Erweiterung und Modernisierung von Kläranlagen

• 1. Veraltete Kläranlagen
• 2. Ausbau der Kläranlagen
• 3. Erweiterung der Kläranlage eines Geflügelschlachthofs mit Fertiggerichten
• 4. Schlussfolgerungen

1. Veraltete Kläranlagen

Viele der Kläranlagen, die in den vergangenen Jahrzehnten für die Behandlung von stark verschmutztem Industrieabwasser gebaut wurden, sind aufgrund verschiedener Faktoren mittlerweile veraltet:

• Steigerung der Produktionskapazität dieser Branchen.
• Sie wurden durch Wasserknappheit und Dürreperioden eingeschränkt.
• Die Behörden legen strengere Grenzwerte für den chemischen Sauerstoffbedarf (CSB), den biologischen Sauerstoffbedarf (BSB₅), Schwebstoffe, Gesamtstickstoff, Phosphor, Schwermetalle und andere Parameter fest.

Aus diesen Gründen sind häufig tertiäre Aufbereitungsmaßnahmen oder Anlagenerweiterungen erforderlich, um eine sichere Einleitung des Wassers oder dessen Wiederverwendung zu ermöglichen.

Bei der Planung einer Erweiterung oder Sanierung einer Kläranlage ist Folgendes zu berücksichtigen:

• Reduzierung des Anlagenbedarfs. Als Beispiel sei hier die mögliche Wegfall von Schlammeindickungsanlagen genannt, da DAF-Systeme konzentrierteren Schlamm produzieren.
• Senkung des Energieverbrauchs durch den Einsatz energieeffizienter Technologien.
• Geringerer Platzbedarf für die Erweiterung, da die neuen Geräte kompakter sind. 
• Reduzierung der Schlammproduktion durch Optimierung der Belastungsbedingungen und der Schlammverweildauer sowie durch Erhöhung der Schlammkonzentration mittels weiterer mechanischer Trocknungsverfahren.
• Wiederverwendung von gereinigtem Abwasser in Nebenprozessen (Waschen, Kühltürme), für Brauchwasser oder zur Bewässerung, wodurch der Verbrauch von Leitungswasser reduziert wird.

2. Ausbau der Kläranlagen

Wenn eine Kläranlage zu klein wird, treten verschiedene Probleme auf:

• Üble Gerüche
• Wartungsprobleme aufgrund des Betriebs am Limit
• Erhöhte Schlammbildung
• Mögliche Erhöhung der Deponiegebühren
• Verstoß gegen die Vorschriften zur Abfallentsorgung.

Eine der größten Herausforderungen bei der Erweiterung einer Kläranlage ist der begrenzte Platz. Oftmals müssen die Anlagen der Abwasserbehandlung verstärkt oder um neue Anlagen erweitert werden, während gleichzeitig mit einem erheblichen Anstieg der Schlammproduktion zu rechnen ist. Zudem arbeiten viele dieser Anlagen mit Technologien, die im Vergleich zu den heute hergestellten, effizienteren und kompakteren Lösungen veraltet sind.

In vielen Fällen ist der vollständige Ersatz einer Kläranlage durch eine neue Anlage nicht realisierbar, sowohl aufgrund der damit verbundenen hohen Kosten als auch wegen des Platzmangels für den Bau einer neuen Anlage, während die bestehende weiterhin in Betrieb ist. Daher stellt die schrittweise Modernisierung durch die Leistungssteigerung oder den Austausch wichtiger Komponenten des bestehenden Systems eine realistischere Alternative dar, mit dem Ziel, dessen Kapazität, Effizienz und Anpassungsfähigkeit an neue gesetzliche und betriebliche Anforderungen zu erhöhen.

In anderen Fällen kommt es vor, dass die eingesetzten Technologien nicht in der Lage sind, die erforderliche Qualität des aufbereiteten Wassers zu erreichen, insbesondere wenn dieses in öffentliche Gewässer eingeleitet werden soll.

Un ejemplo claro es el cumplimiento de los límites de DQO y Nitrógeno cuando se emplean decantadores secundarios en tratamientos biológicos o reactores SBR, los cuales no alcanzan los rendimientos esperados en la separación de sólidos. Esta falta de rendimiento se puede deber al dimensionamiento insuficiente del elemento, o a las características de los sólidos que no tienen el índice de sedimentación (IVL o índice volumétrico de lodos) adecuado para su separación por decantación (IVL < 100).

Um diese Erweiterungen und Verbesserungen durchzuführen, werden in der Regel verschiedene Strategien verfolgt:

In der Vorbehandlung (physikalisch-chemisch)

Immer häufiger werden Gasscheidungssysteme ausgetauschtrherkömmliche Filter (wie Koaleszenzplatten oder Dichteseparatoren) und Systeme zur Vorabscheidung durch Anlagen zur Flotation mit gelöstem Luft (DAF) oder durch CAF-Systeme (Kavitationsinduzierte Luftflotation).

Diese Anlagen ermöglichen eine effizientere Abscheidung von kolloidalen Stoffen, Schwebstoffen, Ölen und Fetten sowie eines Teils der organischen Substanzen und reduzieren so die Schadstoffbelastung, die in die nachfolgende biologische Behandlung gelangt. Dank ihrer kompakten Bauweise, Modularität, Automatisierung und Zuverlässigkeit eignen sie sich ideal für die Integration in bestehende Kläranlagen.

Ein DAF-System Die Luft wird übersättigt und setzt sich dann im Inneren des Schwimmers in Form kleiner Blasen ab, die sich an die Schwebstoffe anlagern und diese an die Oberfläche befördern, wo sie durch ein mechanisches Abstreifsystem entfernt werden. Beim CAF entstehen die Blasen durch Kavitation, die in einer rotierenden Turbine erzeugt wird.

Ein DAF-System kann auch als Ersatz für die Nachklärung eingesetzt werden, die nach einem biologischen Prozess erfolgt. Diese Kombination aus biologischem Reaktor und DAF ist bekannt als FBR (Flotation Bioreactor).

In diesem Szenario ermöglichen DAF-Systeme eine Verringerung des Platzbedarfs des Reaktors, da sie bei höheren Belastungen arbeiten, mit Biomassekonzentrationen (MLSS) im Bereich von 5–6 g/l, was deutlich über den 3–4 g/l von Reaktoren mit Sekundärklärbecken liegt.

Zudem produzieren DAF-Anlagen Schlamm mit hohen Trockensubstanzgehalten (zwischen 3 und 4 %), während bei der Sedimentation der Trockensubstanzgehalt kaum 1 % erreicht. Dank der DAF-Systeme sind Anlagen zur Eindickung von Zwischenschlamm nicht mehr erforderlich, was zu einer erheblichen Platzersparnis sowie zu einer Reduzierung der Anzahl an Anlagen und Pumpen führt.

Die wichtigsten Vorteile von Flotationsanlagen mit gelöstem Luft sind:

• Austausch von Primärabscheidern in Branchen, in denen mit Fetten und Ölen gearbeitet wird (Schlachthöfe, Molkereien, Fertiggerichte usw.).
• Verbesserung der Leistung bei der Feststoffentfernung und Senkung des CSB in Anlagen mit hydraulischer oder organischer Überlastung.
• Optimierung der Belastung der biologischen Nachbehandlung (Reduzierung des CSB und der Schwebstoffe um 40–60 %).
• Hohe Abscheideleistung (>90 % SST, >80 % CSB).
• Reduzierung des Volumens von Klärschlamm.
• Einfache Montage und schnelle Inbetriebnahme.

Wenn die Schlammemenge seit dem Bau der Kläranlage zugenommen hat, müssen die Vor- und Nachteile der einzelnen mechanischen Entwässerungsverfahren (Zentrifuge, Bandfilter, Filterpresse usw.) berücksichtigt werden. Filterpressen erzielen den höchsten Trockengehalt im Schlamm (30–40 %).

In der Sekundärbehandlung (biologisch)

Je nach Zusammensetzung des Abwassers kann es erforderlich sein, den Nitrifikations- und Denitrifikationsprozess zu verstärken. Zu diesem Zweck können die anoxischen Zonen und die Zonen mit verlängerter Belüftung vergrößert oder spezielle Technologien wie die MBBR-Reaktoren (Moving Bed Biofilm Reactor) eingesetzt werden. Diese Systeme integrieren mehrere Stufen der biologischen Behandlung durch den Einsatz von beweglichen Trägern („Carriers“), die die Entwicklung von anhaftender Biomasse begünstigen. Diese Konfiguration optimiert die Stickstoffentfernung und ermöglicht die biologische Oxidation in einem geringeren Volumen, wodurch die Prozesseffizienz gesteigert und der Platzbedarf reduziert wird.

Es kann vorkommen, dass hohe organische Belastungen den Einbau eines anaeroben Systems vor dem aeroben System nahelegen, wodurch die biologische Leistung verbessert, Biogas erzeugt und die Schlammproduktion drastisch reduziert wird.

Es gibt auch Abwässer, die gegenüber biologischem Abbau resistent oder schwer abbaubar sind, wie dies bei bestimmten organischen Verbindungen in der Textil-, Papier-, Chemie-, Pharma- oder Kosmetikindustrie der Fall ist. In diesen Fällen können Systeme zur fortgeschrittenen chemischen Oxidation (AEOs) installiert werden, die es ermöglichen, die Ketten organischer Verbindungen in biologisch abbaubarere Verbindungen aufzubrechen. Die gängigsten Technologien setzen energiereiche Oxidationsmittel wie Ozon (O₃) und Peroxide ein (H₂O₂), Chlor in Form von Dioxid (ClO₂) oder Peroxid (Cl₂O₃), UV-Katalysatoren. Anschließend erfolgt eine Filtration durch ein Mehrschichtmedium (MMF) und granulierte Aktivkohle (GAC).

Membranbioreaktoren sind eine hervorragende Option, um eine konventionelle biologische Abwasserbehandlung zu verstärken und zu verbessern. Ein MBR-System kombiniert die biologische Behandlung mit der Membranfiltration (Mikrofiltration oder Ultrafiltration) und ermöglicht so die Entfernung von Schwebstoffen, organischen Stoffen, Stickstoff und Phosphor. Membranbioreaktoren produzieren aufbereitetes Wasser von höchster Qualität, das in vielen Fällen wiederverwendet werden kann. Darüber hinaus sparen sie durch ihre kompakte Bauweise Platz in der Anlage.

Die Vorteile Hauptkomponenten der Systeme MBR sind :

• Ersatz oder Erweiterung herkömmlicher biologischer Klärverfahren ohne den Einsatz von Nachklärbecken oder Eindickern.
• Gewinnung von hochwertigem Wasser zur Wiederverwendung (Bewässerung, Kühltürme, industrielle Prozesse).
• Höhere Biomassekonzentration (MLSS 8–12 g/l), wodurch sich das Reaktorvolumen verringert.
• Calidad de efluente excelente (SS <1 mg/l, turbidez <0,2 NTU).
• Eine höhere Fähigkeit, Schadstoffspitzen aufzunehmen, wie sie in Industrieanlagen häufig auftreten.
• Robuste und kompakte Geräte, die eine zuverlässige und kontinuierliche Aufbereitung gewährleisten.
• Geringere Bildung von Überschussschlamm aus dem biologischen Prozess.
• Reduzierung des CO₂-Fußabdrucks.
• Automatisierter und stabiler Betrieb.

Optional können MBR-Anlagen mit tertiären Desinfektions- oder Umkehrosmoseanlagen kombiniert werden, um das aufbereitete Wasser direkt wiederzuverwenden.

3. Erweiterung der Kläranlage eines Geflügelschlachthofs mit Vorbehandlungsanlagen

Geflügelschlachthöfe mit Fertiggericht-Produktionslinien erzeugen Abwasser mit hoher organischer Belastung, das erhebliche Mengen an Fetten, Proteinen, Ölen, Blut, Gewürzen und Zusatzstoffen enthält.

Herkömmliche Anlagen reichen oft nicht aus, um die vorgeschriebenen Einleitungsgrenzwerte einzuhalten, insbesondere bei CSB, Gesamtgehalt an suspendierten Feststoffen und Fetten.

Wir betrachten das Beispiel eines Geflügelschlachthofs mit zusätzlicher Produktion von Fertiggerichten, der über eine Kläranlage mit Einleitung in ein öffentliches Gewässer verfügt. Diese Anlage verfügt über folgende Aufbereitungslinie:

• Vorklärung mit Vorabscheidung
• Herkömmliche biologische Behandlung mit Belebtschlamm.
• Mechanische Schlammtrocknung mittels Zentrifuge.

Die folgende Tabelle gibt einen Überblick über die grundlegende Zusammensetzung der in dieser Branche anfallenden Abwässer:

PARAMETER	EINHEIT	KONZENTRATION
pH-Wert	-	6,5–8
COD	mg/l	4.000–10.000
SST	mg/l	2.000–4.000
Öle und Fette	mg/l	500–1.500
Gesamtstickstoff	mg/l	80–150

Dieses Abwasser setzt sich aus Abflüssen aus der Schlachtung (Blut, Innereien), dem Brühen und Rupfen, dem Waschen der Transportkörbe, dem Garen, dem Abfüllen sowie der Reinigung der Anlagen zusammen.

Die Anlage umfasst folgende Behandlungsstufen:

In diesem Fall, der als sehr häufig anzusehen ist, wird folgende Vorgehensweise vorgeschlagen:

Bei der physikalisch-chemischen Behandlung wird der Vorklärbecken durch eine Flotationsanlage mit aufgelöster Luft ersetzt. Ziel ist es, den Großteil der Feststoffe und Fette sowie einen Teil des CSB zu entfernen, um die Belastung zu verringern, die in die biologische Behandlung gelangt.

Die Konfiguration des DAF-Systems umfasst :

• Dosieranlagen für Koagulierungs- und Flockungsmittel, die zur Gewährleistung einer korrekten Reaktion in eine Flockungsspirale eingespritzt werden.
• DAF-Anlage mit Luftverteilungssystem, oberflächlicher Schlammabsaugung mittels mechanischer Kehrmaschine und automatischer Bodenentleerung.
• Druckbeaufschlagungssystem mit Wasserumwälzpumpe, Druckluftsättigung sowie Belüftung durch Druckentlastung und Verteilung der Luftblasen im Schwimmerbehälter.

Die nach dieser Umgestaltung erzielten Leistungen der Kläranlage sind wie folgt:

• SST: Reduzierung um >90 %
• CSB: Reduzierung um 40–60 %
• Fette: Entfernung >90 %

Im Rahmen der Nachbehandlung wird vorgeschlagen, den konventionellen Belebtschlammreaktor umzubauen und in ein MBR-System mit in einem Nebenbehälter eingetauchten Membranen umzuwandeln.

Das Ziel besteht darin, die aus der DAF austretenden organischen Stoffe zu oxidieren und Stickstoff zu entfernen, um ein geklärtes, feststofffreies und zur Wiederverwendung geeignetes Abwasser zu erhalten.

Die vorgeschlagene Konfiguration für den Membranbioreaktor lautet wie folgt:

Anordnung eines Anbaubehälters, der flache, eingetauchte Mikrofiltrationsmembranen enthält, mit Vorrichtungen für die Rezirkulation, die Luftreinigung, die chemische Spülung und die Schlammabsaugung.

Nach dieser Aufbereitung weisen die grundlegenden Eigenschaften des aufbereiteten Wassers folgende Merkmale auf:

PARAMETER	EINHEIT	GRENZWERT FÜR ABFALLENTLEERUNGEN (*)	BEHANDELTES ABWASSER
COD	mg/l	125–150	≤ 50
SST	mg/l	35–60	≤ 5
Öle und Fette	mg/l	10–25	≤ 10
N – NH₄⁺	mg/l	15–35	≤ 10

(*) Die Grenzwerte für Einleitungen in öffentliche Gewässer hängen vom Einzugsgebiet und der jeweiligen Einleitungsgenehmigung ab.

Anhand dieser Ergebnisse lassen sich nach der Modernisierung der Kläranlage folgende Verbesserungen feststellen:

• Gesamtabbau von CSB > 95 %, SST > 98 %.
• Abwasser, das für die Wiederverwendung in der Haustechnik und zur Bewässerung geeignet ist.
• Reduzierung in der Größenordnung von  40 % des Schlammvolumens.
• Einhaltung der Abfallentsorgungsvorschriften und Einsparungen bei den Entsorgungsgebühren.
• Keine unangenehmen Gerüche.
• Geringerer Platzbedarf im Vergleich zu herkömmlichen Systemen.
• Stabiler, automatisierbarer Betrieb, der weniger empfindlich auf Lastschwankungen reagiert

Im Folgenden werden weitere mögliche Verbesserungen für die untersuchte Kläranlage aufgeführt:

• Installation einer UV-Desinfektions- oder Chlorungsanlage zur Wiederverwendung von Wasser bei Reinigungsarbeiten.
• Anaerobe Schlammvergärung, wenn Biogas zur energetischen Verwertung gewonnen werden soll.
• Online-Überwachung von CSB, NTK, Durchfluss, Membrandruck und gelöstem Sauerstoff.
• Ersatz der Schlammzentrifuge durch eine Filterpresse, wodurch der Feststoffgehalt (Trockengehalt) des Schlamms auf 25–30 % erhöht werden kann.

Nach diesen Änderungen würde die Behandlungslinie wie folgt aussehen:

Die Vakuumverdampfung eignet sich am besten, wenn der Rückstand verwertet werden soll oder wenn aufgrund seiner Gefährlichkeit oder Komplexität eine hohe Konzentration des Rückstands erforderlich ist. In diesen Fällen können sich die Anfangsinvestition und der hohe Energieverbrauch amortisieren.

Bandfilter und Zentrifugen eignen sich am besten für hohe Durchflussmengen von einfachen Schlammstoffen, wie sie beispielsweise aus kommunalen Kläranlagen stammen. Sie liefern eine Schlammkonzentration, die den Anforderungen von Standarddeponien entspricht, und das bei relativ geringen Installations- und Betriebskosten.

4. Schlussfolgerungen

Das industrielle Wachstum und die Produktdiversifizierung führen in der Regel zu einem Anstieg sowohl der Durchflussmengen als auch der Schadstoffbelastung, die von den Kläranlagen behandelt werden müssen. Diese Überlastung kann die bestehenden Kläranlagen überfordern und damit die Effizienz der Behandlung sowie die Einhaltung der Einleitungsgrenzwerte gefährden.

Die steigenden gesetzlichen Anforderungen und das Engagement für Nachhaltigkeit treiben die Modernisierung zahlreicher industrieller Kläranlagen voran. In diesem Zusammenhang ermöglicht der Einsatz fortschrittlicher Technologien wie Dissolved-Air-Flotation-Systeme (DAF) und Membranbioreaktoren (MBR) nicht nur eine deutliche Verbesserung der Qualität des Endabwassers, sondern auch eine Optimierung des Betriebs, eine Verringerung des Platzbedarfs der Anlage und eine Erleichterung der Wiederverwendung des behandelten Wassers.

Herkömmliche Kläranlagen, die auf Vorklärbecken, herkömmlichen biologischen Reaktoren und Nachklärbecken basieren, erweisen sich angesichts der neuen Anforderungen in vielen Fällen als unzureichend oder ineffizient. Die Modernisierung industrieller Kläranlagen durch den Einsatz von Technologien wie DAF- und MBR-Systemen ermöglicht es, die aktuellen Herausforderungen der Abwasserbehandlung zu bewältigen:

• Die Betriebskosten senken.
• Die Aufbereitungskapazität erweitern.
• Steigert die Leistungsfähigkeit der Anlage.

Literaturverzeichnis und Quellenangaben

• Metcalf & Eddy (2020), Abwassertechnik: Behandlung und Rückgewinnung von Ressourcen.
• Judd, S. (2011), The MBR Book: Grundlagen und Anwendungen von Membranbioreaktoren für die Wasser- und Abwasserbehandlung.
• Capodaglio, A. G. (2019), Fortgeschrittene Abwasserbehandlung
• Effiziente und langlebige Flotationsanlagen mit gelöstem Luft
• CAF-Kavitations-Luftflotationssystem für Abwasser
• FBR-Bioflotation: Bioreaktor + DAF-Klärung
• Seitlich verschiebbare Filterpressen zur Schlammentwässerung
• MBR-System – Membranbioreaktoren für Abwasser 
• PFL-Flockungsmittel für die Koagulation und Flockung – SIGMADAF