Wie funktioniert eine Kläranlage? Technik & Umweltschutz beim AVF

Einlaufhebewerk

Wegen des Geländeverlaufs ist es leider nicht möglich, dass das Abwasser im freien Gefälle durch alle Stationen der Kläranlage fließen kann. Das Abwasser muss daher zu Beginn der Abwasserreinigung angehoben werden. Um dies zu erreichen, befindet sich im Einlaufbereich der Kläranlage ein Einlaufhebewerk. Dieses Pumpwerk basiert auf einem Prinzip („Archimedische Schraube“), das der griechische Mathematiker, Physiker und Ingenieur Archimedes bereits vor mehr als 2.000 Jahren entwickelt hat, um Wasser auf ein höheres Niveau zu transportieren. Die Schnecken/Schrauben befinden sich in einem eng angepassten Trog und können um ihre Mittelachse gedreht werden. Hierdurch entstehen zwischen der Schnecke und dem Trog viele Kammern, in denen das Wasser steht. Diese Kammern werden nach oben und unten durch jeweils eine Windung der Schnecke begrenzt. Aufgrund der Schwerkraft kann das Wasser aber nicht über die Ränder der Windungen zurückfließen. Durch das ständige Drehen der Schraube bewegen sich alle Kammern in Richtung des Schneckenendes. Am Ende läuft das Abwasser aus der sich auflösenden Kammer aus, am Schneckenanfang entsteht wiederum eine neue Kammer, welche sich mit Rohabwasser füllt. Die Kläranlage ist mit drei Schnecken unterschiedlicher Leistung ausgestattet. Schnecke 1 für Trockenwetterbetrieb, Schnecke 2 (in Kombination mit Schnecke 1) für Regenwetterbetrieb und Schnecke 3 als Reserve.

Einlaufhebewerk

Rechen

Das angehobene Abwasser fließt anschließend in das Rechengebäude.
Mit den beiden neuen Feinsiebrechen mit einer Spaltweite von 6 mm werden
die Grobstoffe aus dem Abwasserstrom entfernt. Das Rechengut wird anschließend
mit Hilfe eines Reinigungsschabers automatisch geräumt. Durch eine
Rechengutwäsche und anschließende Entwässerung wird die zu entsorgende
Rechengutmenge erheblich reduziert. Die ausgewaschenen, leicht abbaubaren
Kohlenstoffverbindungen erlauben in der biologischen Stufe einen
erhöhten Stickstoffabbau. Der Austrag des Rechengutes erfolgt über eine Transportschnecke und eine Absackanlage in einen Abwurfcontainer. Für einen
sicheren Winterbetrieb und zur Vermeidung von Geruchsbelästigungen ist die gesamte Rechenanlage in einem geschlossenen Gebäude untergebracht. Im Falle extremer hydraulischer Belastungen oder der Störung eines Rechens, sorgt eine Notumgehung, die zwischen den beiden Rechen verläuft, für eine schadlose Ableitung des Abwassers.

Feinrechen

Sandfang

Im belüfteten Langsandfang werden Sand, Kies und andere Schwerstoffe durch eine stark verminderte Fließgeschwindigkeit aus dem Abwasser abgeschieden, um Ablagerungen und erhöhten Verschleiß in den nachfolgenden Behandlungsstufen zu vermeiden. Eine Druckbelüftung bewirkt in Längsrichtung eine Spiralströmung, die gleichzeitig das Absetzen organischer Bestandteile verhindert und bei schwankenden Zuflüssen einen nahezu gleichbleibenden Wirkungsgrad gewährleistet. Mit der aufsteigenden Luft werden Leichtstoffe nach oben gerissen und können so aus dem seitlich angeordneten Fettabscheider entnommen werden. Die Sandräumung erfolgt mittels Bodenschild in einem Trichter, von wo aus ein Druckluftheber den Sand zur Sandwäsche ins Sandbehandlungsgebäude fördert. Dort wird das Sandfanggut mit Brauchwasser so weit gewaschen und von organischen Bestandteilen befreit, dass es auf einer Bauschuttdeponie abgelagert werden kann. Die abgewaschenen organischen Bestandteile werden wieder in die Kläranlage zurückgeführt.

Sandfang

Durchflussmessung, Verteilbauwerk und Phosphorelimination

Nach dem Sandfang wird die Abwassermenge zunächst mit Hilfe einer Durchflussmessung erfasst. Anschließend gelangt das Abwasser in ein Verteilbauwerk von dem es ohne weitere Vorklärung auf die beiden Kombibecken für Zwecke der biologischen Abwasserreinigung verteilt wird. Im Verteilbauwerk sind zudem verschiedene Messgeräte installiert, die Rückschlüsse auf die Verschmutzung des Abwassers zulassen: Neben der Temperatur, dem pH-Wert und der Leitfähigkeit werden hier auch die Konzentrationen an Phosphat (PO4-P) und dem gelösten Chemischen Sauerstoffbedarf (CSB) in Echtzeit ermittelt. Hohe Phosphoreinträge in unseren Gewässern (u.a. aus Kläranlagen) führen zu starkem Algenwachstum und verursachen dadurch Sauerstoffmangel im Wasser, der Fischen und anderen Lebewesen die Existenzgrundlage entzieht. Aus diesem Grund wurde eine chemische Phosphatfällung installiert, die durch Zudosierung von Aluminiumsalzen ein Ausfällen der Phosphorverbindungen und deren Anreicherung im Klärschlamm bewirkt. Die Zugabe der erforderlichen Fällmittelmenge erfolgt mit Hilfe der Online-Phosphatmessung. Für Zwecke der Eigenüberwachung befindet sich vor Ort auch noch ein automatischer Probenehmer, der in der Lage ist, zeit- u. durchflussproportionale Proben (z.B. 24 h Mischproben) aus dem Abwasserstrom zu ziehen. Diese Proben werden anschließend im Labor der Kläranlage analysiert.

Verteilbauwerk

Belebungsbecken und Nachklärbecken

In den Belebungsbecken wird das eingeleitete Abwasser mit den Mikroorganismen des belebten Schlammes in Kontakt gebracht, vermischt und belüftet. Die Mikroorganismen ernähren sich von den organischen Inhaltsstoffen des Abwassers und lagern sie dadurch in ihre Biomasse ein. Das Gesamtvolumen der beiden äußeren Ringe der sogenannten Kombibecken (Kombination aus Belebungsbecken und Nachklärbecken) ist für eine Abwasserreinigung mit anaerober Schlammstabilisierung sowie Nitrifikation und Denitrifikation ausgelegt. Da das ursprüngliche Kombibecken, sowohl was das Belebungsbecken als auch das Nachklärbecken betrifft, erheblich zu klein war, lag es nahe, es um ein weiteres Kombibecken zu ergänzen. Die beiden Belebungsbecken haben jetzt zusammen ein Nutzvolumen von 10.230 m³. Jeweils die Hälfte des Kläranlagenzuflusses fließt dem alten und dem neuen Kombibecken zu. Das alte Kombibecken wurde etwas modifiziert und durch eine umfassende Betonsanierung wieder ertüchtigt. Die gesamte Maschinentechnik wurde erneuert, sodass das alte Becken nun in neuem Glanz erstrahlt. Beide Belebungsbecken sind mit abschaltbarer, feinblasiger Druckbelüftung und einer getrennten Propellerumwälzung ausgerüstet. Die zugehörigen Gebläse sind ausgerüstet mit Schallschutzhauben und stehen in einem Gebäude, das zwischen den beiden Kombibecken errichtet wurde. Neben den Gebläsen ist in diesem Gebäude auch die gesamte Mittelspannungshauptverteilung der Belebungsstufe untergebracht. Durch dort installierte Frequenzumformer kann die Leistung der Gebläse variiert und an den aktuellen Sauerstoffbedarf angepasst werden. Der Regelstrategie liegt die Online-Messung des Sauerstoffgehaltes im Belebungsbecken zugrunde. Neben der Sauerstoffmessung kommen aber noch andere Messgeräte zum Einsatz, mit deren Hilfe sich Rückschlüsse auf die Leistungsfähigkeit und Prozessstabilität der Kläranlage ziehen lassen. Neben einer Nitratmessung in der Denitrifikationszone werden auch die Trockensubstanzkonzentration des Belebtschlamms sowie die Temperatur und der pH-Wert in Echtzeit erfasst. In den innen liegenden Nachklärbecken wird der belebte Schlamm vom biologisch gereinigten Abwasser getrennt: Während im alten Kombibecken das Belebtschlamm-Abwasser-Gemisch das Nachklärbecken von außen nach innen durchströmt und das klare Abwasser in der Mitte über Zahnschwellen abgezogen wird, ist es im Falle des neuen Nachklärbeckens genau umgekehrt. D.h. das Belebtschlamm-Abwasser-Gemisch fließt dort durch ein zentrales Mittelbauwerk in das Rundbecken ein, der Schlamm setzt sich dann entlang des Strömungswegs ab und das Klarwasser läuft am Rand über Zahnschwellen in die Ablaufrinnen. Der abgesetzte Schlamm wird in beiden Nachklärbecken mit Hilfe von Räumschilden in einen Trichter in der Beckenmitte gefördert, von wo aus der Belebtschlamm mit Hilfe von Rücklaufschlammpumpen in das zugehörige Belebungsbecken zurückgefördert wird. Die Rücklaufschlammpumpen sind in einem weiteren Gebäude installiert, das sich ebenfalls zwischen den beiden Kombibecken befindet. In diesem Gebäude befindet sich neben diverser Messtechnik auch die Pumpentechnik für die Fällmitteldosieranlage. Weiterhin befinden sich dort auch die beiden Überschussschlammpumpen, die durch Schlammabzug dafür sorgen, dass die Konzentration der Mikroorganismen trotz ständigem Wachstum im Abwasserreinigungsprozess etwa konstant bleibt.

Rücklaufschlammpumpen

Kombibecken

Schlammbehandlung – Vorbehandlung und Faulbehälter

Vorbehandlung
Der aus der biologischen Reinigungsstufe abgezogene Überschussschlamm wird zunächst in dem Rohschlammspeicher zwischengespeichert. In diesem Vorlagebehälter wird auch der Überschussschlamm der Kläranlage Neuenhaßlau mit Hilfe einer Druckrohrleitung, die beide Kläranlagen des Abwasserverbandes miteinander verbindet, gepumpt. Nach einer statischen Voreindickung mit Hilfe der Schwerkraft gelangt der Überschussschlamm in eine mechanische Voreindickung, wo er mit Hilfe eines Scheibeneindickers aufkonzentriert wird. Der eingedickte Schlamm wird dann in einen Anaerobreaktor („Faulbehälter“) gepumpt. Das bei der statischen und mechanischen Eindickung anfallende Trübwasser wird in die Kläranlage zurückgeführt.

Faulbehälter
Im Anaerobreaktor („Faulbehälter“) wird der eingedickte Überschusschlamm unter Ausschluss von Sauerstoff (anaerob) einem Vergärungsprozess unterzogen. Heizungspumpen sorgen für eine mesophile (36 – 38 °C) Betriebsweise. Der Behälter ist isoliert, um den Wärmeverlust zu begrenzen. Ein Vertikalrührwerk, das an der Reaktorspitze montiert ist, sorgt dafür, dass sich im Reaktor keine Sink- und Schwimmschichten bilden. Nach einer mittleren Verweildauer von 20 bis 30 Tagen wird der vergorene Klärschlamm in den Schlammstapelbehälter gepumpt, um anschließend entwässert zu werden. Das bei der Vergärung entstehende Klärgas ist im Wesentlichen ein Gemisch aus brennbarem Methan (CH4), (65 – 70 Vol.-%) und unbrennbarem Kohlenstoffdioxid (CO2), (30 – 35 Vol.-%). Bevor das Klärgas energetisch in einem Blockheizkraftwerk genutzt wird, wird es jedoch zunächst in einem Gasbehälter gespeichert.

Maschinelle Voreindickung

Faulbehälter

Schlammentwässerung und Blockheizkraftwerk (BHKW)

Schlammentwässerung
Der gesamte Klärschlamm, der auf den Kläranlagen des Abwasserverbands Freigericht anfällt, wird verbrannt. Um die Entsorgungs- und Transportkosten so gering wie möglich zu halten, muss daher der ausgegorene Klärschlamm entwässert werden. Dies geschieht im Gebäude der Schlammentwässerung mit Hilfe zweier Vollmantel-Schneckenzentrifugen. Kernstück dieser Zentrifugen ist eine zylindrisch-konische Trommel, die mit einer hohen Drehzahl rotiert. Die im Klärschlamm enthaltenen Feststoffe setzen sich unter dem Einfluss der Zentrifugalkraft an der Innenwand der Trommel ab, sodass die Feststoffe vom Wasser getrennt werden. Nach der Entwässerung hat der Klärschlamm einen Feststoffgehalt von ca. 25 %. Das abgetrennte Zentratwasser wird nach einer Zwischenspeicherung wieder der Kläranlage zugegeben.

Blockheizkraftwerk (BHKW)
Im BHKW-Raum wandelt ein Gasmotor mit 80 kWel das Klärgas in thermische und elektrische Energie um. Die thermische Energie wird genutzt, um die Kläranlage mit Wärme zu versorgen. Die elektrische Energie wird genutzt, um einen Teil des Strombedarfs der Kläranlage zu decken. Der Betrieb des Gasmotors ist sehr schallintensiv, sodass das BHKW mit einer Lärmschutzhaube gekapselt ist. Dennoch werden die Grenzwerte der TA „Lärm“ außerhalb des Betriebsgebäudes eingehalten. Sollte aufgrund technischer Probleme am Gasmotor oder dem Gasbrennkessel das Klärgas nicht genutzt werden können, so wird das Klärgas schadlos über eine Notfackel entsorgt.

Schlammentwässerungsanlage

Blockheizkraftwerk

Elektro- und Fernwirkanlage, Mess-, Steuerungs- und Regelungstechnik

Ein großer Teil der Mess-, Steuer- und Regeltechnik der Kläranlage wurde im Rahmen der Modernisierungsmaßnahmen in den letzten Jahren erneuert. Alle Pumpen und Maschinen sind über speicherprogrammierbare Steuerungen (SPS) automatisiert. Des Weiteren ist es möglich, über Vorort-Schalter an den Aggregaten per Hand in die Steuerung einzugreifen. Über ein Prozessleitsystem (PLS) werden die verschiedenen Steuer- und Regelprozesse, die durch die SPS ausgeführt werden, am Rechner der zentralen Schaltwarte visualisiert. Abläufe von Prozessen können hier angepasst werden, Messwerte und Betriebszustände werden hier protokolliert. Alle erforderlichen Daten werden in das digitale Betriebstagebuch übernommen. Bei bedeutenden Störungen wird das Betriebspersonal auch außerhalb der normalen Dienstzeiten automatisch über Handy alarmiert. Auf dem Rechner der zentralen Schaltwarte laufen auch die Betriebsdaten der Kläranlage „Neuenhaßlau“ sowie die wichtigsten Betriebsdaten von verschiedenen Regenüberlaufbecken sowie des Pumpwerks „Hailer-Meerholz“ auf. Durch diese Fernüberwachung ist eine sichere Überwachung der über die einzelnen Ortsteile von Freigericht, Hasselroth und Gelnhausen verstreuten Anlagen und Sonderbauwerke möglich.

Mess-, Steuer- und Regeltechnik

Mess-, Steuerungs- und Regelungstechnik

Kläranlagenablauf, Betriebsgebäude und Fettspeicher

Kläranlagenablauf
Das gereinigte Abwasser gelangt aus den beiden Nachklärbecken über zwei unterirische Leitungen in das Auslaufbauwerk der Kläranlage. Bevor es von hieraus in ein nahe gelegenes Gewässer eingeleitet wird, wird auch hier noch einmal die Abwassermenge mit Hilfe zweier Durchflussmessungen (1 x Trockenwetter, 1 x Regenwetter) bestimmt und dokumentiert. Des Weiteren erfolgt eine Qualitätskontrolle mit Hilfe verschiedener Messungen für den pH-Wert, die Temperatur, die Leitfähigkeit und die Trübung. Für Zwecke der Eigen- und Fremdüberwachung befindet sich vor Ort auch noch ein automatischer Probenehmer, der in der Lage ist, zeit- und durchflussproportionale Proben (z. B. 24 h Mischproben) aus dem Abwasserstrom zu ziehen. Diese Proben werden anschließend zum Beispiel im Labor der Kläranlage analysiert.

Betriebsgebäude
Auch das Betriebsgebäude wurde von Grund auf modernisiert und erweitert. Der Sanitärbereich wurde erweitert und ebenso wie das Labor an die aktuelle Arbeitsstättenverordung angepasst. Dazu gehörte auch die Schaffung eines separaten Pausenraumes. Neben einer modernen Leitwarte, von der die gesamte Kläranlage überwacht und gesteuert werden kann, verfügt das Betriebsgebäude zudem über Büroräume, einen Werkstattbereich sowie einen Schulungsraum. Die Heizung des Gebäudes erfolgt klimafreundlich mit Hilfe der Abwärme aus dem Blockheizkraftwerk.

Fettspeicher
Der Abwasserverband Freigericht behandelt auch den Inhalt von Fettabscheidern, die in den Gewerbebetrieben (z. B. Gaststätten, Metzgereien) im Verbandsgebiet anfallen. Diese Fettabscheiderinhalte werden über Tankwagen auf die Kläranlage geliefert und dort zunächst in einem Tank gelagert. Von diesem Lagerbehälter wird das Fett bedarfsgerecht in den Faulturm gepumpt: Hier entsteht aus dem energiereichen Altfett Klärgas, das im Blockheizkraftwerk der Anlage in Strom und Wärme umgewandelt wird.

Betriebsgebäude

Gelände

Überdachter Lagerplatz und Materiallagerhalle

Materiallagerhalle
Moderne Abwasseranlagen sind technisch komplexe Systeme, die für Zwecke eines zuverlässigen Umwelt- und Gewässerschutzes kontinuierlich und reibungslos arbeiten müssen. Aus diesem Grund werden für einen ordnungsgemäßen Betrieb zahlreiche Ersatzteile für Pumpen, Rührwerke, Antriebe etc. vorgehalten. Darüber hinaus verfügt der Abwasserverband Freigericht über diverse Einsatzfahrzeuge, einen Gabelstapler, einen Radlader sowie eine leistungsfähige mobile Pumpe. Alle diese Fahrzeuge und Ersatzteile werden witterungsunabhängig in der Materiallagerhalle untergebracht.

Überdachter Lagerplatz
Bei der Abwasserreinigung fallen erhebliche Mengen an Reststoffen an. Neben dem entwässerten Klärschlamm fallen zudem größere Mengen Sand und Rechengut an. Im Bereich des überdachten Lagerplatzes besteht die Möglichkeit, diese Stoffe bis zur Abfuhr in Containern zwischenzulagern.

Materiallagerhalle