Beschreibung der abwassertechnischen Anlagen und der Verfahrenstechnik.
Das Verbandsklärwerk „Obere Lutter“ ist eine Einrichtung des Abwasserverbandes „Obere Lutter“.
Der Verband übernimmt die Abwässer seiner Mitgliedsgemeinden aus deren gemeindlichen Kanalnetzen in seine Hauptsammler. Im Verbandsklärwerk „Obere Lutter“ werden diese Abwässer gereinigt und danach in die Ems - Lutter abgeleitet. Das Abwasserentsorgungsgebiet umfasst die Bielefelder Ortsteile Quelle, Brackwede, Ummeln und Senne (Anteil ca. 86%) sowie die Gütersloher Ortsteile Friedrichsdorf, Avenwedde - Bhf., Isselhorst, Hollen und Niehorst (Anteil ca.14%). Das Verbandsklärwerk hat eine Ausbaugröße für 380.000 EW (Einwohnerwerte). Z.Z. sind ca. 330.000 EW angeschlossen. Diese Zahl ergibt sich aus der Anzahl der im Einzugsgebiet gemeldeten Einwohner (E) und den Einwohnergleichwerten (EWG) aus dem gewerblich-/industriellem Abwasseranteil.
Ein Einwohnergleichwert ist gleich dem Sauerstoffbedarf (BSB5) der Mikroorganismen bei der Abwasserreinigung in einem Zeitraum von 5 Tagen.
Ein EWG = 60g O2/E (Einwohner) x d.
Beim Verbandsklärwerk sind ca. 80.000 Einwohner (E) und 250.000 Einwohnergleichwerte (EWG) angeschlossen.
Die Abwassermenge beträgt bei Trockenwetter ca. 20.000 m³/d.
Bei Regenwetter kann eine Abwassermenge bis zu 60.000 m³/Tag zufließen und auch gereinigt werden.
Im Klärwerk erfolgt die Abwasserreinigung in mehreren Verfahrensstufen:
Zunächst wird das Abwasser in einer Siebrechenanlage (hier Stufenrechen mit 6mm Stababstand) vorgereinigt. Die im Abwasser mitgeführten Stoffe, wie Papier, Hygieneartikel, Textilien u.a. Sperrstoffe müssen entfernt werden.
Das anfallende Rechengut wird maschinell entnommen, gewaschen, entwässert und in einen Sammelbehälter gefördert (ca. 10t/Woche). Das Rechengut wird in der MVA Bielefeld verbrannt.
Nach der Rechengutentnahme wird das Abwasser mit den Pumpen des Zulaufpumpwerkes in den 6,9 m höher gelegenen Sandfang gepumpt.
Dazu sind im Pumpenkeller 5 Kanalradpumpen mit einer Gesamtleistung von 5.000 m³/h installiert.
Das Abwasser kann jetzt den Sandfang, die Vorklärbecken und die 1. biolog. Stufe im Freigefälle durchfließen.
Der Sandfang ist als belüfteter Längs - Sand - und Fettfang ausgebaut.
Er hat 2 Kammern von je 2,5 m Breite und 30 m Länge.
Der Gesamtquerschnitt beträgt 17,7m².
Aufgrund der großen Querschnittsfläche und der Lufteinpressung stellt sich die Fließgeschwindigkeit im Sandfang so ein (30 cm/s ) dass der vom Abwasserstrom mitgeführte Sand sich absetzen kann - während der ebenfalls enthaltende Schlamm mit dem Abwasser weiterfließt.
Der abgesetzte Sand wird maschinell und automatisch geräumt, entwässert und in einem Container zwischengelagert (ca. 7 t/Woche).
Anschließend wird das „Sandfanggut“ in einem Entsorgungsbetrieb aufbereitet. Der Sand kann danach verwertet oder deponiert werden.
Das Abwasser im Zulauf zu den Vorklärbecken hat in der homogenisierten Probe folgende durchschnittliche Schmutzbelastung:
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Chemischer Sauerstoffbedarf (CSB) |
1.500 mg/l |
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Biochemischer Sauerstoffbedarf(BSB5) |
850 mg/l |
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Ammonium Stickstoff (NH4 - N) |
90 mg/l |
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Organisch gebundener Stickstoff (org. - N) |
30 mg/l |
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Phosphor (P) |
12 mg/l |
In den 4 Vorklärbecken, Größe 60 x 6,0 x 2,05 m, Vges. = 3.400 m³, wird der Rohschlamm abgeschieden.
Der Rohschlamm besteht aus dem vom Abwasserzulauf mitgeführten Primärschlamm und den Überschuss- Belebtschlamm aus den weiteren Abwasserreinigungsstufen.
Die Rohschlammenge besteht zu ca. 98% aus Sedimentschlamm und zu ca. 2% aus Schwimmschlamm (Fett u.ä.) an. Der Rohschlamm wird separat behandelt.
Dieser Verfahrensschritt wird später noch erläutert.
Mit der Entnahme von Rechengut, Sand und absetzbaren Stoffen (Rohschlamm) ist die mechanische Abwasserreinigung abgeschlossen.
Der weitaus größte Anteil aller Schmutzstoffe ist jedoch noch im Abwasser verblieben.
Dabei handelt es sich hauptsächlich um feinste Schweb - (Trübstoffe) und um die Hauptnährstoffe Stickstoff und Phosphor.
Diese Stoffe werden in den weiteren Verfahrensschritten biologisch ( Belebtschlammverfahren), chemisch (Fällung mit Metallsalzen) und physikalisch (Filtration) abgebaut.
1. biologische Reinigungsstufe
Im Ablauf der Vorklärbecken bzw. im Zulaufwasser zur 1.biolog.Stufe betragen die Schmutzfrachtwerte durchschnittlich:
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CSB |
700 mg/l |
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BSB5 |
300 mg/l |
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NH4 – N |
100 mg/l |
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org. N |
20 mg/l |
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Pges. |
7 mg/l |
Beim Verbandsklärwerk „Obere Lutter“ gibt es 2 biolog. Stufen.
In den 2 Belebungsbecken der 1. Stufe - Vges.: 5000 m³, erfolgt der Abbau von organischen (kohlenstoffhaltigen) Stoffen.
Im Belebtschlamm sind Bakterien und Mikroorganismen angesiedelt.
Sie wandeln im Abwasser enthaltende Schmutzstoffe in Nährstoffe für den Eigenbedarf um. Der für diesen aeroben (sauerstoffzehrenden) Prozess notwendige Sauerstoff wird über 6 „Mammutrotoren“ (Oberflächenbelüfter, Belüftungswalzen) als Luft in das Wasser eingetragen.
Durch den Stoffwechsel der Bakterien und Mikroorganismen entstehen Energie und die Abbauprodukte Wasser und Kohlensäure.
Außerdem bildet sich durch den Baustoffwechsel der Bakterien zusätzliche neue Biomasse.
Damit das Biomassen/Nährstoff Verhältnis angemessen bleibt, muss ein Teil des Belebtschlammes ausgeschleust werden.
Das geschieht durch die Rückführung von „Überschussschlamm“ in die Vorklärbecken.
Zur Erhaltung der notwendigen Belebtschlammenge in den Belebungsbecken, wird dieser in den nachgeschalteten 8 Zwischenklärbecken sedimentiert und als Rücklaufbelebtschlamm in die 2 Belebungsbecken zurückgefördert.
Die 8 Zwischenklärbecken sind je 5,0 m breit,60 m lang und 2,50 m tief. Die Oberfläche ist 2.400 m²; das Volumen 6.400 m³.
Bei den im Abwasser enthaltenen Phosphaten handelt es sich um Ortho-, Meta- und Polyphosphat sowie um organisch gebundene Phosphate. Dieses Gesamtphosphat wird auf dem Weg in und durch das Klärwerk in „einfaches“ Ortho Phosphat umgewandelt. Das Ortho - Phosphat - und nur das - kann durch dreiwertiges Eisen ausgefällt werden.
PO4
3- +
Fe3+ = FePO4
Diese schwerlösliche Metallsalzverbindung wird zusammen mit dem Überschussbelebtschlamm ausgeschleust.
Zur Phophorelimination ist eine Löse - und Dosierstation für Metallsalze –(hier „Grünsalz“ = Eisen-II-sulfat)-vorhanden.
Von dieser Anlage können - entsprechend der Phosphatfracht - Metallsalzlösungen in den Zulauf zur 2. biolog. Stufe zudosiert werden. Zur Zeit wird dieser Verfahrensschritt nicht praktiziert.
Um für die weitere biologische Reinigung genügend P vorzuhalten, wird seit der Inbetriebnahme der 2. Denitrifikationsstufe in 1997 die P-Fällung in die letzte Reinigungsstufe - die Flockungsfiltrationsanlage - durchgeführt.
Im Ablauf der 1. biolog. Stufe bzw. im Abwasserzulauf zur 2. biolog. Stufe ergeben sich die folgenden durchschnittlichen Schmutzfrachtwerte:
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CSB |
150 mg/l |
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BSB5 |
90 mg/l |
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NH4 – N |
110 mg/l |
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org. N |
10 mg/l |
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Pges. |
6 mg/l |
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NO3
– N |
0 mg/l |
Damit das Abwasser auch die 2. biologischen Stufe mit Freigefälle durchfließen kann muss es in einem weiteren Pumpwerk um ca. 2,50 m hochgepumpt werden.
Das Zwischenpumpwerk besteht aus je 2 Schneckenpumpen Q = 1.000 m³/h und 2 weiteren Schneckenpumpen Q = 1.500 m³/h.
Den 2 Belebungsbecken der 2. Stufe ist ein Denitrifikationsbecken V = 2.200 m³ vorgeschaltet.
Das Abwasser wird hier mit dem nitrathaltigen und sauerstoffzehrenden Rücklaufbelebtschlamm dieser Stufe vermischt.
Bestimmte Bakterien, die „Denitrifikanten“, wandeln den Nitratstickstoff (NO3 - N) zu Sauerstoff und gasförmigen Stickstoff (N2) um.
So werden mit dieser 1. Denitrifikationsstufe ca. 30% der Gesamtstickstofffracht eliminiert. Dazu muss aber erst einmal Nitratstickstoff produziert werden.
Dieses ist die Hauptaufgabe der 2. biologische Stufe.
Sie besteht aus 2 Belebungsbecken mit einem Gesamtvolumen von 10.000 m³.
Im Belebtschlamm enthaltende Bakterien, die „Nitrifikanten“, wandeln den im Abwasser vorhandenen Ammoniumstickstoff (NH4 - N) zum Nitratstickstoff (NO3 - N) um (Nitrifikation:NH4+ + 2O2 NO3- + H2O + 2H+).Gleichzeitig werden auch noch die vorhandenen organischen Reststoffe von anderen Bakterienarten abgebaut.
Der für die mikrobielle Oxydation des Ammoniums und des Restkohlenstoffes notwendige Sauerstoff wird mit 8 Oberflächenbelüftern (Mammutrotoren) aus der Luft eingetragen(max. 555 kg O2/h)
Bei der Nitrifikation würde der pH - Wert des Belebtschlammes stark abfallen.
Um das zu verhindern muss die Säurekapazität des Belebtschlammes wieder angehoben werden.
Dazu werden dem Belebtschlamm täglich bis zu 4 to – ca. 25% -tiger Kalkmilch aus der eigenen Feinkalk - Lösch - und Dosierstation zugegeben.
Den Belebungsbecken der 2. biolog. Stufe sind 16 Nachklärbecken,
5,0 m breit,52,2 m lang, Beckentiefe 2,7 m;Oberfläche:4.176 m²;Volumen:12.000 m³ zugeordnet.
Der Rücklaufbelebtschlamm kann über 3 Schneckenpumpen mit einer Leistung von je 1.000 m³/h in die Belebtschlammstufe zurückgeführt werden.
Das Abwasser aus der 2. biolog Stufe wird jetzt einer 2. Denitrifikationsstufe zugeführt. Es hat folgende Schmutzfrachtwerte:
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CSB |
45 mg/l |
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BSB5 |
10 mg/l |
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NH4 – N |
< 0,1 mg/l |
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org. N |
1 mg/l |
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P |
2 mg/l |
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NO3
– N |
50 mg/l |
Zur Reduzierung des anorg. Stickstoffes - im wesentlichen des Nitrat - Stickstoffes - wurde in 1997 eine weitere Denitrifikationsanlage in Betrieb genommen.
Hier wird das gesamte Abwasser zunächst in einem Abwasserpumpwerk um rund 9mtr. angehoben damit diese Anlage und die anschließende Flockungsfiltrationsanlage mit Freigefälle durchströmt werden kann.
Die Reduzierung des Nitratstickstoffes erfolgt in 8 Festbettreaktoren mit je einer Fläche von 5,0 m x 7,5 m und einer Festbetthöhe von 4,0 m aus Blähton.
Fges.:300m²;Vges.:1.200m³
Die nitratreduzierenden Bakterien befinden sich in dem „biolog. Rasen“ an der Oberfläche der Blähtonpartikel. Sie benötigen als Nährstoff u.a. Kohlenstoff.
Dieser muss dem schon weitgehend gereinigtem - und deshalb kohlenstoffarmen - Abwasser extern zugeführt werden.
Das geschieht durch die Zugabe von Methanol. Es wird - entsprechend der Nitratfracht zudosiert.
Durch diese „Nährstoffzugabe“ entsteht über den Baustoffwechsel der Bakterien neue Biomasse.
Deshalb müssen die Festbettreaktoren ca. alle 36 Std. gereinigt werden.
Dazu werden die einzelnen Filterkammern mit Druckluft aufgebrochen und mit viel gereinigtem Abwasser „ rückgespült“. Das Rückspülabwasser wird zur Reinigung in die 2. biolog. Stufe zurückgepumpt.
Die Denitrifikationsanlage wurde für eine NO3-N Fracht von max.200kg/h und eine hydraulische Belastung von max. 2.000 m³ Abwasser/h ausgebaut.
Bei Überschreitung dieser Werte wird eine Abwasserteilmenge in ein 11.000m³ großes Ausgleichsbecken zwischengespeichert und bei schwächerer Belastung wieder weitergeleitet.
Das Abwasser aus der 2. Denitrifikationsanlage wird der Flockungsfiltrationsanlage zugeführt.
Im Ablauf der 2. Denitrifikationsanlage hat das Abwasser noch folgende Schmutzfrachtraten:
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CSB |
55 mg/l |
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BSB5 |
20 mg/l |
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NH4 – N |
< o,1 mg/l |
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org. N |
1 mg/l |
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Pges. |
1 mg/l |
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NO3
– N |
10 mg/l |
Als nunmehr letzte Abwasserreinigungsstufe dient eine „Biophor - Flockungsfiltrationsanlage“ mit nachgeschalteten „Schönungsteichen“.
Zweck dieser Anlage ist die weitere Senkung des Phosphatgehaltes auf Werte < 0,7mg/l und die Ausfilterung feinster Schwebstoffe.
Die 10 aufwärts durchströmten Filterkammern haben eine Filterfläche von je 40,9 m² und sie sind mit 132 m³ Filtermaterial gefüllt („Biolit - S“,1 - 2,5mm Korngröße).
Die Gesamtfilterfläche ist 409m².Das Gesamtvolumen beträgt 1.320m³.
Die Filterkammern sind über Prozessluftgebläse belüftbar.
Die Anlage kann deshalb auch Restammonium (max. ca. 10 mg/l) zu Nitrat-Stickstoff nitrifizieren.
Mit der Inbetriebnahme der 2. Denitrifikationsstufe in 1997,musste auch die P-Fällung von der 2. biolog. Stufe hierher verlegt werden (P-Mangel bei der Denitrifikation). Dazu wird –entsprechend der P-Fracht- Eisen-III-Chlorid in den Zulauf der Flockungsfiltrationsanlage dosiert.
Nach ca. 48 Std. Betriebszeit sind die Filter zu reinigen (Spülen). Dadurch werden die ausgefilterten Feststoffe entfernt.
Das Filterspülabwasser wird in den Zulauf zur 2. biolog. Stufe gepumpt.
Das gereinigte Abwasser fließt über die Schönungsteiche in die Ems - Lutter und somit letztlich in die Nordsee.
Die Schönungsteiche haben eine Fläche von ca. 3,2 ha. und ein Volumen von ca. 45.000m³.
In den Teichanlagen erfolgt keine wesentliche Änderung der Abwasserqualität. Es ergibt sich aber eine Qualitätsvergleichmäßigung und eine deutliche Anpassung der Abwasserbiologie an die Biologie des Vorfluters (Ems - Lutter) In den Schönungsteichen leben Fische.
Das gereinigte Abwasser aus dem Verbandsklärwerk „Obere Lutter“, wird dem natürlichen Wasserkreislauf - ohne diesen zu schädigen - mit folgendem Qualitätsmerkmalen wieder zugeführt:
CSB 55 mg/l BSB5 < 5 mg/l NH4 – N < 0,3 mg/l
org. N 1 mg/l Pges. 0,4 mg/l Nanorg. 14 mg/l
Der bei der Abwasserreinigung anfallende Rohschlamm muss stabilisiert werden damit er - ohne große Geruchs - und Zersetzungsprobleme - zwischengelagert und weiterbehandelt werden kann.
Das geschieht in diesem Falle durch die „mesophile Schlammfaulung“ in den Faultürmen.
Der in den Vorklärbecken abgeschiedene Rohschlamm - ca. 600 m³/d, 2% TS - wird zunächst in den Voreindicker gepumpt.
Der Voreindicker hat einen Durchmesser von 22 m. und ein Volumen von 1.250 m³.
Durch die Voreindickung (Sedimentation) wird die Schlammenge auf ca. 400m³/d vermindert und der TS - Gehalt auf ca. 3% erhöht.
Der Schlamm wird täglich -zeitversetzt in 4 Chargen - in den Faulturm I, V = 6.000m³,gepumpt. Die gleiche Schlammenge wird aus dem Faulturm I verdrängt und in den Faulturm II,V = 3.000 m³, übergeleitet.
Von hier führt der Weg in den Faulbehälter III,V = 3.000 m³ und daraus in die „Naßschlamm“ - Zwischenspeicher, Volumen: 3 x 1.600 m³.
Die Aufenthaltszeit des Schlammes in den 3 Faultürmen beträgt ca. 30 Tage.
Die Faultürme sind über externe Schlamm - Wärmetauscher beheizbar und sie sind luftdicht abgeschlossen.
Unter anaeroben Bedingungen (ohne Sauerstoffbedarf),bauen spezielle Bakterien bei einer Schlammtemperatur von ca. 39 °C, die organischen Bestandteile des Schlammes in 4 Stufen ab.
Die mikrobiellen Abbauprodukte einer Stufe sind gleichzeitig die Nährstoffe für die folgende Stufe.
Als letztes Stoffwechselprodukt der Bakterien entsteht auch das Faulgas - ca. 7.000m³/d. - Das Faulgas besteht zu ca. 70% aus Methan und ca. 30% CO2.
Das Faulgas wird in einem Trockengasbehälter, V = 2.000m³, zwischengelagert.
Es hat einen Energiegehalt von ca. 7,5 KWh/m³ und ist sehr gut für den Antrieb von Gasmotoren geeignet.
Beim Verbandsklärwerk „Obere Lutter“ werden damit in einem Blockheizkraftwerk 6 Gasmotoren zur Strom - und Wärmeerzeugung betrieben. Es werden damit ca. 4,0 Millionen KWh Strom /Jahr für den Klärwerksbetrieb erzeugt.
Die Abwärme aus dem Kühlwasser und dem Abgas der Gasmotoren wird genutzt und deckt den Wärmebedarf für die Schlammfaulung und für die Heizung der Betriebsräume.
Der ausgefaulte (stabilisierte) Schlamm wird in 3 „Nasschlammspeichern“ von je 1600 m³ Inhalt zwischengelagert.
Vor seiner Verwertung muss er entwässert werden.
Dazu wird der Schlamm zunächst in einen Faulschlammeindicker, V = 1.780m³,gefördert. Durch Sedimentation und Trübwasserabzug wird die Schlammenge nochmals verringert und damit der Feststoffgehalt erhöht (ca. 300m³/d, 3,5% TS).
Aus dem Faulschlammeindicker gelangt der Schlamm in die Schlammentwässerungsanlage.
In einer 2 - straßigen Kammerfilterpressenanlage wird der mit Flockungshilfsmitten (Polymeren) konditionierte Schlamm entwässert.
Der entwässerte Schlamm hat einen Feststoffgehalt von ca. 38%.
Durch die Zumischung von ca. 10 Volumenprozent Brandkalk wird ein TS - Gehalt von ca. 42% und ein pH - Wert von ca. 12,5 erreicht.
Der Klärschlamm wird dadurch weiter stabilisiert und hygienisiert.
Ebenso erhöht die Kalkzugabe den Düngewert für die Verwendung im Landbau.
Der entwässerte Schlamm (Klärschlamm - Filterkuchen) wird bis zu seiner Verwertung in der Landwirtschaft zwischengelagert.
In einem Trockenschlammlagergebäude mit 4 Speicherkammern, können bis zu 6.000 to Klärschlamm - Filterkuchen zwischengelagert werden.
Die abzugebende Jahresmenge beträgt rund 10.000 to.
Bei der Schlammbehandlung und Schlammentwässerung fallen arbeitstäglich ca. 500 m³ Trüb- und Filtratabwasser an.
Dieser betriebliche Teilstrom ist besonders stark verschmutzt. Sein Anteil an der Gesamtreinigungsleistung des Klärwerkes beträgt bis zu 25%..
Zur Entlastung der vorhandenen biologischen Stufen wurde deshalb eine separate Filtrat-und Trübwasserbehandlungsanlage gebaut.
Als technische Lösung ist seit 2002 eine Aufstaubelebungsanlage (SBR – Anlage) in einem vorhandenen Behälter in Betrieb.
Die SBR – Anlage
(Sequencing – Batch - Reaktor)
Die Zielsetzung für die separate Trüb + Filtratwasserbehandlungsstufe ist
- Größtmöglicher Stickstoffabbau in dem Teilstrom - zur wesentlichen Verminderung der Ammonium- Rückbelastung in den Belebungsstufen.
- Entlastung der vorhandenen Belebungsstufen.
- Stabilisierung der Nitrifikations- und Denitrifikationsleistung mit der vorhandenen Verfahrenstechnik
- Einsparung von Betriebsmitteln (Weißfeinkalkkalk und Methanol)
Für die Realisierung wurden u.a. die folgenden wichtigsten Komponenten verwendet bzw. installiert:
- SBR-Behälter: Nutzvolumen 1600 m³
- Dekantiervorrichtung: ca. 250 m³/h
- Belüftung und Umwälzung: Ejektor-Strahldüsenbelüftung der Fa.
Körting, Leistung Gebläse: 132KW
Leistung Umwälzpumpe 37 KW.
- Trüb + Filtratwasserbeschickung: Kreiselpumpe Q: 160m³/h
- Substratbeschickung: Drehkolbenpumpe Q: 130m3/h
Die Beschickung des Reaktors erfolgt in 3 – 4 Batches /Tag.
Ein Batch besteht aus den Verfahrensschritten:
Die Verfahrensschritte 1. – 3. werden pro Batch dreimal wiederholt.
Täglich werden so ca. 500 m³ Filtrat-/Trübwasser und 150 m³ Substrat (für die Denitrifikation) = Trübwasser aus dem Voreindicker behandelt.
Betriebswerte:
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CSBZulauf: ca. |
1000mg/l |
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CSBAblauf: ca. |
1000m g/l |
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NH4 - NZulauf: ca. |
700mg/l |
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NH4 - NAblauf: ca. |
30mg/l |
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NO-X
Ablauf: ca. |
50mg/l |
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Energiebedarf: ca. |
1.800 KWh/d |
Das im SBR vorgereinigte Abwasser (Dekantat) wird dem Klärwerkszulauf zugeführt.
Allgemeines
Zur Minimierung der Geruchsemissionen ist eine Abluftbehandlungsanlage gebaut worden.
Besonders geruchsintensive Schlamm - und Abwasserbehandlungsanlagen wurden abgedeckt und mit einer Abluftabsauganlage verbunden.
Die mit Geruchsemissionen beladene Abluft (ca. 20.000m³/h) wird in 2 „Kreuzstromwäschern“ chemisch gereinigt.
KLÄRWERK.DOC, Heitmann, 04.2004