiches gilt für das erreichbare Gesamtschlammalter. Somit stehen prinzipiell die in Tabelle 13 aufgeführten Möglichkeiten zur Verfügung.

Daraus wird ersichtlich, dass nur in wenigen Fällen eine Auslegung für Schlammalter < 5 d in der ersten Ausbaustufe überhaupt in Betracht kommt. In allen Fällen bestehen Möglichkeiten zu einem Ausbau der ersten Stufe auf wenigstens 6 Tage Gesamtschlammalter. Diese sollten bevorzugt werden.

Völlig unproblematisch im Hinblick auf die Ablaufkonzentrationen stellt sich die Situation bei vorgesehenem Endausbau auf 25 Tage Schlammalter (simultane aerobe Schlammstabilisierung) dar.

Zusammenfassung

Im Rahmen der Untersuchungen zur Anwendung der dynamischen Simulation zur Optimierung des stufenweisen Ausbaus von Kläranlagen liegen nunmehr umfangreiche Ergebnisse zum Dresdner Abwasser und zu fünf weiteren Kläranlagen vor. Die Übertragbarkeit der Ergebnisse ist im wesentlichen bei vorwiegend kommunaler Abwasserzusammensetzung mit den unter Punkt 4 und 5 angegebenen Einschränkungen möglich. Dabei ist zu berücksichtigen, dass die Simulation immer für den ungünstigsten ermittelten Fall erfolgte und somit im Regelfall praktisch günstigere Ablaufwerte erhalten werden.

Besonders wichtig ist es, dass im Rahmen des Stufenausbaus der Kläranlage eine hohe Flexibilität der wichtigsten Betriebsparameter gewährleistet ist. Die entscheidenden Einflüsse, die nicht durch die Simulation erfasst werden, jedoch enorme praktische Auswirkungen haben, sind die ausreichende Sauerstoffzuführung und die Verhinderung von Blähschlamm. Der Vergleich der Ergebnisse der dynamischen Simulation mit den Ergebnissen nach der Bemessungsrichtlinie A 131 zeigt auch nach Auswertung der fünf Kläranlagen, dass sowohl der Stoßfaktor f_C als auch das empfohlene Schlammalter im A 131 für nicht nitrifizierende Kläranlagen nicht in jedem Fall ausreichend sind.

Eine Kosten-Nutzen-Analyse ist nur am konkreten Standort im Rahmen des Ausschreibungsverfahrens möglich. Auf wichtige Zusammenhänge zum Stufenausbau von Kläranlagen und auf die wichtigsten Grundvarianten mit Hinweisen zum Einsatz wird unter Punkt 5.6 eingegangen.
 

Schlagwörter

Belebtschlammverfahren, Stickstoffelimination, Nitrifikation, Denitrifikation, Kohlenstoffelimination, Bemessung, dynamische Simulation