Wasser kennt keine Grenzen - jugendliche Träume auch nicht



ABWASSER: DIE VERANTWORTUNG GEGENÜBER DEM UNTERLIEGER

Max Leske
Daniel Fürsinger
Sandro Eggimann


ABSTRACT

The aim of our project is to describe and compare the waste water treatment plants of Davos and Karlsruhe. We studied various aspects as specific loads, seasonal variati-ons, different techniques of purification and we observed considerable differences.
The Karlsruhe plant with approx. 20 times the size of Davos achieves an efficiency measured as COD of 92% versus Davos with 80%.


EINLEITUNG

Das Ziel unserer Gruppe ist es, die verschiedenen Abwasserreinigungsstufen der ARA's Davos und Karlsruhe miteinander zu vergleichen. ARA's werden seit ca. 1900 betrieben, um häusliche Abwässer vor der Einleitung in den Vorfluter von den organischen Inhaltsstoffen zu klären. Wir untersuchen insbesondere die Stoffflüsse von Kohlenstoff, Stickstoff und Phosphor. Als Referenz betrieben wir im Labor unserer Schule über einige Wochen hinweg eine Modellkläranlage im Massstab von 0.1 Einwohnergleichwerten (EWG). Ausserdem besuchten wir die Klärwerke in Davos Gadenstatt und Karlsruhe, welche wir in diesem Bericht genauer analysieren werden.


Abb.1: Die Modell-ARA in unserem Schullabor, welche wir zu Vergleichszwecken betrieben



HAUPTTEIL

DIE HAUPTSTUFEN EINER KLÄRANLAGE
Mechanische Reinigungsstufe
- Sandfang
- Vorklärbecken (1. Sedimentierung)
- Eliminierung von Fett und Schwimmstoffen

Chemische Reinigungsstufe
- Simultane Phosphatfällung

Biologische Reinigungsstufe
- C-Eliminierung: In den Zwischenklärbecken werden Wasser und Schlamm
getrennt
- Durch die langsame Fliessgeschwindigkeit in den Klärbecken
  setzt sich der Schlamm am Beckenboden ab
- N-Eliminierung: Nitrifikation / Denitrifikation



ANLAGENVERGLEICH
Abb. 2: Die Davoser Kläranlage von Westen betrachtet: trotz kleiner Fläche eine Kapazität von bis zu 45000 Einwohnergleichwerten (EWG)
Abb. 3: Das Karlsruher Klärwerk von Norden aus gesehen: enorme Fläche für enorme Kapazität (875000 Einwohnergleichwerte)


Auf den unten ersichtlichen Tabellen vergleichen wir die Ablaufgrenzwerte sowie die Jahresmittelwerte der Fliessgewässer der Kläranlage Davos und der ARA in Karlsruhe.


Tab.1: Vergleich Ablaufgrenzwerte und Jahresmittel der ARA Davos und Karlsruhe


WIRKUNGSWEISE EINER KLÄRANLAGE


Funktionsweise der C-Elimination
Der im Abwasser enthaltene Kohlenstoff wird von Bakterien zu CO2 und H2O abgebaut. Rund 80% davon entweichen als CO2 in die Atmosphäre, 10% fallen im Belebtschlamm an und 10% fliessen als refraktärer Kohlenstoff ab. Dieser refraktäre Kohlenstoff kann in Flüssen oder Seen nur schlecht oder gar nicht abgebaut werden und summiert sich somit auf, denn aus jeder einzelnen Kläranlage bis zur Nordsee kommen weitere 10% refraktären Kohlenstoffs hinzu.

Vereinfachte Reaktionsgleichung:    C6H12O6 + 6O2   →   6CO2 + 6H2O


Funktionsweise der Phosphatfällung
Die Phosphatfällung kann an beliebiger Stelle im Klärablauf eingesetzt werden. Dazu werden Fällungsmittel (Fe3+-, Al3+-Ionen) zugeführt, welche den Phosphor binden. Es entstehen schwerlösliche Phosphate, welche sich absetzen und filtriert werden können.
Im Einzugsgebiet von Seen wurden die Grenzwerte für P für die Einleitung in den Vorfluter verschärft. Da Phosphor in den meisten Seen limitierender Nährstoff ist, kann damit die Eutrophierung reduziert werden.

Vereinfachte Reaktionsgleichung:    PO43- + Fe3+ oder Al3+   →   FePO4 oder AlPO4

Funktionsweise Nitrifikation/Denitrifikation
Das Ziel der Nitrifikation/Denitrifikation ist die Reduktion der Stickstoff-Fracht, um den verschärften EU-Richtlinien zum Schutze der Nordsee nachzukommen.
In der ersten, nitrifizierenden Phase bauen Bakterien (Nitrifikanten: z.B. Nitrosomonas, Nitrobacter) unter passiver Belüftung die meisten Stickstoffverbindungen im Abwasser zu Nitrat (NO3-) und Nitrit (NO2-) ab. In der darauf folgenden Denitrifikation reduzieren (Stickstoff) bzw. oxidieren (Sauerstoff) andere Bakterienstämme (Denitrifikanten: z.B. Agrobacterium, Thiomicraspira) Nitrat und Nitrit zu N2 und O2. Der elementare Stickstoff entweicht in die Atmosphäre, der Sauerstoff wird zum grössten Teil von den Bakterien als Elektronenrezeptor verwendet.

Vereinfachte Reaktionsgleichung für:

Nitrifikation (N-Oxidation):    R-N-IIIH2   →   N+IIIO2- + N+VO3-
Denitrifikation (N-Reduktion):    N+VO3- + N+IIIO2-   →   N2 + O2


DISKUSSION

Grundsätzlich funktionieren die Kläranlagen in Davos und Karlsruhe nach demselben Prinzip, sie sind jedoch problemspezifisch ausgelegt.


AUSSCHLAGGEBENDE PARAMETER FÜR DIE ARA DAVOS

  1. Starke saisonale Schwankungen bezüglich den Abwasserinhaltsstoffen und dem Fremdwasseranteil
    2. - Tourismus
    - Anstieg des Grundwasserspiegels durch Fremdwasser
    (z.B. Schmelz-wasser).
    - Der Fremdwasseranteil liegt während des ganzen Jahres deutlich
    über 50%

  2. Tiefe Abwassertemperaturen

    3. - Die tiefen Temperaturen vermindern die Reinigungsleistung der Anlage.
    - Mittlere Abwassertemperatur in der Hochsaison: 8°C
    - Mittlere Abwassertemperatur in der Zwischensaison: 12°C

  3. Gehemmte Nitrifikation
    4. - Die gemessenen Ablaufwerte weisen auf eine Teilnitrifikation in den
    Belüftungsbecken hin. Die nitrifikationshemmenden Faktoren sind die
    zeitweise zu tiefen pH-Werte und eine zu knappe O2-Versorgung.

  4. Ungenügende Belüftung
    5. - Die bestehende Belüftung ist für den Kohlenstoff-Abbau ausgelegt und
    kann für den Nitrifikationsprozess keine genügende O2-Versorgung
    gewährleisten.

  5. Rückläufe aus der Schlammbehandlung
    6. - Das stark mit Stickstoff belastete Filtrat aus der Schlammbehandlung wird
    heute an Arbeitstagen konzentriert in die Belebungsbecken eingeleitet.
    Dies verursacht ungünstige Stickstoff-Belastungsspitzen.


AUSSCHLAGGEBENDE PARAMETER FÜR DIE ARA KARLSRUHE
  1. Starker Einfluss durch die Industrie
    2. - Die Kapazität des Karlsruher Klärwerks ist auf 875000
    Einwohnergleichwerte (EWG) ausgelegt, wovon mehr als die Hälfte auf
    Industrieabwässer entfallen.

  2. Platzmangel
    3. - Trotz des grossen Einzugsgebietes steht der ARA Karlsruhe nur wenig
    Platz zur Verfügung, was für zukünftige Erweiterungen Probleme
    darstellen wird.

  3. Geruchsemissionen
    4. - Die vom Klärwerk emittierten Gase er-fordern es, einige Gebäudeteile
    der Anlagen geschlossen zu halten und aufwendige Abluft- / Filteranlagen
    zu betreiben

Bemerkenswert sind die vielfältigen Problemfaktoren, mit welchen die beiden Werke in Davos und Karlsruhe zu kämpfen haben. Sie rechtfertigen in Davos auch die relativ tiefe Reinigungsleistung, wenn man bedenkt, dass die Anlage zu Spitzenzeiten so stark überlastet ist, dass ein Teil des Schlammes zur Stickstoffentfernung eingelagert werden muss.
Interessant ist auch der Faktor "Refraktär-schlamm". In Davos kaum anfallend, hat sich der Anteil bis Karlsruhe vervielfacht und ist somit für die Anlage eine Belastung.


Abb. 4: Max Leske beim Abwägen der Inhaltsstoffe für die Nährlösung,die
gebraucht wird um die Bakterien unserer Modellanlage zu "füttern".



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