Entwässerung von Klärschlämmen

Inhaltsverzeichnis

Vorwort

1. Einleitung

2. theoretische Grundlagen
2.1 Grundbegriffe der Abwassertechnik
2.1.1 Charakterisierung von Klärschlämmen
2.1.2 Schlammbeschaffenheit und Kenngrößen
2.2 Verfahrenskette der Abwassereinigung
2.2.1 mechanische Reinigung
2.2.2 biologische Reinigung
2.2.3 Abtrennung des Schlammwassers
2.3 Grundlagen der Fest - Flüssigtrennung durch Filtration
2.3.1 Filtrationsverfahren
2.3.2 Theorie der Kuchenfiltration
2.3.3 Bestimmung der Filtrierbarkeit
2.3.4 Einfluss der Agglomeration auf die Filtrierbarkeit von Suspensionen

3. Verfahrenskette der Kläranlage Saarbrücken-Burbach
3.1 Mechanische Reinigung
3.2 Biologische Reinigung
3.3 Schlammbehandlung

4. Material und Methode
4.1 Optimierung der Schlammkonditionierung auf der Basis von Filtrationsversuchen im Labormaßstab
4.2 Beurteilung der alternativen Konditionierungen im halbtechnischen Versuch
4.2.1 Versuchsanordnung
4.2.2 Scale down
4.3 Großtechnische Filtrationsversuche

5. Ergebnisse
5.1 Ergebnisse der Laborversuche
5.1.1 Verbesserung der Klärschlammentwässerung durch den Einsatz von Eisen-III-Chlorid
5.1.2 Optimierung der Klärschlammentwässerung durch die Kombination von Eisenchlorid und Flockungshilfsmittel
5.1.3 Verbesserung des Filtrationsverhaltens durch Längere Faulzeit des Schlammes
5.2 Ergebnisse der halbtechnischen Versuchsreihe
5.2.1 Filterkuchenwiderstand unter Technikumsbedingungen
5.2.2 Erhöhung des Trockensubstanzeintrags durch Verringerung des Abbruchvolumenstroms der Beschickungspumpe
5.2.3 Erreichte TS im Filterkuchen
5.3 Ergebnisse der großtechnischen Versuchsreihe
5.3.1 Filterkuchenwiderstand unter Betriebsbedingungen
5.3.2 Eingebrachtes Schlammvolumen
5.3.3 Erreichte TS im Filterkuchen
5.3.4 Zusammensetzung des Filterkuchens
5.4. Wirtschaftlichkeit der alternativen Schlammkonditionierungen
5.4.1 Verlauf der Kostenfunktion der Schlammkonditionierung in Abhängigkeit vom filtrierten Schlammvolumen Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
5.4.2 Konditionierungs- und Entsorgungskosten bezogen auf die Tonne Trockensubstanz
5.5 Evaluierung von Einsparpotentialen bei der Klärschlammentwässerung
5.5.1 Einsparpotential durch den Einsatz einer Zentrifuge zur Vorentwässerung des Schlammes
5.5.2 Einsparpotential durch verbesserte Konditionierung und Pressparameter
5.5.3 Einsparpotential durch den Einsatz einer Membranfilterpresse
5.5.4 Gesamte Kostenersparnis bezogen auf die Ausgangssituation

6. Diskussion

7. Zusammenfassung

8. Anhang
8.1 Analytik
8.1.1 Bestimmung des Trockenrückstandes
8.1.2 Bestimmung des Glühverlustes
8.1.3 Probenahme am Filterkuchen
8.2 Faulversuch
8.3 Abkürzungen und Symbole
8.4 Literaturverzeichnis
8.5 Abbildungsverzeichnis

Vorwort

Die vorliegende Arbeit entstand während meiner Tätigkeit am Lehrstuhl für biologische Verfahrenstechnik der Hochschule für Technik und Wirtschaft des Saarlandes, in enger Zusammenarbeit mit dem Entsorgungsverband Saar.

Herrn Prof. Dr. rer. nat. Brunner danke ich hiermit sehr herzlich für die wissenschaftliche Betreuung und für die als angenehm empfundene Zusammenarbeit. Durch seine hilfreichen Hinweise und durch zahlreiche gemeinsame Diskussionen hat die Arbeit eine wesentliche Bereicherung erfahren.

Meinen Eltern und allen, die aktiv und passiv zum Gelingen der Arbeit beigetragen haben, gilt mein Dank für ihre Unterstützung.

Saarbrücken im August 2007

Stefan Christian Sauer

1. Einleitung

Die Kläranlage Burbach ist mit 200.000 Einwohnergleichwerten die größte Abwasseranlage im Saarland^[1]. Täglich fallen dort 7.700 kg Überschussschlamm aus der biologischen Stufe und 7000 kg Primärschlamm aus der Vorklärung an, die am Ende ihrer Aufbereitungskette entsorgt werden müssen. Um Klärschlämme dauerhaft entsorgen zu können, werden an deren Beschaffenheit und Eigenschaften zunehmend verschärfte Bedingungen gestellt. Diese beinhalten vor allem die Forderung nach einer weitestgehenden Abtrennung des Wassers von den Schlammfeststoffen. Ziel der Entwässerung ist in erster Linie eine Volumen- und Gewichtsreduzierung des Klärschlammes. Vorraussetzung für eine weitestgehende Abtrennung des Schlammwassers ist eine zielgerichtete Kombination der verfahrenstechnisch optimierten Einzelschritte Eindickung, Konditionierung und Entwässerung^[2]. Unter Konditionierung wird die Behandlung des Schlammes mit organischen oder chemischen Zuschlagsstoffen verstanden, die die Entwässerungseigenschaften des Schlammes entscheidend verbessern. Bekanntlich ist die Bindung des Schlammwassers an die Feststoffe des Schlammes so stark, das eine Entwässerung ohne eine vorherige Konditionierung außerordentlich schwierig und bei den meisten Schlämmen sogar unmöglich ist^[3]. Die Schlammkonditionierung ist generell für alle Schlämme, ob Faul- oder Frischschlamm, gleichermaßen anwendbar, sie muss jedoch stets in der Verbindung mit der sich anschließenden Entwässerung gesehen werden. In der Kläranlage Burbach wird der anfallende Überschussschlamm zunächst mithilfe von Filtersiebtrommeln maschinell eingedickt, bevor er mit dem Primärschlamm vermischt und zur Stabilisierung in die Faultürme geleitet wird. Filtersiebtrommeln, auch Filtertrommelkonzentratoren genannt, sind zylindrische Trommelbehälter welche von außen mit einem Siebgewebe bespannt sind. Zur Eindickung wird der Überschussschlamm in die rotierende Trommel geleitet. Während das freie Schlammwasser durch das Filtergewebe abläuft, verbleiben alle Partikel mit größerer Ausdehnung als die Maschenweite des Siebgewebes in der Trommel und werden mithilfe einer eingebauten Transportschnecke heraus gefördert. Die im Überschussschlamm aggregierten Feststoffpartikel weisen einen Durchmesser von 20 - 200 mm auf^[4]. Damit ein Rückhalt derartig kleiner Partikel mit Hilfe eines Filtersiebes überhaupt möglich ist, wird der Überschussschlamm vor seiner Einleitung in den Konzentrator mit einem organischen Flockungshilfsmittel konditioniert. Durch die Zugabe des Flockungshilfsmittels schließen sich die im Schlamm verteilten Feststoffteilchen zu größeren, flockenartigen Stoffgebilden zusammen, die sich auf diese Weise leicht abtrennen lassen. Nach seiner Stabilisierung im Faulturm wird der Schlamm in einen Nacheindicker gepumpt wo ihm durch die Ausnutzung von Sedimentationsvorgängen weiteres Wasser entzogen wird. Da der Faulschlamm danach noch immer einen sehr hohen Wasseranteil hat, erfolgt anschließend eine maschinelle Entwässerung in einer Kammerfilterpresse. Kammerfilterpressen arbeiten nach dem Prinzip der Oberflächen- und Tiefenfiltration. Während bei der Oberflächenfiltration die Abscheidung des Feststoffes durch die Siebwirkung des Filtertuchs hervorgerufen wird, beruht die Trennwirkung der Tiefenfiltration auf Bindekräften innerhalb des sich ausbildenden Filterkuchens. Der Filterkuchen selbst, entsteht an der Oberfläche der Filtertücher durch die Ansammlung der zurückgehaltenen Feststoffe der angeströmten Schlammsuspension. Dieser wirkt wie ein zweites Filter und ermöglicht die Abtrennung von Feststoffteilchen, welche kleiner als die Porenweite des eigentlichen Filtertuchs sind. Da der Effekt der Tiefenfiltration erst mit steigender Filterkuchendicke auftritt macht sich dies durch den anfänglichen Trüblauf zu Beginn eines Pressvorgangs bemerkbar. Filtertuch und Filterkuchen setzen dem durchströmenden Medium einen Widerstand entgegen. Der Widerstand des Filtermediums bleibt bei der Filtration konstant, während sich der des Filterkuchens mit zunehmender Kuchendicke vergrößert. Die Durchlässigkeit des Filterkuchens ist in erster Linie von der Beschaffenheit des abzuscheidenden Feststoffes abhängig. Klärschlämme der kommunalen Abwasserreinigung haben einen hohen Anteil an organischen Substanzen wie z. B. Fette und Eiweiße. Diese neigen aufgrund ihrer Morphologie dazu die Kapillaren des Filtermittels zu blockieren und keinen durchlässigen Filterkuchen aufzubauen. Daher muss auch hier der Schlamm vor der eigentlichen Filtration mit entsprechenden Konditionierungsmitteln behandelt werden. Durch die Konditionierung des Schlammes schließen sich die suspendierten Feststoffteilchen wieder zu größeren Agglomeraten zusammen. Diese neigen nun nicht mehr zum verstopfen, erhöhen die Porosität und damit auch die Durchlässigkeit des Filterkuchens. Die physikalischen Eigenschaften des entstehenden Filterkuchens (Porosität, Festigkeit etc.) sind maßgeblich für den Entwässerungserfolg verantwortlich und hängen entscheidend von der Wahl der Konditionierungsmittel ab. Als Konditionierungsmittel für kommunale Schlämme kommen sowohl Flockungsmittel, als auch Flockungshilfsmittel zum Einsatz. Flockungsmittel wie z. B. Eisenchlorid, Kalziumhydroxid und Aluminiumsulfat sind koagulante Stoffe, durch deren Zusatz die Koagulation kolloidal gelöster oder sehr fein verteilter, ungelöster Substanzen gefördert wird. Um die durch das Flockungsmittel gebildeten Kleinstflocken zu vergrößern, kann zusätzlich ein Flockungshilfsmittel (FHM) zugesetzt werden. Flockungshilfsmittel sind synthetische oder natürliche Polymere die die Flockenbildung durch Agglomeration oder weitere Koagulation zusätzlich begünstigen. Derzeit werden bei der Schlammentwässerung des Klärwerkes Burbach nur Flockungshilfsmittel zur Konditionierung des Faulschlammes eingesetzt. Auf Basis dieser Konditionierung werden ca. 20% Trockenrückstand im Filterkuchen erreicht. Die Aufwendungen für die Konditionierungsmittel und die Entsorgungskosten belaufen sich zurzeit auf über 966.000 €.

Ziel dieser Arbeit ist die Evaluation von Einsparpotentialen innerhalb der gesamten, zur Schlammentwässerung, angewandten Verfahrenskette der Kläranlage Burbach. Basierend auf einfachen Filtrationsversuchen sollen alternative Schlammkonditionierungen gefunden werden, mithilfe derer ein höherer Entwässerungsgrad des Faulschlammes erreicht werden kann, um auf diese Weise die Entsorgungskosten nachhaltig zu reduzieren. Ferner sind die derzeit angewandten Verfahren zur Eindickung und Entwässerung des Schlammes auf ihre Effizienz zu untersuchen, gegebenenfalls deren Betriebsparameter zu optimieren oder alternative, effizientere Verfahren aufzuzeigen.

2. theoretische Grundlagen

2.1 Grundbegriffe der Abwassertechnik

2.1.1 Charakterisierung von Klärschlämmen

Der Begriff Klärschlamm kennzeichnet alle bei der Abwasserreinigung anfallenden Schlämme, ohne Aussage über ihre Art und Herkunft. Aufgrund der unterschiedlichen Eigenschaften, der in unterschiedlichen Mengen anfallenden Schlämme, ist die Einteilung hinsichtlich ihrer Herkunft zweckmäßig. Demnach sind Klärschlämme aus kommunalen Kläranlagen zunächst in Primär-, Sekundär- und Tertiärschlamm zu differenzieren.

Primärschlamm entsteht in der mechanisch physikalischen Reinigungsstufe durch das Abtrennen von absetzbaren Stoffen aus dem Abwasser. Er enthält meist auch gröbere Teilchen von Fäkalien, Gemüse- und Obstreste, Papier usw. und ist dickbreiig. Er hat einen hohen Anteil an organischen Feststoffen und er geht schnell in stinkende Fäulnis über. Seine Beschaffenheit hängt in erster Linie von Art und Umfang der mechanischen Reinigung (Vorklärung) ab.^[5]

Als Sekundärschlamm wird der in der biologischen Stufe gebildete Zuwachs an belebten Schlamm bezeichnet. Der Zuwachs resultiert aus der Lebenstätigkeit der am Reinigungsprozess beteiligten Mikroorganismen. D.h. organische Stoffe werden von den Mikroorganismen aufgenommen, in Energie umgesetzt und in körpereigene Zellsubstanz umgewandelt.^[6] Belebter Schlamm ist sehr flockig, ohne gröbere Stoffe und somit viel homogener als Primärschlamm. Der Zuwachs (Überschuss) an belebten Schlamm muss dem System entnommen werden, daher ist der Begriff Überschussschlamm ebenfalls gebräuchlich. Generell gilt, dass die eingesetzten Reinigungsverfahren die Menge und die Beschaffenheit der anfallenden Sekundärschlämme wesentlich beeinflussen. Die Vorklärung spielt dabei ebenfalls eine wichtige Rolle. Je besser ihr Wirkungsgrad, desto geringer die Restverschmutzung und somit auch die Sekundärschlammproduktion.

Tertiärschlämm fällt bei der Fällung und Flockung insbesondere als Folge der chemischen Phosphorelimination an. Tertiärschlämme zeichnen sich durch große Flocken aus in denen neben den eigentlichen chemischen Fällungsprodukten in erheblichen Maße auch suspendierte Abwasserinhaltsstoffe mit eingebunden sind. Im weiteren Verlauf ihrer Behandlung werden Klärschlämme nach ihrer Beschaffenheit oder Betriebszustand benannt. Die wichtigsten sollen im Folgenden ebenfalls erläutert werden.

Rohschlamm auch Frischschlamm genannt bezeichnet alle unbehandelten bei der Abwasserreinigung anfallenden Schlämme. Wird der Rohschlamm durch Belüftung aerob stabilisiert, handelt es sich anschließend um aerob stabilisierten Schlamm. Demgegenüber ist Faulschlamm ausgefaulter, also anaerob stabilisierter Schlamm. Gut ausgefaulter Faulschlamm riecht erdig und hat eine schwarze Farbe.

Nassschlamm ist der aus einer anaeroben oder aeroben Stabilisierung abgezogene Schlamm. Durch Eindicken des Nassschlamms entsteht ein immer noch pump- und fließfähiger Dünnschlamm. Wird dieser weiter entwässert entsteht Dickschlamm, welcher stichfest bis breiartig, schmierend ist.

2.1.2 Schlammbeschaffenheit und Kenngrößen Wassergehalt

Je nach Schlammart weisen Klärschlämme unterschiedlich hohe Wassergehalte auf, die zwischen ca. 93% und 99,5% liegen können.^[7] Ursache des hohen Wassergehaltes und des damit zusammenhängenden Aufwandes bei der Schlammentwässerung ist das große Wasserbindevermögen der Klärschlämme. Durch zwischenmolekulare Kräfte besteht zwischen dem Trockenrückstand und dem Schlammwasser eine Bindung. Aufgrund der unterschiedlichen Bindungskräfte wird zunächst zwischen Innen- und Außenflüssigkeit unterschieden. Als Außenflüssigkeit bezeichnet man dabei die Summe aller Flüssigkeiten zwischen den Partikeln des Schlammes. Diese setzt sich entsprechend Abbildung 1 zusammen.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 1: Schematische Darstellung der Restflüssigkeitsanteile 1

a) Innenwasser, b) Haft- Adhäsionswasser, c) Kapillarwasser d) Zwischen- oder Hohlraumwasser

Die jeweilige Menge des gebundenen Wassers und die Intensität der Bindekräfte sind abhängig von der Partikelgrößenverteilung, vom organischen Trockenrückstand, sowie von den Anteilen kolloidaler und gallertartiger Inhaltsstoffe. Diese hängen wiederum von der jeweiligen Abwasserzusammensetzung, sowie der Effizienz und Art der verschiedenen Behandlungsstufen eines Klärwerkes ab.^[8] Abwasserinhaltsstoffe, sowie Kombination und Auslegung der Abwasserreinigung haben immer Auswirkungen auf die Menge und die Beschaffenheit des Klärschlammes Das jeweils spezifische Wasserbindungsvermögen führt zu erheblichen Unterschieden in der Eindickfähigkeit und Entwässerbarkeit der Schlämme. Leschber^[9] gliedert das Schlammwasser nach Art und zunehmender Bindungskraft gemäß Tabelle 1.

Tabelle 1: Arten des Schlammwassers und seine Mengenanteile nach Leschber2

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Eindick- und Absetzeigenschaften

Schlämme geben bei längerem Stehen einen Teil ihres Zwischen- bzw. Hohlraumwassers ab. In Abhängigkeit von der Temperatur (Konvektion) und den ablaufenden biochemischen Prozessen (Gasentwicklung) setzt sich der Schlamm entweder ab, treibt auf oder er bildet kleinere oder größere Wasserräume aus.

Entwässerbarkeit, spezifischer Filtrationswiderstand

Die Entwässerbarkeit ist ein Maß für die Leichtigkeit mit der ein Schlamm unter bestimmten Bedingungen einen Teil seines Wassers abgibt. Infolge eines beträchtlichen Kolloidanteils lässt sich städtischer Schlamm, verglichen mit anderen Schlämmen, je nach seinem Ausfaulgrad nur mittelmäßig (gut ausgefault) bis schlecht (unvollständig ausgefault) entwässern.^[10] Der spezifische Filtrationswiderstand kennzeichnet dabei die Entwässerbarkeit der Klärschlämme durch Filtration. Er ist ein quantitatives Maß für die Fähigkeit von Schlämmen, Wasser unter konstanten Druckverhältnissen abzugeben.^[11] Generell nimmt mit abnehmender Teilchengröße der Filtrationswiderstand zu und die auf die Fläche bezogene, durchgesetzte Flüssigkeitsmenge nimmt ab.^[12] Je kleiner der spezifische Filtrationswiderstand, desto besser die Entwässerbarkeit des Schlammwassers. Ein genormtes Verfahren zur Bestimmung existiert bislang nicht, jedoch werden von Leschber und Niemitz1 Empfehlungen gegeben.

Teilchengrößenverteilung

Die Größenverteilung der im Schlamm suspendierten Feststoffteilchen schwankt in einem so erheblichen Maß, dass sich keine allgemeingültigen zahlenmäßigen Angaben machen lassen. Es kann lediglich festgestellt werden, dass Primärschlämme verhältnismäßig große Anteile an großen und sehr kleinen Teilchen aufweisen, während bei gut ausgefaulten Klärschlämmen die Verteilung homogener ist. Die Ursache liegt dabei in den Vorgängen innerhalb des Faulprozesses. Dort werden gröbere Teilchen durch den Abbau der in ihnen enthaltenen organischen Substanzen zerkleinert. Ferner werden sehr kleine, kolloidale Teile bevorzugt abgebaut und können zu größeren Teilchen koagulieren3. In wissenschaftlich orientierten Arbeiten sind einige Fortschritte in der Frage der Teilchengrößenverteilung von Klärschlämmen erzielt worden. Insbesondere konnte der Einfluss der Konditionierung auf die Kornzusammensetzung im Sinne einer Kornvergrößerung deutlich gemacht werden.^[13]

Trockensubstanz (TS) - Trockenrückstand (TR)

Unter der Trockensubstanz werden alle im Schlamm suspendierten Feststoffe verstanden. Wird dem Schlamm das Wasser thermisch bei 105 °C bis zur Gewichtskonstanz entzogen, spiegeln sich diese im verbleibenden Trockenrückstand wieder. Der Trockenrückstand ist eine der wichtigsten Kenngrößen der Klärschlammbehandlung und wird in der Regel, bezogen auf die Gesamtmasse eines Schlammes, in Gewichtsprozent angegeben.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten (1)

Wobei TR der Trockenrückstand, mS die Masse des Schlammes, mW die Masse des Wassers und mTR die Masse des Trockenrückstandes sind.

Die Beziehung zwischen Trockenrückstand und Wassergehalt eines Schlammes ist nach Leschber und Niemitz in Abbildung 2 dargestellt. Sie gilt näherungsweise auch für die Volumenreduktion in Abhängigkeit des Wassergehaltes bei konstanter Trockenmasse. Zur Vereinfachung wird dabei die Dichte der Trockensubstanz mit 1 angenommen. In Wirklichkeit beträgt sie bei häuslichen Schlämmen etwa 1,3 bis 1,4, jedoch kann dieser Unterschied bei den technisch wichtigen Wassergehalten von 75 % und mehr praktisch vernachlässigt werden.^[14]

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2: Beziehung zwischen Schlammenge und Wassergehalt in % bei konstanter Schlammtrockenmasse (5kg) 1

Organische Trockensubstanz - Glühverlust (GV)

Speziell für die Kontrolle der Abbauprozesse im Faulturm ist der Glühverlust als Schlammkenngröße noch wichtiger als der Trockenrückstand, da er auf den Anteil an organischer Substanz im Schlamm schließen lässt. Dieser wird nach DIN 4047 als Gewichtsverlust durch das Glühen des Trockenrückstandes bei 550°C bis zur Gewichtskonstanz bestimmt.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten (2)

Wobei GV der Glühverlust, mTs die Masse der Trockensubstanz und mGR die Masse des Glührückstandes sind.

Gleichwohl sind Glühverlust und organische Trockensubstanz nur näherungsweise gleich, da beim Glühen auch chemisch gebundenes Wasser und leicht flüchtige organische Verbindungen, vor allem Stickstoffverbindungen, mit ausgetrieben werden.

Anorganische Trockensubstanz - Glührückstand (GR)

Der Nach dem Glühen noch vorhandene, veraschte Teil bildet den Glührückstand und gibt den Anteil an anorganischer, sprich mineralischer Substanz an.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten (3)

Wobei GV der Glühverlust und GR der Glührückstand sind.

Da die mineralischen Anteile durch den Faulprozess nicht beeinflusst werden, ist der Glührückstand in ausgefaultem Schlamm wesentlich höher als in nicht ausgefaultem Schlamm.

2.2 Verfahrenskette der Abwassereinigung

Die Abwasserreinigung hat zum Ziel alle belastenden fremden Stoffe, die bei der Einleitung in ein Gewässer eine unzulässige Belastung verursachen könnten, wieder aus dem Abwasser zu entfernen. Die bei dem Reinigungsprozess anfallenden prozess- und stofftypischen Reststoffe bedürfen anschließend einer gesicherten und umweltverträglichen Entsorgung. Die Verfahrenskette der Abwassereinigung umfasst dabei alle notwendigen technischen Maßnahmen, welche zur Abtrennung und Entsorgung derartiger Stoffe von Nöten sind siehe Abbildung 3.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 3: Verfahrenskette der Abwasserbehandlung in einer kommunalen Kläranlage^[15]

2.2.1 mechanische Reinigung

Die mechanische Abwasserreinigung ist die erste Behandlungsstufe in kommunalen Kläranlagen. Hier werden die ungelösten Abwasserinhaltsstoffe, die mechanisch erfasst werden können, aus dem Abwasser entfernt.

Grobrechen und Feinsiebanlage

Häusliche und Industrielle Abwasser enthalten erhebliche Mengen an zopfenden und sperrigen Bestandteilen, die in den Kläranlagen zu erheblichen Störungen des Betriebsablaufes führen können. In Grobrechenanlagen werden die groben Schmutzstoffe in ersten mechanischen Schritt aus dem Abwasser entfernt und so die nach geschalteten Maschinen, Pumpen und Rohrleitungen vor dem Verstopfen und der Zerstörung geschützt.

Absetzbecken und Sandfang

Nachdem Grobrechen und Feinsiebe dem Abwasser die gröbsten Feststoffe entnommen haben, enthält es immer noch Feinanteile, sowie den von den Straßen in die Kanalisation eingebrachten Sand. Damit auch diese Abwasserinhaltsstoffe abgetrennt werden können, durchläuft das Abwasser zunächst einen Sandfang. Im Sandfang wird die Fließgeschwindigkeit des Abwassers soweit verringert, dass der mitgeführte Sand zum Boden absinken kann. Der am Beckenboden abgelagerte Sand wird kontinuierlich geräumt, entwässert und anschließend entsorgt. Im nach geschalteten Absetzbecken, auch Vorklärbecken genannt, wird die Fließgeschwindigkeit des Abwassers noch einmal herabgesetzt. Die Strömungsgeschwindigkeit ist nun so gering, dass sich die bis dahin im Abwasser verbliebenen Feinanteile, die eine größere Dichte als Wasser aufweisen, absetzen können. Auch hier kommen Räumer zum Einsatz, damit der sich am Boden ansammelnde Primärschlamm kontinuierlich abgezogen und zur Stabilisierung in den Faulturm gepumpt werden kann. Damit ist der mechanische Teil der Abwasserreinigung beendet und das vorgeklärte Abwasser kann der biologischen Reinigung unterzogen werden.

2.2.2 biologische Reinigung

Nach der Vorklärung enthält das Abwasser noch Schwebeteilchen und gelöste Verunreinigungen. Diese werden in der anschließenden biologischen Reinigungsstufe mit Hilfe von Bakterien und Einzellern abgebaut. Die biologischen Vorgänge ähneln dabei dehnen der Selbstreinigung in natürlichen Gewässern, allerdings erfolgt der Abbau in einer Kläranlage unter kontrollierten, verfahrenstechnischen Randbedingungen (Sauerstoffgehalt, Temperatur, Nährstoffverhältnis) wesentlich schneller und effektiver.^[16]

Belebungsbecken

Im Belebungsbecken erfolgt der Abbau dispergierter als auch gelöster Abwasserinhaltsstoffe durch gezielte Nutzung der Stoffwechseleigenschaften verschiedener Bakterienarten. Im Innern des Beckens werden optimalen Lebensbedingungen für die Mikroorganismen geschaffen wodurch sich diese massenhaft vermehren können. Bakterien und Einzeller bilden zusammen mit den Schwebstoffen so genannte Belebtschlammflocken. Die Ausbildung von Schlammflocken hat gleich zweierlei Vorteile. Zum einen können die in ihnen enthaltenen Organismen die Organischen Substanzen so besser abbauen, zum anderen setzen sich Flocken besser ab und können dadurch relativ einfach dem System entnommen werden. Zusätzlich findet im Belebungsbecken auch die Stickstoffelimination statt. Der Stickstoff welcher hauptsächlich als Ammoniumstickstoff (NH4-N) im Abwasser vorliegt kann biologisch nur über Zwischenschritte zu elementarem Stickstoff abgebaut werden. Dabei wird der Ammoniumstickstoff zuerst, innerhalb des so genannten Nitrifikationsprozesses, durch aerobe Bakterien (Nitrosomonas, Nitrobacter) über Nitrit (NO2-) zu Nitrat (NO3-) oxidiert. Der so entstandene Nitratstickstoff kann anschließend von anaeroben Bakterien unter Sauerstoffabschluss zu elementaren Stickstoff N2 reduziert werden. Dieser Vorgang, welcher auch als Denitrifikation bezeichnet wird, bildet das letzte Glied der Stickstoff-Abbaukette. Nitrifikation und Denitrifikation können in einem Belebungsbecken entweder nacheinander, durch An- und Ausschalten der Belüftungsanlagen, oder auch gleichzeitig durch die Schaffung von sauerstoffarmen und sauerstoffreichen Zonen innerhalb des Beckens durchgeführt werden.

Nachklärung

Nach dem Aufenthalt im Belebungsbecken fließt das Abwasser weiter in die Nachklärung. Innerhalb des Belebungsverfahrens ist der größte Teil der Mikroorganismen zu den so genannten Belebtschlammflocken aggregiert. Dabei handelt es sich um lockere Partikel von 20-200 mm Durchmesser, die sich leicht durch Sedimentation abtrennen lassen.^[17] Dies geschieht in einem dafür vorgesehen Nachklärbecken in dem die Fließgeschwindigkeit wieder soweit herab gesetzt wird, dass sich der Belebtschlamm am Beckenboden absetzen kann. Ein Teil des Belebtschlammes wird in die Belebungsbecken zurück gepumpt, um den Bakterienbestand zu sichern. Der überschüssige Belebtschlamm, welcher daher auch als Überschussschlamm bezeichnet wird, wird anschließend der Stabilisierung zugeführt.

Schlammstabilisierung

Der bei der Abwassereinigung anfallende Rohschlamm, welcher sich aus dem Überschussschlamm der biologischen Stufe und dem Primärschlamm der Vorklärung zusammensetzt, ist nur teilstabilisiert; d.h. es finden in ihm weitere organische Abbauprozesse statt, die zu unangenehmen Gerüchen führen und die Entwässerbarkeit des Schlammes verschlechtern.^[18] Um den Klärschlamm kostengünstig und ökologisch sinnvoll verwerten zu können, ist daher eine weitere Schlammbehandlung erforderlich.^[19] Ziel dieser Behandlung, welche auch als Schlammstabilisierung bezeichnet wird, ist es entweder die mikrobiologischen Umsetzungen im Schlamm zu verhindern oder sie in geordnete, kontrollierbare Bahnen zu lenken. Gleichzeitig soll die Entwässerbarkeit verbessert und bestenfalls auch das Volumen reduziert werden. Zur Schlammstabilisierung können sowohl chemisch-physikalische als auch biologische Verfahren eingesetzt werden. Mit den chemisch-physikalischen Maßnahmen ist jedoch keine endgültige Stabilisierung des Schlammes sondern nur eine Hemmung des Faulprozesses erreichbar. Auch wird der Feststoffanteil bei derartigen Verfahren nicht verringert sondern teilweise sogar erhöht1. Bei den biologischen Verfahren wird durch kontrollierte mikrobiologische Stoffwechselprozesse der Anteil der biologisch abbaubaren organischen Substanzen im Rohschlamm soweit vermindert, dass das Material keinen geeigneten Nährboden mehr darstellt und mikrobiologische Umsetzungsprozesse nur noch langsam und ohne Geruchsbelästigung ablaufen können. Die Schlammstruktur ermöglicht dann, besonders durch den Abbau der Kolloide, eine leichtere Entwässerung und insgesamt eine Verminderung des Feststoffgehalts. Setzt man dabei anaerobe Stoffwechselprozesse ein, so spricht man von Faulung bzw. anaerobe Stabilisierung. Bei Abbauprozessen mit Luftsauerstoff spricht man von aerober Schlammstabilisierung.

2.2.3 Abtrennung des Schlammwassers

Vorraussetzung für eine weitestgehende Abtrennung des Schlammwassers ist eine zielgerichtete Kombination der verfahrenstechnisch optimierten Einzelschritte Eindickung, Konditionierung und Entwässerung. Bei der Eindickung wird mithilfe eines natürlichen oder maschinell erzeugten Schwerefeldes nur das durch geringe Kräfte gebundene Hohlraumwasser abgetrennt. Die Abtrennung von Kapillarwasser und Adhäsionswasser erfordert wegen der stärkeren Bindekräfte höhere maschinell erzeugte Druckdifferenzen oder maschinell bewirkte Schwerefelder. Adsorptions- und Innenwasser sind praktisch nur mit thermischer Energie zu entfernen.

2.2.3.1 Eindickung

2.2.3.1.1 statische Eindickung

Der ausgefaulte Schlamm wird nach seiner Verweilzeit im Faulturm in den Nacheindicker gepumpt und dort statisch eingedickt. Bei der statischen Eindickung erfolgt die Sedimentation der Feststoffe aus der Schlamm-Wasser-Suspension und die weitere Konsolidierung unter dem Einfluss der Schwerkraft.^[20] Durch die Konsolidierung der Feststoffe wird im Wesentlichen Zwischenraumwasser abgegeben. Infolgedessen bildet sich im oberen Bereich des Eindickers eine Trübwasserzone aus, während es im unteren Bereich zur Feststoffanreicherung kommt. Zwischen Trübwasser und konsolidierten Feststoffen entsteht eine deutliche Grenze, welche auch als Schlammspiegel bezeichnet wird. Mit zunehmender Tiefe des Eindickers steigen die Feststoffkonzentrationen an. Die oben liegenden Feststoffe erzeugen in den unteren Schichteneinen Porenwasserüberdruck, der allmählich durch das Herauspressen des Zwischenraumwassers abgebaut wird.^[21] Dadurch dickt der Schlamm in den unteren Schichten ein. Dieser Vorgang wird durch langsames Rühren des Krählwerkes unterstützt, weil dadurch zusätzliche Drainagewege geschaffen werden.

2.2.3.1.2 maschinelle Eindickung

Filtertrommelkonzentratoren (Filtersiebtrommel)

Für die statisch oft schlecht eindickbaren Überschussschlämme werden oft auch maschinelle Eindickverfahren angewendet. Eines der maschinellen Verfahren ist die Eindickung mithilfe einer Filtersiebtrommel, auch Filtertrommelkonzentratoren genannt. Bei Filtertrommelkonzentratoren handelt es sich um rotierende, zylindrische Trommelbehälter, welche horizontal aufgestellt und von außen mit einem Siebgewebe bespannt sind. Zur Eindickung wird der mit Polymeren konditionierte Überschussschlamm möglichst flockenschonend in die rotierende Trommel gegeben. Das freie Schlammwasser läuft durch das Filtergewebe ab, während alle Partikel mit größerer Ausdehnung als die Maschenweite des Siebgewebes in der Trommel verbleiben. Mithilfe einer eingebauten Transportschnecke wird der Schlamm durch die Trommel gefördert. Dabei wird er durch das langsame Drehen der Trommel ständig umgeschichtet wodurch die Wasserabgabe zusätzlich verbessert wird. Durch das kontinuierliche Abspritzen des Filtersiebes werden mögliche Verstopfungen verhindert. Aufgrund ihrer Funktionsweise gehören Filtertrommelkonzentratoren zu den Maschinen, die das natürliche Schwerefeld zur Eindickung des Schlammes ausnutzen.

Zentrifugen (Düsenseparatoren)

Eine weitere Möglichkeit der Eindickung besteht in der Erzeugung eines maschinell erzeugten Schwerefeldes durch den Einsatz einer Zentrifuge. Nach Kalbskopf^[22] können durch die Verwendung von Düsenseparatoren eine gute Eindickung des Schlammes auch ohne Einsatz von Flockungshilfsmitteln erreicht werden. Um Verstopfungen der Austragsdüsen zu vermeiden, ist die Vorschaltung von Feinsieben zur Abtrennung von Faser- und Sperrstoffen erforderlich. Bei Zentrifugen konventioneller Bauart ist die Schlammeindickung mit gutem Abscheidegrad der Feststoffe und damit geringer Filtratbelastung nur durch Zugabe von Flockungshilfsmitteln möglich. In solchen Zentrifugen wird das Klärverhalten und damit die Feststoffbelastung des Zentrates stark durch den Feststoffrückstrom im lang gestreckten konischen Teil der Zentrifuge beeinflusst. Daher wurden Zentrifugen mit lang gestreckten zylindrischer Trommel und kurzem Konus entwickelt, vor dem auswechselbare Düsen installiert sind, die einen störungsfreien Austrag des Dickschlammes ermöglichen. Die unterschiedlichen Einschichtungen des eingedickten Klärschlammes in der Zentrifuge mit Austrag über den lang gestreckten Konus und in der Zentrifuge mit Austrag über Düsen zeigen die beiden Darstellungen a) und b) der Abbildung 4

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 4: Zentrifugenaustragsysteme nach Denkert ^[23]

a) Zentrifuge mit Austrag über Konus (nach Karolis), b) Zentrifuge mit Austrag über Düsen

Mit diesem Zentrifugentyp können gute Eindickeffekte bei ausreichend niedriger Feststoffbelastung des Zentrates erreicht werden. Kalbskopf^[24] berichtet, dass im praktischen Betrieb beim Einsatz solcher Eindickzentrifugen frische Überschussschlämme mit Trockenmassenkonzentrationen von 4 bis 10 g l/TS ohne oder mit geringen Zugaben an Flockungshilfsmitteln von 1 bis 2 kg/t auf Trockenmassenanteilen von etwa 4 bis 9% eingedickt und damit auf rund 1/10 des ursprünglichen Schlammvolumens reduziert werden können. Das in den Klärprozess zurück zu leitende Zentrat habe dabei eine Feststoffbelastungen von ca. 0,2 bis 1,5 g l/TS. Ferner läge der CSB des getrübten Überstandes der abgesetzten Probe zwischen 130 und 400mg/l. Laut Kalbskopf könne eine derartige Belastung problemfrei in einer Belebungsanlage aufgenommen werden. Der Energieaufwand bei der Überschuss Schlammeindickung durch Zentrifugen wird mit 1,2 bis 1,6 kWh/m3 Überschussschlamm angegeben. Die Durchsatzleistung großer Eindickzentrifugen beträgt 150 bis 200 m3/h. Die maschinelle Einrichtung von Rohschlämmen bittet für bestehende Kläranlagen oder bei Neubaumaßnahmen den Vorteil, dass durch die erhöhte Eindickung ein geringerer Volumenstrom in die Faulbehälter eingebracht werden muss. Damit wird Energie durch die Aufheizung eingespart und es wird eine bessere Ausfaulung und eine höhere Gasausbeute durch längere Verweilzeit im Faulbehälter erreicht.

2.2.3.2 Schlammkonditionierung

Klärschlämme besitzen einen recht hohen Wasseranteil, der mehr oder weniger stark an die Schlammfeststoffe gebunden ist. Bei der Schlammentwässerung kann im Allgemeinen ein Feststoffgehalt von 25 bis 40 Gew.%, in einigen Fällen auch bis zu 65 Gew.% erreicht werden. Daher muss außer dem Zwischenraumwasser das Haft- und Kapillarwasser, zum Teil aber auch das Adsorptions- und Innenwasser von den Feststoffen abgetrennt werden. Dies kann mit Hilfe von natürlichen oder maschinellen Entwässerungsverfahren geschehen. Bekanntlich ist die Bindung des Schlammwassers an die Feststoffe des Schlammes so stark, das eine Entwässerung ohne eine vorherige Aufbereitung (Konditionierung) außerordentlich schwierig und bei den meisten Schlämmen sogar unmöglich ist. Die wichtigste Aufgabe der Schlammkonditionierung ist daher, eine möglichst weitgehende Lockerung dieser Bindung zu erreichen und somit eine Beschleunigung des Entwässerungsvorgangs zu ermöglichen. Das Konditionierverfahren muss stets in der Verbind mit der sich anschließenden Entwässerung gesehen werden. Eine Konditionierung kann an verschiedenen Stellen der Kläranlage auf unterschiedliche Art und Weise erfolgen. Sie setzt ein bei der Möglichkeit, durch Flockung den Absetzvorgang beim Klärprozess zu beschleunigen geht weiter bei der Schlammeindickung und endet bei der Schlammentwässerung. Die Konditionierverfahren sind generell für alle Schlämme, ob Faul- oder Frischschlamm, gleichermaßen anwendbar. Abbildung 5 gibt einen systematischen Überblick über die verschiedenen Konditionierverfahren.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 5: Überblick der Konditionierungsverfahren nach Pöpel^[25]

Die Wahl der Konditionierung hat neben der Betrachtung der wirtschaftlichen Aspekte häufig danach zu erfolgen, ob der Schlamm nach der Entwässerung deponiert oder anderweitig zu Beispiel durch die Abgabe an die Landwirtschaft, verwertet werden soll. Je nach dem Konditionierverfahren entstehen Endprodukte mit zum Teil recht unterschiedlicher Konsistenz, unterschiedlichen Feststoffgehalten und Heizwerten und nicht zuletzt unterschiedlichem Stabilisierungsgrad. Außerdem ist bei der Wahl des Verfahrens die durch das Konditionierverfahren verursachte Zusatzbelastung für die Kläranlage mit in die Überlegungen und Wirtschaftlichkeitsuntersuchungen einzubeziehen. Die chemische Schlammkonditionierung ist die derzeit dominierende Behandlungsart. Bei diesem Verfahren werden dem Schlamm anorganische oder organische Chemikalien zugemischt mit dem Ziel, die Schlammfeststoffe einschließlich der feinsten und kolloidalen Trübstoffe zu koagulieren, zu flocken und zu dehydrieren. Bei der chemischen Konditionierung von Abwasserschlämmen unterscheidet man im allgemeinen nach organischen Flockungsmittel die eine Koagulation herbeiführen, und nach organischen Polyelektrolyten welche die Flocculation begünstigen, wobei die Polyelektrolyte häuft auch als Flockungshilfsmittel bezeichnet werden.

2.2.3.3 Schlammentwässerung

Ziel der Klärschlammentwässerung ist in erster Linie eine weitestgehende Volumen- und Gewichtsreduzierung, wodurch sie für die nachfolgende Verwertung (z.B. Verbrennung, Deponierung, Kompostierung) vorbereitet werden sollen. Prinzipiell stehen zur Klärschlammentwässerung neben den maschinellen auch natürliche Verfahren zur Verfügung. Diese haben jedoch aufgrund ihres großen Flächenbedarfs und Geruchsproblemen an Bedeutung verloren. Nach Busse^[26] hat sich in der Abwassertechnik im Bereich der maschinellen Schlammentwässerung die Kammerfilterpresse durchgesetzt. Laut Lutz^[27] ist in den letzten Jahren auch ein vermehrter Einsatz an Membranfilterpressen zu beobachten.

2.2.3.3.1 Kammerfilterpresse

Ungeachtet der konstruktiven Unterschiede lassen sich Kammerfilterpressen in Pressengestell, Verschlussvorrichtung, Filterplatten, sowie Kopf- und Druckstück unterteilen. Eine beliebige Anzahl von gleichen Filterplatten ist an einer Trag- und Führungskonstruktion des Pressengestells verfahrbar aufgehängt. Durch eine mechanische oder hydraulische Verschlussvorrichtung werden die Platten zwischen einem Kopf- und einem Druckstück zu einem Plattenpaket zusammengedrückt. Während das Kopfstück alle Anschlüsse für die Rohrleitungen enthält und in der Regel fest mit dem Pressengestell verbunden ist, überträgt das bewegliche Druckstück den Schließdruck auf das Pressengestell. Durch die geometrische Form der Filterplatten werden bei geschlossener Filterpresse im Innern des Plattenpaketes Kammern erzeugt. Über die Platten sind Filtertücher gespannt, die im Bereich des erhöhten, umlaufenden Plattenrandes die Platten gegeneinander abdichten und in den Zwischenräumen als Filtermittel dienen. Die Filterplatten selbst sind mit Kanälen und Noppen versehen, so dass das Filtertuch gestützt und der Ablauf des durchtretenden Filtrats ermöglicht wird. Das Befüllen der Kammern mit Suspension erfolgt über entsprechende Beschickungsöffnungen in den Filterplatten und Filtertüchern. Zu Beginn erfolgt die Speisung der Filterpresse bei verhältnismäßig hohem Volumenstrom und niedrigem Fülldruck. Nachdem sich ein entsprechender Filterkuchen ausgebildet hat nimmt aufgrund des steigenden Widerstandes der Förderstrom ab und der Fülldruck steigt an. Nach dem Erreichen eines konstruktiv bedingten Maximums wird der Druck für den weiteren Verlauf der Filtration konstant gehalten. Aufgrund des variierenden Drucks und der Fördermenge in der Füll- und Arbeitsphase kommen häufig Kolbenmembran-, Kugelmembran-, oder auch Exzenterschneckenpumpen zum Einsatz. Der Verschluss des Pressengestells presst die Filterplatten während der Filtration über die Druckplatte fest zusammen. Dieser dichtet das Plattenpaket kraftschlüssig ab und verhindert, dass die Trübe bei hohem Filtrationsdruck zwischen den Platten herausspritzt. Der Filtrationsvorgang endet für gewöhnlich mit dem Unterschreiten eines festgelegten, minimalen Filtratflusses. Nach dem Pressvorgang wird die Kammerfilterpresse vor dem Öffnen entspannt und die noch flüssigen Schlammreste aus der Mittelbohrung geblasen. Danach werden die Filterplatten einzeln mechanisch voneinander getrennt. Zum Öffnen und Entleeren wird die Druckplatte bei automatisch arbeitenden Kammerfilterpressen hydraulisch zurückgefahren und eine Platte nach der anderen von einer automatischen Verfahreinrichtung ca. 0,5 m bis 0,8 in Richtung der Druckplatte bewegt. Dabei fallen die Filterkuchen überwiegend selbständig aus den Kammern, sofern ein ausreichend niedriger Endwassergehalt erreicht wurde. Trotz des Automatismusses muss der Kuchenabwurf für gewöhnlich vom Bedienpersonal beobachtet werden um anhaftende Filterkuchen manuell mithilfe eines langen Spatels von der Platte zu entfernen. Dabei unterbrechen Lichtschranken zur Sicherung des Bedienpersonals augenblicklich den automatischen Plattentransport, wenn Kuchenreste von der Platte entfernt werden müssen. Nach vollständiger Entleerung wird die Presse für eine neue Charge geschlossen.

[...]

^[1] EVS (2005)

^[2] Möller U., Otte-Witte R. (1996)

^[3] Schlegel Sigurd (1996)

^[4] Flemming H-C., Scholz-Muramatsu H.(1997)

^[5] Hack H. P., Londong J. (2006)

^[6] Thomé-Kozmiensky (1998)

^[7] Möller U., Otte-Witte R. (1996)

^[8] ATV-VKS-Fachausschuss (1987)

^[9] Leschber R., Niemitz W. (1996)

^[10] Leschber R., Niemitz W. (1996)

^[11] Hack H. P., Londong J. (2006)

^[12] Thomé-Kozmiensky (1998)

^[13] Leschber R., Haacke W. (1975),

^[14] Leschber R., Niemitz W. (1996)

^[15] Leschber R. (1996)

^[16] EVS (2005)

^[17] Flemming H-C., Scholz-Muramatsu H.(1997)

^[18] Mudrack K. (1996)

^[19] EVS (2005)

^[20] Hegemann W. (1986)

^[21] Hack H. P., Londong J. (2006)

^[22] Kalbskopf K. H. (1996)

^[23] Denkert (1996)

^[24] Kalbskopf, K. H. (1996)

^[25] Pöpel. H. J. (1993)

^[26] Busse, O. (1993)

^[27] Lutz, O.; Mayer, L (1991)