Diplomarbeit_FH_Mainz_Kurtz

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Diplomarbeit_FH_Mainz_Kurtz

  1. 1. Fachhochschule Mainz University of Applied Sciences Fachbereich I Die Bemessung von Belebungsanlagen: ein Vergleich von Spanien und Deutschland Diplomarbeit Betreuung: Prof. Dr.-Ing. Günter Riegler Bearbeitung: Miguel García Hernández Mainz, Januar 2005
  2. 2. II Inhalt Seite Agradecimientos I Inhaltsverzeichnis II Verzeichnis der Abkürzungen und Indes IV Verzeichnis der Bilder VI Verzeichnis der Tabellen VII 1 Einleitung 1 1.1 Vergangenheit 1 1.1.1 Lage in Deutschland 3 1.1.2 Lage in Spanien 3 1.2 Unterschiede in Umweltbelangen 5 1.2.1 Sozialfaktoren 5 1.2.2 Stadtplanung 5 1.2.3 Geschäftliche und industrielle Merkmale 6 1.2.4 Klimafaktoren 7 1.3 Ziel dieser Ausarbeitung 11 2 Ansatz der Angabe 12 2.1 Charakterisierung des Abwassers 12 2.2 Die „Deutschen Methode“ 13 2.2.1 Ausgangsdaten 13 2.2.2 Schritte der Behandlung 14 2.3 Die „Spanischen Methode“ 15 2.3.1 Ausgangsdaten 15 2.3.2 Schritte der Behandlung 18 2.4 Gesetzliche Anforderungen 19 2.4.1 Deutsche Gesetzgebung 19 2.4.2 Spanische Gesetzgebung 20 3 Lösung des Aufgabe 23 3.1 Kläranlage A 23
  3. 3. III 3.1.1 Rechen 24 3.1.2 Sand und Fettfänge 24 3.1.3 Vorklärungsbecken 24 3.1.4 Nachklärungsbecken 25 3.1.5 Belebungsbecken 26 3.1.6 Schlammbehandlung 32 3.2 Kläranlage B 34 3.2.1 Vorklärbecken 34 3.2.2 Belebungsbecken 37 3.2.3 Nachklärungsbecken 42 3.3 Kläranlage C 44 3.4 Kläranlage D 44 4 Ergebnisse 45 5 Zusammenfassung 52 6 Literaturverzeichnis 54 7 Anhang 56
  4. 4. IV Verzeichnis der Abkürzungen und Indizes Abkurzungen A Ablauf BB Belebungsbecken d.h. Das heißt DM „Deutschen Methode“ NK Nachklärung PS Primarschlamm SM „Spanischen Methode“ SS Sekundärschlamm VK Vorklärung Z Zulauf Allgemein Buchstaben Einheit A Fläche m² B Belastung kg/d BSB5 Biologischer Sauerstoffbedarf in 5 Tagen mg/l Cx Konzentration des Parameters X mg/l CSB Chemischer Sauerstoffbedarf mg/l E Einwohners h Fe Eisen --- h Tiefe m ISV Schlammindex ml/g N Elementar Stickstoff --- N2 Molekular Stickstoff --- Nges Gesamt Stickstoff ml/g NO3 - Nitrat ml/g NH4 + Amonium ml/g OV Sauerstoffverbrauch kg/d P Phosphor --- Pges Gesamt Phosphor ml/g Q Wassermenge m³/h T Abwassertemperatur °C TKN Totaler Kjeldahl Stickstoff ml/g t Aufenthaltszeit d TS Abfiltriebare Stoffe mg/l V Volumen m³ „Deutschen Berechnungs-Methode“ Einheit
  5. 5. V D Denitrifikation --- fC Zusätzlicher Stoßfaktor für maximale Kohlenstoffbelastung --- fN Zusätzlicher Stoßfaktor für max. Stickstoffbelastung --- KS Rezirkulationkreislauf --- N Nitrifikation OV Qt,x Trockenwetterabfluss in der Bemessungsstunde m³/h S Konzentration in homogenisierten Probe mg/l tTS Schlammalter d β Faktor für die Korrektur der Metallsalztfällung mol Me / mol P „Spanischen Berechnungs-Methode“ b Endogene Atmung (Respiracion endógena) d-1 C Konzentration mg/l Cs Masse Belastung (Carga superficial) m³ / m² h Csol Festkörperkonzentration mg/l Csv Belastung auf verschütter (Carga sobre vertedero) m³ / m h f Tot-Biomasse Verhältnis (Fraccion de biomasa inerte) --- FK Aufgefangene Festkörper --- K Semi-Sättigung Konstant (Cte. de semisaturacion) g/m³ L Löslichkeit --- S CSB-Konzentration mg CSB/l X Zellen-Konzentration mg Zellen/l XA Autotrophebakterie Konzentration mg/l XAI Toten Autotrophebakterie Konzentration mg/l XH Heterotrophebakterie Konzentration mg/l XHI Toten Heterotrophebakterie Konzentration mg/l MO Sauerstoffbedarf kg/h Qmax Maximum Täglichwassermenge m³/h Qmed Medium Täglichwassermenge m³/h QΔX Schlammproduktion kg/d Qw,P Überschussschlammwassermenge m³/d tT Aufenthaltszeit d tT,Zelle Aufenthaltszeit der Zellen d Y Maximaler Produktionskoeffizient --- μ Zellenwachstumsgeschwindigkeit d-1
  6. 6. VI Verzeichnis der Bilder Seite Bild 1-1 Beispiel einer Zugangslinie zwei unterschiedlicher Städten: einer industriell und einer gewerblich geprägten Stadt (eigene Darstellung) 7 Bild 1-2 Herkunft des Abwassers in nordeuropäische Länder im Zulauf zu den Kläranlagen 10 Bild 2-1 Schema einer Kläranlage mit biologischer Stickstoffelimination (Kläranlagen A und C) 15 Bild 2-2 Schema der Kläranlage mit Nitrifikationsprozess (Kläranlagen B und D) 19 Bild 2-3 Karte von der Umgebung Valencias mit dem Naturschutzgebiet l’Albufera 22 Bild 4-1 Schema mit Stellen für die Kläranlagen A und C (links) und B und D (rechts) 45
  7. 7. VII Verzeichnis der Tabellen Seite Tabelle 1-1 Wichtigste klimatologische Parameter für das Klima in Frankfurt/M-Flughafen (N: 50° 03‘ ,O: 8° 36‘, h = 111 m) 8 Tabelle 1-2 Wichtigste klimatologische Parameter für das Klima in València / Els Vivers (N: 39° 29‘ ,W: 0° 23‘, h = 11 m) 9 Tabelle 2-1 Grundmerkmale des Abwasser 12 Tabelle 2-2 Weitere Merkmale des Abwasser 12 Tabelle 2-3 Abwassertemperatur in Deutschland und in Ostspanien 13 Tabelle 2-4 Merkmale eines typisch spanischen Abwassern 17 Tabelle 2-5 Deutsche Abwasserordnung (AbwV) vom 21.03.1997 20 Tabelle 2-6 Spanisches Abwassergesetz 21 Tabelle 3-1 Schmutzfrachten des Rohabwasser und in Ablauf des Vorklärungsbecken 26 Tabelle 3-2 Schlammproduktion aus der Kohlenstoffelimination, bezogen aus BSB5 28 Tabelle 3-3 Dimensionen des Belebungsbeckens für Mainz berechnet mit der „Deutschen Methode“ 29 Tabelle 3-4 OVC,BSB-Wert 30 Tabelle 3-5 Minimales Rückführverhältnis 32 Tabelle 3-6 Abwasserqualität nach dem Vorklärungsbecken mit der „Spanischen Methode“ 36 Tabelle 3-7 Biokinetikparameter 39 Tabelle 3-8 Berechnung der Nachklärungsbeckenfläche 43 Tabelle 4-1 Abwassermenge im Zulauf der Kläranlagen 46 Tabelle 4-2 Wasserqualität im Zulauf der Kläranlagen 46 Tabelle 4-3 Wasserqualität im Ablauf des Vorklärungsbecken 47
  8. 8. VIII Tabelle 4-4 Wasserqualität in Ablauf der Kläranlage 48 Tabelle 4-5 Schlammstellen der Kläranlagen 49 Tabelle 4-6 Dimensionen des Elementen des Kläranlagen 51
  9. 9. Diplomarbeit: Miguel García Hernández 1 1 Einleitung Diese Arbeit fokussiert die Hauptunterschiede der Abwasserbehandlung in Deutschland und Spanien. Die Unterschiede werden nicht in der Behandlungsmethode gefunden, weil die Grundtechnologie in beiden Ländern identisch ist. Sondern sie werden im Zusammenhang mit der Umwelt gesehen. Die Suche nach Unterschieden zwischen den Umweltbedingungen und den Berechnungsmethoden werden folglich der Kern dieser Arbeit sein. 1.1 Vergangenheit Man kann in jeder Veröffentlichung finden, wie wichtig das Wasser zum Leben ist. Wasser ist unumgänglich für jedes Lebewesen als: Lösungsmittel von Flüssigkeiten des Organismus, Träger von chemischen Reaktionen, Hauptkomponente der meisten Gewebe, Wärmeregler usw. [ARNAL VADEROL, 1984]. Darum ist Wasser das erste und wichtigste Lebensmittel (ohne Wasser, kein Leben). Auch für den Menschen spielt Wasser eine besondere Rolle. Das Wasser ist eine Hauptsäule unseres Lebensmodells. Wir benutzen das Wasser als [RIEGLER, Skript]: • Lebensmittel: wir brauchen Wasser von hoher Qualität als Feuchtigkeitsmittel für den Körper des Menschen. • Lebensraum: im Wasser leben Fische, Weichtiere, Krebstiere, usw., die sehr wichtige Lebensmittel für den Menschen sind. • Optimierung der Nahrungstechnologie: durch Bewässerung ist es möglich, Pflanzen, die viel Wasser brauchen, auch an trockenen und sonnigen Orten anzubauen. Durch Bewässerung ist es möglich, die Leistung in der Landwirtschaft zu verbessern. • Reinigungsmittel: die Menschen benutzen das Wasser zum Spülen, Waschen, Duschen, usw. Dieser Punkt erlaubt Ballungsgebiete zu gründen, die frei von Krankheiten sind. • Rohstoff oder Bestandteil von vielen Herstellungsverfahren. • Erholungs- und Freizeitraum: Menschen lieben Wasser als Zeitvertreib. Menschen machen oft Urlaub am Meer und genießen das Wasser auch zum Fischen, Schifffahren, Schwimmen, usw. Aber nach einer Benutzung, erwirbt das Wasser ein „gefährliches“ Merkmal für:
  10. 10. Diplomarbeit: Miguel García Hernández 45 4 Ergebnisse In diesem Kapitel werden die wichtigsten Resultate dieser Arbeit erläutert: • Abwassermenge, die in die KA eingeführt wird • Qualität des Wassers: o beim Eingang in die KA o nach der VK und o beim Ausgang aus der KA • Schlammstellen • Dimensionierung der einzelnen Komponenten einer KA Die verschiedenen Ergebnisse werden mit einer kurzen Erläuterung versehen. Bild 4-1 zeigt ein Schema mit den einzelnen Elementen der KA. Die Nummern und Buchstaben in der Abbildung helfen, die unterschiedlichen Wasser- und Schlammströme zu identifizieren. Bild 4-1: Schema mit Stellen für die Kläranlagen A und C (links) und B und D (rechts)
  11. 11. Diplomarbeit: Miguel García Hernández 46 In der Tabelle 4-1 sind die unterschiedlichen Wassermengen im Zulauf der Kläranlagen für die beiden Fälle dargestellt. Tabelle 4-1: Abwassermenge im Zulauf der Kläranlagen. Wassermenge KA A und C KA B und D Qt,d / Qmed 150000 m³/d 6250 m³/h 150000 m³/d 6250 m³/h Qt,16= 225000 m³/d 9375 m³/h - - - m³/d - - - m³/h Qmax= 483333 m³/d 20139 m³/h 192127 m³/d 8005 m³/h Die folgende Tafel (Tabelle 4-2) fasst die Wasserqualität des in die KA eingeleiteten Abwassers zusammen. Es werden die Konzentration [mg/l] und Belastung [kg/d] aufgezeigt. Tabelle 4-2: Wasserqualität im Zulauf der Kläranlagen. Wasserqualität Stelle 1 [mg/l] Cd, CSB,ZKA Cd, BSB,ZKA Cd, TKN,ZKA Cd, Pges,ZKA Cd, TS,ZKA [mg/l] 750 300 60 15 300 [kg/d] 112500 45000 9000 2250 45000 Die Tabelle 4-3 zeigt die Wasserqualität beim Verlassen des Vorklärungsbeckens. Hier wird der erste Unterschied zwischen den beiden angewendeten Berechungsmethoden deutlich: • Mit der „Spanischen Methode” sind die Konzentrationen geringer, weil das Becken für eine hydraulische Aufenthaltszeit von 2,5 h berechnet wurde. • Das Wasser aus dem Becken, das mit der „Deutschen Methode“ berechnet wurde, hat höhere Konzentrationen, da es mit einer hydraulischen Aufenthaltszeit von nur 0,6 h berechnet wurde.
  12. 12. Diplomarbeit: Miguel García Hernández 47 Diese unterschiedliche Aufenthaltszeit im Vorklärungsbecken ist bedingt durch die anschließenden Nitrifikations- und Denitrifikationprozesse, die in der “Deutschen Methode” Anwendung finden. Eine längere hydraulische Aufenthaltzeit im Vorklärungsbecken reduziert also die Konzentration von Schadstoffen des Abwassers, das das Vorklärungsbecken verlässt. Tabelle 4-3 : Wasserqualität im Ablauf des Vorklärungsbecken. Wasserqualität Stelle 2 [mg/l] Cd, CSB,AV Cd, BSB,AV Cd, TKN,AV Cd, Pges,AV Cd, TS,AV KA A und C 563 225 59 15 150 KA B und D 480 192 47 12 120 Die Ergebnisse, die in Tabelle 4-4 aufgeführt sind, sind die vielleicht wichtigsten, weil sie die Qualität des Wassers, das die KA verlässt beschreiben. Die Kläranlagen A und C (berechnet mit der “Deutschen Methode”) erfüllen die gesetzlichen geforderten Kriterien sowohl in Deutschland als auch in Spanien. Mit dieser Berechnungsmethode dimensionierte KA erfüllen in der Regel immer die gesetzlich vorgeschriebenen Qualitätsbestimmungen für das Ablaufwasser einer solchen Anlage. Die “Deutschen Methode” berücksichtigt allerdings nur eine maximale Wassertemperatur von 20°C. In València kann diese durchaus auf 25°C ansteigen. Aus diesem Grund könnte es zu Störungen in der KA kommen, und es ist empfehlenswert, die Qualität des ablaufenden Wassers zu kontrollieren. Bezogen auf die Kläranlagen, die mit der “Spanischen Methode” berechnet wurden, gibt mehrere Punkte zu erläutern. Diese Erläuterung erfolgt getrennt nach Kläranlagenstandort. • Die Qualität des Anlaufwasser der Kläranlage B (Mainz) erfüllt keine der im deutschen Gesetz festgehaltenen Anforderung. Weder die Grenzwerte für CSB y BSB5, noch die Nährstoffverringerung von P und N werden in dieser KA erreicht, da diese Berechungsmethode auf der Basis einer weniger strengen Gesetzgebung entwickelt wurde und eine Nährstoffverringerung gar nicht vorgesehen ist. • Die Qualität des Ablaufwassers der Kläranlage D erfüllt auch nicht die gesetzlichen Bestimmungen. Zwar werden die Kriterien zur Reduzierung von CSB,
  13. 13. Diplomarbeit: Miguel García Hernández 52 5 Zusammenfassung Nach einer tiefsinnigen Untersuchung der einzelnen Aspekte, die einen Unterschied bewirken, sind zwei Variablen wesentlich: • Das Klima: Sprechen wir über die Klimatologie, so ist die Temperatur die Haupt- variable. Da der Reinigungsprozess aus der biologischen Degradation der organischen Stoffe besteht, dessen Geschwindigkeit direkt von der Abwassertemperatur abhängt, kann man folgern, dass die Abwassertemperatur einen großen Einfluss auf den Prozess hat. Dies macht sich bemerkbar o in der unterschiedlichen Größe der Anlagen, die von dem Mittelwert der Abwassertemperatur des Ort, wo die Kläranlage steht, abhängt und o in der Qualität des Ablaufwassers, die von der Maximal- und Minimalabwassertemperatur abhängt (siehe Tabelle 4-4). • Berechnungsmethode: die Methoden haben unterschiedliche Berechnungsgrundlagen, die die Ergebnisse einer Berechnung direkt beeinflussen. Im Anschluss werden die beiden Methoden getrennt voneinander betrachtet: o „Deutsche Methode“: Diese Berechnungsmethode es ist praxisorientierter als die „Spanische Methode“, da sie auf die Erfahrungen im Betrieb von anderen Kläranlagen basiert. Im Laufe des Berechnungsprozesses benutzt man häufig Tabellen, die auf Untersuchungen und Erfahrungen im Betrieb von anderen schon existierenden Kläranlagen aufbauen. Diese Methode ist also ein Modell, in dem sich die Entwicklung von Daten auf die Erfahrungen von anderen Kläranlagen begründet.
  14. 14. Diplomarbeit: Miguel García Hernández 53 Bezüglich der Schritte der Behandlung ist es eine weiterentwickelte, fortschrittlichere Methode als die „Spanischen Methode“, da es das Ziel ist, neben der Reduzierung des Sauerstoffbedarfs (CSB und BSB5) und TS auch eine Entfernung der Nährungsstoffe (biologische Entfernung des Stickstoffs und Phosphorablagerung durch Eisensulphatzusatz) zu erreichen. o „Spanische Methode“: Diese Berechnungsmethode ist eher eine analytische Methode, eine Kläranlage zu berechnen. Es werden mehr Berechnungen und mehr Formeln, durchgeführt. Zudem haben Erfahrungen, die im Laufe der Jahre gesammelt werden konnten, wenig Einfluss auf diese Berechnungsmethode. Bezüglich der Schritte der Behandlung ist es ein veraltetes Modell, weil zu einen weniger effektiv ist, was den Sauerstoffbedarf und TS-Reduzierung betrifft, und zum anderen nicht die Entfernung von Nährstoffen aus dem Abwasser erreicht. Diese Methode wäre sinnvoll, wenn das nach den Richtlinien gesäuberte Abwasser in ökologisch unsensible Gebiete geleitet werden kann. Dieses Wasser könnte z.B. direkt für Pflanzenbewässerung eingesetzt werden. Die Nährstoffe fungierten dann als Dünger für die Pflanzen. Für den vorliegenden Fall einer Kläranlage für die Stadt Valencia sollte diese Methode allerdings bezüglich der Nährstoffverringerung verbessert bzw. erweitert werden.
  15. 15. Diplomarbeit: Miguel García Hernández 54 6 Literaturverzeichnis • Buch: ARNAL VADEROL, A: Biología genera. (Editorial Universitat de Barcelona). BEVER, J. et al. (2002): Weitergehende Abwasserreinigung. 4. Auflage (Oldenbourg Industrieverlag). FERRER POLO, J. et SECO TORRECILLAS, A (2001): Tratamiento de Aguas. Tomo I:Introducción al Tratamiento de Aguas (Editorial U.P.V.). FERRER POLO, J. et SECO TORRECILLAS, A (2001): Tratamiento de Aguas. Tomo II:Métodos Físicos y Químicos (Editorial U.P.V.). FERRER POLO, J. et SECO TORRECILLAS, A (2002): Tratamientos Biológicos de Aguas Residuales (Editorial U.P.V.). GUJER, W. (1999): Siedlungswasserwirtschaft (Springer-Verlag). MENDOZA ROCA, J.A. (2001): Depuración Biológica de Aguas Residuales (Editorial U.P.V.). RIEGLER, G. (2004): Bautabellen für Ingenieure, Abteil 13 D: Abwasserreinigung und Schlammbehandlung. 16 Aufl. (Werner Verlag). RIEGLER, G.: Skript Siedlungswasserwirtschaft (Fachhochschule-Mainz). RIEGLER G. et FALTER, B. (2004): Bautabellen für Ingenieure, Abteil 13 C: Kanalisati,on. 16 Aufl (Werner Verlag). • Webseite: WWW.INE.ES: Instituto nacional de estadística WWW.GENCAT.ES: Generalitat de Catalunya WWW.GLOBALBIOCLIMATICS.ORG: University Complutense of Madrid and Phytosociological Research Center WWW.GVA.ES: Generalitat Valenciana WWW.RAMSAR.ORG: Ramsar Convention on Wetlands: • Gesetz/Verordnung: AbwV: Deutschen Abwasserverordnung vom 31.03.1997 BOE 166: PNLD Plan Nacional de Lodos de Depuradoras de Aguas Residuales-EDAR - (2001-2006) pág 25298, del 12 de Julio de 2001.
  16. 16. Diplomarbeit: Miguel García Hernández 55 DOGV nº 1761: Ley 2/1992, de 26 de marzo, de Saneamiento de las aguas residuales de la Comunidad Valenciana, del 08.04.92. • Dokumenten GENERALITAT VALENCIANA, COPUT (1993): Atlas Climàtic de la Comunitat Valenciana [1961-1990]. MINISTERIO DE MEDIO AMBIENTE (1998): Libro Blanco del Agua en España.
  17. 17. Diplomarbeit: Miguel García Hernández 56 7 Anhang Berechnungen

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