Übung 1: Systemanalyse

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ÜBUNGEN ZU
SIEDLUNGSWASSERWIRTSCHAFT
Übung 1: Systemanalyse
Übung 2: Pumpwerk und Reservoir
Übung 3: Netzberechnung
Übung 4: Desinfektion
Übung 5: Regenmessungen
Übung 6: Versickerung
Übung 7: Charakterisierung von Abwasser
Übung 8: Beurteilung einer nitrifizierenden Belebungsanlage
Übung 9: Phosphorbilanz um eine Belebungsanlage
Übung 10: Bilanz um einen Eindicker
Übung 11: Schlammbehandlung
2
4
6
9
11
13
14
15
18
20
21
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Seite 2
Übung 1: Systemanalyse
Ziel der Übung
Systemanalyse und Bilanzierung sind Grundlagen für eine erfolgreiche Modellierung des
Verhaltens eines Systems. Anhand von zwei Beispielen sollen Sie in dieser Übung diese
Methoden vertiefen. Es geht hier nur um das Verständnis des Systems und nicht um allfällige
Prozesse (vgl. Skript Kap. 2).
Aufgabe 1: Abbau eines Stoffes S in einem idealen Rührkessel
Sie betreiben einen Reaktor, der sich wie ein idealer Rührkessel verhält (Abb. 1). In diesem
Reaktor wird ein Stoff S in einer Reaktion 1.Ordnung entsprechend r = -k  S abgebaut. Die
Reaktionsgeschwindigkeit beträgt k = 50 d-1.
Rührer
Qzulauf = 10000m3d-1
Szulauf = 30 g m-3
Volumen V = 1000 m3
Abb. 1: Idealer Rührkessel
Frage 1:
Wie gross ist im stationären Zustand die Konzentration S im Ablauf des Reaktors?
Hinweis:
Erstellen Sie eine Massenbilanz für den Stoff S um den idealen Rührkessel und berechnen Sie
die Ablaufkonzentration des Stoffes S im stationären Zustand (= keine Speicherung, Zu- und
Abflüsse sind konstant).
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Seite 3
Aufgabe 2: Die Kanalisation als Reaktor
Eine alte Drainageleitung entwässert in die Kanalisation. Sie wollen abschätzen, wieviel
Wasser QD mit welcher Konzentration des Stoffes SD durch diesen Zufluss in die Kanalisation
gelangt. Unmittelbar oberhalb des Drainagezuflusses und 1000m weiter unten gibt es einen
Schacht mit der Möglichkeit zur Probenahme (Abb. 2). Von diesen zwei Punkten besitzen Sie
Messungen des Durchfluss und der Konzentration von S.
Der Stoff wird in der Kanalisation abgebaut mit einer Reaktion 1.Ordnung (r = -kS) mit
k = 25 d-1. In erster Näherung können Sie den Kanalabschnitt als einen idealen Röhrenreaktor
betrachten.
Drainage
QD, SD
QAb = 0.06 m3s-1
Qzu = 0.05 m3s-1
Szu = 8 g
m-3
v = 1 m s-1
SAb = 5 g m-3
L = 1000 m
Abb. 2: Kanalisationsabschnitt mit Zufluss aus Drainageleitung
Frage 2:
Wieviel Wasser QD fliesst aus der Drainage zu und welche Stoffkonzentration SD enthält
dieses Wasser?
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Seite 4
Übung 2: Pumpwerk und Reservoir
Ziel der Übung
Dimensionierung, Betrieb und Gestaltung von Pumpwerken und Reservoiren kennenlernen.
Grundlagen:
Es soll ein baufälliges, unhygienisches Reservoir ersetzt werden. Dem Reservoir fliesst
Quellwasser direkt zu, zudem fördert ein Grundwasserpumpwerk ebenfalls direkt ins
Reservoir (das erlaubt eine optimale Mischung der zwei unterschiedlichen Wässer).
Es besteht ein Pumpwerk mit zwei Pumpen, deren Pumpencharakteristik in Abb. 3 dargestellt
ist. Um die günstige Nachtenergie zu nutzen sollen die Pumpen nur in der Zeit von 2200 –
0600 Uhr betrieben werden.
Pumpenkennlinie
Förderhöhe H (m)
120
100
80
60
40
20
0
50
100
150
200
250
Q (l/s)
Abb. 3: Kennlinie für eine der bestehenden Pumpen
Q [l/s]
90
H Pumpe [m] 110
100
109
110 120 130 140 150 160 170 180 190 200 210 220 230
107 103 100 96 91 85 78 70 62 54 44 32 18
Im Reservoir soll eine Löschreserve von 800 m3 vorgesehen werden.
Alle genutzten Quellen sind an eine gemeinsame Brunnenstube angeschlossen, so dass bisher
nur die Schüttung der Quellen zusammen gemessen wurde. Tabelle 1 enthält die minimale
gemessene Schüttung aus Beobachtungen der letzten 10 Jahre.
Der Grundwasserspiegel liegt bei Berücksichtigung der Absenkung als Folge des Pumpbetriebs bei Trockenheit auf 665 müM, der Wasserspiegel im neuen Reservoir liegt bei ca.
757 müM. Die 1.8 km lange Leitung vom Pumpwerk zum Reservoir wurde kürzlich renoviert,
die Rohrkonstante wurde zu  = 0.186 s2 m-6 bestimmt.
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Seite 5
Messungen haben ergeben, dass der Wasserverbrauch entsprechend der Angaben in Tabelle 2
und Abb. 4 variiert (Jahresgang, Tagesgang). Die Gemeinde erwartet, dass der
Wasserverbrauch in den nächsten Jahren noch um 20% zunehmen wird.
Tabelle 1: Minimale Schüttung von Quellwasser in den letzten 10 Jahren
Monat Jan
Feb Mär Apr Mai Jun
Jul Aug Sep Okt Nov Dez
[m3/d] 5308 5081 6050 6810 7519 5976 4819 3429 2578 2978 4187 5210
Tabelle 2: Wasserverbrauch im Jahre 1995
Messungen 1995
Durchschnittliche Wasserabgabe:
Maximale Wasserabgabe:
Minimale Wasserabgabe:
Wasserabgabe
14
12
10
8
6
4
2
22-24
20-22
18-20
16-18
14-16
12-14
10-12
8-10
6-8
4-6
2-4
0
0-2
Verbrauch [%]
3.6
3.4
5.2
10.0
12.0
12.6
12.0
11.4
10.6
9.0
6.2
4.0
100.0
Abgabe (% der
Tagesabgabe)
Zeit
0-2
2-4
4-6
6-8
8-10
10-12
12-14
14-16
16-18
18-20
20-22
22-24
Total
5131 m3/d
7024 m3/d
3820 m3/d
Zeitraum (Tageszeit)
Abb. 4: Gemessener Tagesgang des Wasserverbrauchs
Fragen:
1)
Wieviel Grundwasser muss das Pumpwerk pro Tag mindestens fördern können?
2)
Wie gross muss das Reservoir gebaut werden, wenn die Pumpen nur in der Nacht
fördern sollen?
3)
Genügen die beiden vorhandenen Pumpen um das Grundwasser zu fördern? Wenn ja,
wie sollen sie angeordnet und betrieben werden?
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Seite 6
Übung 3: Netzberechnung
Ziel der Übung
Kennenlernen von hydraulisch bestimmten und unbestimmten Systemen in der
Trinkwasserversorgung und einfache Netzberechnung durchführen können (vgl. Kap. 11)
System 1:
System 2:
HR2 = 600 m.ü.M.
HR = 600 m.ü.M.
HR1 = 600 m.ü.M.
80 l/s
200 l/s
A
D
B
A
50 l/s
0 l/s
C
B
50 l/s
E
System 3:
System 4:
A
HR = 700 m.ü.M.
80 l/s
B
A
B
80 l/s
HGW = 637 m.ü.M.
240 l/s
HC = 345 m.ü.M.
Pumpenkennlinie
siehe
Abb.4
160 l/s
Abb. 5: Schematische Darstellung von Wasserversorgungssystemen
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Seite 7
Abb. 6: Pumpenkennlinien. Die installierte Pumpe ist vom Typ SP 75-4 (Quelle
Grundfos Pumpen)
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Fragen:
1) Welche Systeme in Abb. 5 sind hydraulisch bestimmt, welche nicht?
2) Berechnen Sie die Durchflüsse und Druckhöhen in den hydraulisch bestimmten Systemen.
Annahme: Alle Rohre haben einen Innendurchmesser von 150 mm mit  = 40 s2/m6. Die
Länge zwischen zwei Knoten beträgt jeweils 100 Meter.
3) Berechnen Sie eines der hydraulisch unbestimmten Systeme mit Hilfe einer einfachen
Iterationsrechnung. Annahme: Rohreigenschaften und -längen wie in Frage 2.
4) Eine Trinkwasserversorgung am Hang hat zwei unterschiedliche Druckzonen. Diese sind
durch den abgebildeten Druckunterbrechungsschacht (Abb. 7) voneinander getrennt. Wie
kann dieses Element in der Trinkwasserversorgung mit den Ihnen bekannten Elementen
modelliert werden?
C
HR = 600 m.ü.M.
80 l/s
E
B
200 l/s
D
HDUS = 552 m.ü.M.
A
150 l/s
F
G
Abb. 7: Druckbrecherschacht
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Seite 9
Übung 4: Desinfektion
Ziel der Übung
Anhand der Dimensionierung einer Desinfektionsanlage, die Trinkwasser mit Ozon
desinfiziert, sollen Sie die Reaktorhydraulik aus dem Kapitel 2 praktisch anwenden.
Grundlagen
–
Das Rohwasser (noch nicht behandeltes Wasser) enthält je nach Saison 105 bis 107 Keime
pro ml.
–
Das desinfizierte Trinkwasser darf maximal 1 Keim pro 100ml enthalten.
–
Die Desinfektion sollte mit einem Sicherheitsfaktor 100 gewährleistet sein.
–
Ozon wird mit Belüftungsaggregaten eingetragen, die eine sehr grosse Turbulenz
verursachen.
–
In der Literatur finden Sie folgendes Gesetz für die Geschwindigkeit des
Desinfektionsprozesses:
rN = -k · CO3 · N
rN
k
N
CO3
Anzahl Keime · L-3 · T-1
MO3-1 · L3 · T-1
Anzahl Keime · L-3
MO3 · L-3
Anzahl Keime, die absterben
Reaktionskonstante
Konzentration der Keime
Ozonkonzentration
Im Labor messen Sie die folgenden Keimzahlen in einem Batch-Reaktor (=
Chargenreaktor):
Zeit min
N Anzahl Keime/ml
0
1
2
3
5
7
3·106
2·105
5·104
3·103
1·102
<1
Ozonkonzentration CO3 = konstant = 0.2 mgO3/l
Resultate Batch-Versuch
ln(N/N 0)
–
=
=
=
=
0
-2
-4
-6
-8
-10
-12
-14
-16
0
1
2
3
Zeit [min]
4
5
6
7
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Seite 10
Fragen
1)
Leiten Sie aus den Versuchsresultaten die Grösse der Geschwindigkeitskonstanten k her.
Hinweis: Erstellen Sie die Bilanzgleichung für den Batch-Reaktor
2)
Als Vereinfachung wollen Sie die Desinfektionsanlage als idealen Rührkessel modellieren.
Wie gross würde ein idealer Rührkessel für die Desinfektion des Trinkwassers einer
Kommune, die Q = 5000 m3 d-1 Trinkwasser braucht? Berücksichtigen Sie die vorgegebenen
Randbedingungen und nehmen Sie an, dass der Reaktor mit der konstanten
Ozonkonzentration von CO3 = 0.25 mgO3/l und im steady state betrieben wird?
Hinweis: Erstellen Sie die Bilanzgleichung für den idealen Rührkessel
3)
Die Anlage wird wie folgt gebaut: Das
Reaktorvolumen von total 500 m3 wird durch
eine Trennwand unterteilt, so dass zwei
volldurchmischte ideale Rührkessel von je
250m3 Inhalt entstehen. Die Ozonkonzentration beträgt in beiden Reaktoren konstant 0.25
mgO3/l.
QZu
NZu
N1
N2
QAb
Nab
Stellen Sie die Bilanzgleichungen für die beiden Rührkessel auf, um daraus die
Abflusskonzentrationen N1 und N2 berechnen zu können.
Kann diese Anlage die Qualitätsziele erfüllen? Wie könnte ihre Leistung allenfalls verbessert
werden?
Zusatzaufgaben
4)
Durch eine zunehmende Anzahl von Zwischenwänden entsteht eine sogenannte
Rührkesselkaskade. Wieviel gleich grosse Teilreaktoren, mit einem totalen Volumen von 500
m3 sind erforderlich, damit das Ziel der Desinfektion eingehalten werden kann?
Hinweis:
Lösen Sie die Bilanzgleichung für einen Reaktor mit einem Volumen von Vtot / n (n = Anzahl
Teilreaktoren) und versuchen Sie aufzuzeigen, wie Sie mit dieser Teilbilanz anschliessend
mehrere Reaktoren in Serie beschreiben können).
5)
Welche Ablaufkonzentration hätte ein idealer Röhrenreaktor im stationären Zustand bei
gleichem Volumen?
(Ozonierung erzeugt grosse Turbulenz, entsprechend weicht der Ozonierungsreaktor immer
vom Röhrenreaktor ab. Durch viele Zwischenwände kann aber ein Röhrenreaktor angenähert
werden).
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Übung 5: Regenmessungen
Ziel der Übung
–
Regenmessungen sinnvoll interpretieren können
–
Vetraut werden mit den statistischen Angaben zu Regenintensitäten
Grundlagen
Am 15. August 1995 stand der folgende Artikel im Tagesanzeiger:
Seite 11
Lösungen und Resultate zu Übungen in Siedlungswasserwirtschaft
Seite 12
Die Regenintensität nach Hörler und Rhein (vgl. Kap. 13) ist
rz (T) = G · T · hz
hz = 1 + C · log10(z)

T

15  B
T B
Dielsdorf liegt nördlich von Zürich. Entsprechend können die in Kap. 13 aufgeführten Werte
für Zürich verwendet werden:
G = 132 l s-1 ha-1
B = 8 min
C = 0.75
Fragen
1) Welche Jährlichkeiten haben die beiden im Artikel beschriebenen Regenereignisse?
Kommentieren Sie die Resultate.
2) Welche durchschnittliche Regenintensität erhalten Sie für ein Jahrhundertereignis?
3) Wie gross ist die Wahrscheinlichkeit, dass ein 100-jährliches Ereignis innerhalb von
hundert Jahren nicht beobachtet wird? Wie gross, dass ein solches Ereignis mindestens
zweimal auftritt?
4) Wie würden Sie die Schlagzeilen für diesen Artikel setzen, und welche Daten würden Sie
nochmals überprüfen? Teilen Sie die Hoffnung des Journalisten für die Dielsdorfer
Bevölkerung?
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Seite 13
Übung 6: Versickerung
Ziel der Übung
–
Verstehen der relevanten Prozesse bei der Dimensionierung einer Versickerungsanlage
–
Umgang mit Regenintensitäten
Aufgabe
Eine Industriebetrieb überlegt sich eine neue Art der Entwässerung ihres Grundstückes. Das
Regenwasser von Dächern, Zubringerstrassen und Parkplatz soll versickert werden. Der
Parkplatz (Rasengittersteine, Verdunstung vernachlässigbar) hat kaum Gefälle (<1%) und soll
als Versickerungsanlage dienen. Mit dem Einstau entsteht ein Retentionsvolumen.
Angaben zum Grundstück:
Gesamtfläche
7950 m2
Dachfläche
3000 m2 Blech
Rasenflächen
2450 m2 Gefälle < 1 %
Zufahrtsstrassen
1050 m2 asphaltiert
Parkplatz
1450 m2 durchlässig
Versickerungsversuche auf dem Parkplatz ergeben eine Versickerungsleistung von 0.049
l s-1 m-2 (490 ls-1ha-1).
Vernachlässigen Sie die Anlaufzeit bei Ihren Berechnungen.
Hinweise:
Die jeweils massgebende Regenintensität ist nach Hörler und Rhein zu ermitteln (vgl. auch
Kap. 13.3).
r (T, z) 
K( z)
B T
rz (T) = G · T · hz
hz = 1 + C · log10(z)

T

15  B
T B
l
s  ha
B = 9 min
C = 0.77
G = 134
Fragen
1) Wie gross ist die Fläche des Industriegrundstückes, die für die Dimensionierung der
Versickerungsanlage massgebend ist?
2) Wie oft muss der Industriebetrieb damit rechnen, dass auf dem Parkplatz Meteorwasser
aufgestaut wird? Die massgebende Regendauer beträgt mindestens 10 min.
3) Wie gross ist der grösste Meteorwasseraufstau (mittlere Wassertiefe auf dem Parkplatz),
der einmal in 20 Jahren erwartet werden muss? Die massgebende Regendauer T ist
variabel!
4) Mit welcher Dauer des Aufstaus muss der Betrieb einmal pro 20 Jahre rechnen?
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Seite 14
Übung 7: Charakterisierung von Abwasser
Ziel der Übung
Bei der Charakterisierung von Abwasser interessieren uns vor allem die organischen
Inhaltsstoffe und die Nährstoffe Stickstoff und Phosphor. Sie sollen in dieser Übung am
Beispiel eines Molkereiabwassers die relevanten Parameter kennenlernen und berechnen.
Grundlagen
In der Milchannahmestelle der Molkereizentrale in einem Dorf mit 5000 Einwohnern wird die
Milch aus den Sammelfahrzeugen abgepumpt und die Tanks anschliessend gewaschen. Die
Betreiber möchten das dabei entstehende Abwasser direkt in die Kanalisation einleiten.
Annahmen: - 0.1 % der angelieferten Milchmenge gelangen ins Abwasser.
- 1 Liter Milch wiegt 1kg.
Angelieferte Milchmenge: 80’000 kg/d
Tabelle 3 Zusammensetzung der Milch
Fett
35 g/l
Eiweiss
36 g/l
Milchzucker
47 g/l
Salze
7 g/l
Tabelle 4: Inhaltsstoffe der Milch
Stoffgruppe
Bruttoformel
Fett
C8H6O2
C6H12O6
C14H14O5N4
Milchzucker
Eiweiss
Formelgewicht
(g/mol)
Atomgewichte: C = 12 g/Mol
180
318
Oxidation mit Sauerstoff
C8H6O2  8.5O2  8CO2  3H2O
C6H12O6  6O2  6CO2  6H2O
C14H14O5N4  12O2  14CO2  1H2O  4NH3
H = 1 g/Mol
O = 16 g/Mol
N = 14 g/Mol
Fragen
1) Berechnen Sie von diesem Abwasser (Milch) folgende Werte:
TOC- Konzentration
(gC/l)
TOC- Fracht
(kgC/d)
TKN- Konzentration
(gN/l)
TKN- Fracht
(kgN/d)
CSB- Konzentration
(gCSB/l)
CSB- Fracht
(kgCSB/d)
Hinweis:
Die Salze sind mineralisch und enthalten keinen Stickstoff
2) Wievielen Einwohnergleichwerten (Grössenordnung) entspricht das Abwasser aus der
Milchannahmestelle? Ergeben sich durch die zusätzliche Belastung durch das Abwasser
der Molkerei Probleme auf der ARA dieses Dorfes?
Hinweis:
Beachten Sie Kap. 6.3.
3) Wie gross (%) ist der Glühverlust GV der Milch bezogen auf die Trockensubstanz?
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Seite 15
Übung 8: Beurteilung einer nitrifizierenden Belebungsanlage
Ziel der Übung
–
Sie sollen die Zusammenhänge zwischen Belastung, Gestaltung und Leistung einer
biologischen Reinigungsanlage beurteilen lernen.
–
Durch den Rücklauf von Ammonium im Faulwasser wird die biologische Reinigungsstufe
der Kläranlage zusätzlich belastet. Sie sollen erkennen, dass die Art des Betriebes einer
Anlage deren Leistung prägt.
Angaben zur Abwasserreinigungsanlage
Das Belebungsbecken der Abwasserreinigungsanlage wurde neu für eine Nitrifikation auf
VBB = 3100 m3 ausgebaut. Die periodischen Messungen der ARA ergaben anschliessend die
Werte in Abb. 8Abb. 13
Für die Jahre 1993/94/95 wurden die Betriebsdaten in Tabelle 5 erhoben. Ein gemessener
Tagesgang der NH4+-N-Fracht im Zulauf zur Biologie zeigt den Verlauf in Abb. 14.
Tabelle 5: Betriebsdaten der Jahre 1993/1994/1995
TSSÜSS-Fracht in kgTSS/d
-Wert
50%-Wert
TSS-Fracht NKBab in kgTSS/d
80%-Wert
-Wert
50%-Wert
80%-Wert
1993
823
784.2
1015
49
36.7
61
1994
781
736
971.8
46
32.1
58.4
1995
807
801
953.3
47
31.2
57.1
Lösungen und Resultate zu Übungen in Siedlungswasserwirtschaft
Seite 16
NH4 +-N-Konzentrationen NKBab 1994
Abwassertemperatur
Zulauf Biologie 1994
1.2
25
1.0
20
Grad Celsius
gN/m3
0.8
0.6
0.4
0.2
15
10
5
0.0
27.11.93 7.03.94 15.06.94 23.09.94 1.01.95
0
27.11.93 7.03.94 15.06.94 23.09.94 1.01.95
Datum
Datum
Abb. 8: NH4+-N Konzentration im Ablauf Abb. 9: Abwassertemperatur Zulauf Biologie
des Nachklärbeckens
TSS-Fracht NKBab 1994
(nicht täglich gemessen)
TSS-Konzentration NKBab 1994
14
500
12
400
Mittelwert = 46 kgTSS/d
300
8
kgTSS/d
gTSS/m3
10
6
4
2
200
100
0
27.11.93
0
27.11.93 7.03.94 15.06.94 23.09.94 1.01.95
7.03.94
15.06.94 23.09.94
Datum
Datum
Abb. 10: TSS-Konzentration im Ablauf des Abb. 11: TSS-Fracht
Nachklärbeckens
Nachklärbeckens
Abgezogene TSSÜSS-Fracht 1994
(nicht täglich gemessen)
im
Ablauf
TSS-Konzentration Biologie 1994
5
Mittelwert = 2.68 kgTSS/m3
2500
Mittelwert = 781kgTSS/d
4
2000
kgTSS/m3
1500
kgTSS/d
1.01.95
1000
500
0
27.11.93 7.03.94
15.06.94 23.09.94 1.01.95
Datum
Abb. 12: Abgezogene
Überschussschlamm
3
2
1
0
27.11.93
7.03.94 15.06.94 23.09.94 1.01.95
Datum
TSS-Fracht
im Abb. 13: TSS-Konzentration Biologie
des
Lösungen und Resultate zu Übungen in Siedlungswasserwirtschaft
Seite 17
NH4 -N-Fracht VKBab Tagesgang
Messkampagne 15./16.3.1991
240
250
Mittelwert = 119.5 kgN/ d
200
kgN/d
150
100
50
0
8 - 10
12 - 14
16 - 18
20 - 22
0-2
4-6
Zeit
Abb. 14: Tagesgang NH4-N-Fracht VKBab
Fragen
1)
Nitrifiziert die Anlage ganzjährig?
2) a) Berechnen Sie aufgrund der Betriebsdaten von 1994 das mittlere Schlammalter in
diesem Jahr.
b) Über welche Grösse wird das Schlammalter einer Belebtschlammanlage gesteuert?
c) Beurteilen Sie aufgrund der oben dargestellten Betriebsdaten, ob die Anlage 1994 mit
einen höheren Schlammalter hätte betrieben werden können.
d) Berechnen Sie das erforderliche Beckenvolumen für eine ganzjährige, vollständige
Nitrifikation aufgrund der Betriebsdaten.
Hinweis: Berücksichtigen Sie den gemessenen Tagesgang (Abb. 7) und die TSS-Frachten
in Tabelle 5. Für die Dimensionierung wird nicht mit den gemessenen TSBBWerten gerechnet, sondern ein Richtwert (vgl. Kap. 20.4) verwendet.
3)
Täglich fallen im Faulwasser (Schlammbehandlung) 16 kg N an, die in Abb. 14 nicht
enthalten sind. Das Faulwasser wird in den Morgenstunden produziert, wenn der
Frischschlamm in die Faultürme gefördert wird und Faulwasser aus dem
Schlammstapel verdrängt werden muss. Was passiert mit der Nitrifikation im Winter,
bei minimaler Temperatur, wenn das Faulwasser eines ganzen Tages am Morgen
zwischen 8 und 10 Uhr in die Belebungsanlage zurückgeleitet wird (Extremfall)?
4)
Wie verändert sich die Situation in der Anlage, wenn das Faulwasser in den wenig
belasteten Nachtstunden in die Anlage zurückgeführt wird?
Lösungen und Resultate zu Übungen in Siedlungswasserwirtschaft
Seite 18
Übung 9: Phosphorbilanz um eine Belebungsanlage
Ziel der Übung
–
Die Bilanzierung ist ein wichtiges Instrument zur Charakterisierung des Betriebes einer
Kläranlage. Anhand der Bilanzierung des Elementes Phosphor über das Teilsystem
Biologie und Nachklärbecken sollen Sie die Technik des Bilanzierens üben und die
Bedeutung von Erhaltungssätzen erkennen.
–
In einem zweiten Teil der Übung werden die wichtigsten Schritte zur Berechnung der
Phosphorfällung und der daraus entstehenden Schlammproduktion behandelt.
Angaben zur betrachteten Abwasserreinigungsanlage
In den nachfolgenden Tabellen sind die durchschnittlichen Jahresfrachten aus mengenproportionalen Proben aus den Betriebsdaten einer Abwasserreinigungsanlage berechnet
worden.
Atomgewichte: H = 1, O = 16, P = 31, S = 32, Fe = 55.8
Ablauf VKB
Ablauf NKB
5130 m3/d
Ptot,VKBab
31.5 kgP/d
Fracht!
QNKBab
FeSO4,dosiertVKBab
195 kgFeSO4/d
Pgel,NKBab
3.7 kgP/d
BSB5,VKBab
137 gBSB5/m3
Konzentration!
TSSNKBab
46 kgTSS/d
Ablauf Nachklärbecken
Ablauf Vorklärbecken
Überschussschlamm
Überschussschlamm
QÜSS
130 m3/d
TSSÜSS
781 kgTSS/d
iP,üss
0.035 gP/gTSS
Lösungen und Resultate zu Übungen in Siedlungswasserwirtschaft
Seite 19
Fragen
1) Wie gross ist die totale Phosphorkonzentration im Ablauf dieser Anlage?
2) Überprüfen Sie, ob die Phosphorbilanz um das Teilsystem Biologie und Nachklärbecken
aufgeht, und berechnen Sie die Abweichung in Prozent zur Zuflussfracht von Phosphor.
3) Wie gross ist die gefällte Phosphorfracht?
Hinweis: Nehmen Sie an, dass pro kg BSB5 im Ablauf des Vorklärbecken 0.01 kg Phosphor
in die Biomasse eingebaut wird (Annahme nach ATV A131).
4) Berechnen Sie aufgrund der Angaben des Klärmeisters über den durchschnittlichen
täglichen FeSO4-Verbrauch das stöchiometrische Verhältnis  für die Dosierung von
Fällmittel (Einheit = Mol Fedosiert/Mol Pgefällt).
5) Wie gross ist das Verhältnis gTSSFällschlamm / gPgefällt?
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Übung 10: Bilanz um einen Eindicker
Ziel der Übung
Anhand von Berechnungen um einen Nacheindicker in der Schlammbehandlung soll der
Unterschied in der Bilanzierung von gelösten und partikulären Stoffen verdeutlicht werden.
Betrachtetes System mit durchschnittlichen Messwerten
Faulwasser
Ablauf
Faulturm
QFaulwasser
m3/d
QFaulturm, ab
TKNtot
TKNgel
TSS
GV
gN/m3
gN/m3
kgTSS/m3
kgGV/m3
TKNtot
TKNgel
TSS
GV
DOC
11 m3/d
1’700
850
35
15
0
Ablauf Faulturm
Faulwasser
Annahme: Keine partikulären
Stoffe im Faulwasser
ABLAUF
NACHEINDIC
KER
QNacheindicker, ab
TKNtot
TKNgel
TSS
GV
Ablauf Nacheindicker
m3/d
gN/m3
gN/m3
65 kgTSS/m3
kgGV/m3
Aufgabe
Vervollständigen Sie mit Hilfe von Massenbilanzen die obenstehenden Tabellen.
gN/m3
gN/m3
kgTSS/m3
kgGV/m3
kgC/m3
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Übung 11: Schlammbehandlung
Ziel der Übung
Sie sollen die Verbindung von Abwasserreinigung und Schlammbehandlung kennenlernen,
Fliessschematas interpretieren und den Umgang mit Massenbilanzen einüben.
Angaben zur Abwasserreinigungsanlage
Angeschlossene Einwohner:
20‘000 EG
Mittlerer Abwasseranfall:
Qm = 8‘000 m3 d-1
TSS Konzentration im Rohabwasser:
TSSZu = 180 g TSS m-3
Überschussschlammanfall:
QÜS  TSÜS = 700 kg TSS d-1
Aufenthaltszeit im Vorklärbecken:
VVKB/QTW = 1.2 h
Wirkungsgrad des Vorklärbeckens z.B. basierend auf den EG in Kapitel 6.3
Konzentration des eingedickten Primärschlammes: TS = 5% davon sind 66% GV
Trübwasser und Faulwasser enthalten kaum suspendierte Stoffe
Im Faulturm werden 50% der organischen Stoffe abgebaut
Der Faulschlamm wird im Schlammstapel auf TS = 6.5% eingedickt
Vorklärung
Zulauf
Biologische Reinigung
ÜS
Trübwasser
Eindicker
Faulwasser
Faulraum
Stapel
Frischschlamm
Abb. 15: Fliessschema der Abwasserreinigungsanlage
Faulschlamm
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Fragen
1) Bestimmen Sie den für die Bemessung des Faulturmes massgebenden Frischschlammanfall (m3/d) nach dem Frischschlammeindicker.
2) Berechnen Sie das notwendige Volumen des anaerob mesophilen Faulturms, wenn dieser
mit einer Aufenthaltszeit von 20 Tagen betrieben wird.
3) Wieviel ausgefaulter Schlamm (m3/d) fällt nach dem Faulschlammstapel (Nacheindicker)
pro Tag an?
4) Wie gross ist die Ammoniumkonzentration im Faulwasser, wenn die organischen Stoffe
im Frischschlamm und im Faulschlamm je 4% Kjeldahl Stickstoff enthalten?
5) Wie gross ist die Rückbelastung der Abwasserreinigung mit Stickstoff im Faulwasser im
Vergleich zur Stickstofffracht im Zulauf zur Anlage?
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