Management, Kosten und erweiterte Verfahren der Abwasserreinigung

Management von Kläranlagen

Eigentumsformen von Kläranlagen

Pflanzen zur Abwasserbehandlung lassen sich nach zwei Arten von Eigentum unterscheiden: privat und öffentlich.

Die privaten Anlagen streben in der Regel die neueste Generation und höchste Effizienz an, um die Betriebskosten auf ein Minimum zu senken. Sie verfügen über hochqualifiziertes, aber personell unterbesetztes Personal und ein hoch automatisiertes System, das schnelle Reaktionen auf alle Eventualitäten sowie einfachen Ersatz und Modernisierung ermöglicht.

Die öffentlichen Anlagen sind von der Verfügbarkeit öffentlicher Mittel abhängig und nutzen daher nicht immer die neueste Technologie, weshalb ihre Effizienz oft geringer ist. Die Betriebsanlagen sind tendenziell Low-Tech und werden von qualifiziertem Personal bedient, das jedoch eine spezielle Ausbildung benötigt. Die Verfügbarkeit von Reparaturen und Modernisierungen ist langsam, da sie bürokratischen Verfahren, Ausschreibungen und haushaltspolitischen Zwängen unterliegt.

Kostenmanagement und Wirtschaftlichkeit

Kostenstruktur einer Kläranlage

Die Kosten für den Betrieb einer Kläranlage können in zwei Hauptbereiche unterteilt werden:

1. Anlaufkosten oder Infrastrukturkosten (CI)
2. Betriebskosten

Die Kosten für Machbarkeitsstudien, Basic Engineering, die Projektausführung und den Bau der Anlage werden allgemein als globale Kosten oder Infrastrukturkosten (CI) betrachtet.

Die Betriebskosten entsprechen dem laufenden Betrieb der Anlage und umfassen folgende Aspekte:

Betriebskosten (OC)

• Reagenzien, Energie, Brennstoffe.
• Löhne und Gehälter des Personals, das direkt am Betrieb der Anlage beteiligt ist.

Verwaltungskosten (CA)

• Bürobedarf, Telefon, Fahrzeuge, Kraftstoff.
• Löhne und Gehälter der Mitarbeiter, die nicht direkt am Betrieb der Anlage beteiligt sind.

Wartungskosten (MC)

• Korrektur- und vorbeugende Instandhaltung von Geräten, Systemen und Stromleitungen.

Berechnung der Kosten pro Kubikmeter (CU)

Die Kosten pro Einheit oder die Kosten pro Kubikmeter werden nach folgender Formel berechnet:

CU = (CO + CA + CM) / (K * V) + CI / (K * Vu * V)

Definition der Variablen

• K: Das Verhältnis des Nutzens der Sammlung, d. h. der Anteil der Nutzer, die den Service bezahlen können oder bezahlen, ohne diejenigen einzubeziehen, die zu spät zahlen oder nicht zahlen.
• V: Die jährliche Menge des von der Anlage behandelten Abwassers (in m³).
• Vu: Die Lebensdauer der Anlage (in Jahren).

Die Kosten liegen in der Regel unter 1 $/m³, wenn die Anlage effizient und effektiv betrieben wird.

Kostenbeispiel

Betrachten Sie das folgende Beispiel:

• CO (Betriebskosten) = 3.000.000 $ pro Jahr
• MC (Wartungskosten) = 1.500.000 $ pro Jahr
• CA (Verwaltungskosten) = 2.000.000 $ pro Jahr
• CI (Infrastrukturkosten) = 125.000.000 $
• Operative Leistung: 800 l/s = 0,8 * 86.400 * 365 = 25.228.800 m³ pro Jahr (V)
• Lebenserwartung (Vu): 20 Jahre
• K (Nutzenverhältnis) = 0,93

Berechnung:

CU = (3.000.000 + 1.500.000 + 2.000.000) / (25.228.800 * 0,93) + 125.000.000 / (20 * 25.228.800 * 0,93)

CU = 0,54 $/m³

Erweiterte Abwasserreinigung (Tertiärbehandlung)

Viele der im Abwasser enthaltenen Substanzen werden durch konventionelle Behandlungen, Prozesse oder Operationen kaum oder gar nicht beeinflusst. Diese Stoffe reichen von relativ einfachen anorganischen Ionen wie Kalzium, Kalium, Nitrat, Sulfat und Phosphat bis hin zu einer wachsenden Zahl komplexer synthetischer organischer Verbindungen.

Obwohl die Auswirkungen dieser Stoffe auf die Umwelt noch nicht vollständig verstanden sind, werden die Anforderungen an eine strengere Behandlung immer höher, was sich in den zulässigen Konzentrationen vieler dieser Stoffe in den Abläufen der Kläranlagen widerspiegelt.

Kritische chemische Komponenten im Abwasser

Die folgende Liste zeigt einige typische chemische Komponenten, die im Abwasser gefunden werden, deren Auswirkungen und die kritische Konzentration:

Die Tertiär- oder erweiterte Behandlung ist heute von großem Interesse, da eine bessere Wasserqualität erforderlich ist. Aus diesen Gründen werden im Folgenden einige erfolgreiche Prozesse vorgestellt, die derzeit genutzt werden oder als vielversprechend bzw. innovativ gelten.

Innovative Prozesse der erweiterten Behandlung

Destillation

Die Destillation ist ein Einheitsverfahren, bei dem die Komponenten einer flüssigen Lösung durch Verdampfung und anschließende Kondensation der Flüssigkeit getrennt werden.

Schaumfraktionierung

Die Schaumfraktionierung trennt Kolloide und Schwebstoffe durch Auftrieb sowie gelöste organische Substanzen durch Adsorption. Dies geschieht, indem Luftblasen im Wasser erzeugt werden, die einen Restschaum bilden oder durch Chemikalien verursacht werden. Fast alle organischen Verbindungen haben eine Aktivität, die dazu führt, dass sie sich an Gas-Flüssig-Grenzflächen konzentrieren und mit dem Schaum entfernt werden.

Gefrierverfahren

Das Einfrieren ist ein Trennverfahren, das der Destillation ähnelt. Das Wasser wird in eine Vakuumkammer gesprüht. Ein Teil des Wassers verdunstet, und der Kühleffekt erzeugt Eiskristalle, die frei von Schadstoffen in der verbleibenden Flüssigkeit sind. Das Eis wird dann extrahiert und durch die Kondensationswärme des Dampfes aus der Verdampfungsstufe geschmolzen. Bei diesem Verfahren wurden Butan und andere Kältemittel verwendet.

Ionenaustausch

Der Ionenaustausch ist ein Prozess, bei dem Ionen, die an funktionelle Gruppen auf einer festen Oberfläche gebunden sind, durch elektrostatische Kräfte gegen verschiedene Spezies in Lösung ausgetauscht werden. Da die Demineralisierung durch Ionenaustauschverfahren durchgeführt werden kann, können aktuelle Behandlungen einen Teil des Abwassers entsalzen und mit einem Teil des Abwassers mischen, nachdem es zur Behandlung abgeleitet wurde, um eine spezifizierte Ablaufqualität zu erzielen.

Elektrochemische Behandlung

Bei diesem Prozess wird Abwasser mit Meerwasser vermischt und durch eine einzelne Zelle geleitet, die Kohlenstoffelektroden enthält. Aufgrund der relativen Dichte von Meerwasser und der Mischung aus Meerwasser und Abwasser sammelt sich Ersteres auf der Oberfläche der Anode am Boden der Zelle, während Letzteres sich in der Nähe der Kathodenoberfläche am Anfang der Zelle befindet. Der Strom erhöht den pH-Wert an der Kathode, was zur Ausfällung von Phosphor und Ammoniak führt. Wasserstoffblasen, die an der Kathode erzeugt werden, heben den Schlamm an die Oberfläche, wo er mit konventionellen Methoden gewaschen und entfernt wird. Das an der Anode der Zelle entwickelte Chlor desinfiziert das Abwasser, und die restliche Mischung aus Meer- und Abwasser wird dann ins Meer geleitet.

Tertiärbehandlung und Wiederverwendung

Wenn das Wasser für die Einleitung in Gewässer ein höheres Behandlungsniveau erfordert, als es der sekundäre Prozess bietet, oder wenn das Abwasser wiederverwendet werden soll, ist eine erweiterte Abwasserbehandlung erforderlich. Oft wird der Begriff Tertiärbehandlung synonym mit erweiterter Behandlung verwendet, obwohl sie nicht exakt dasselbe bedeuten. Die Tertiärbehandlung oder dritte Phase wird in der Regel zur Entfernung von Phosphor eingesetzt, während die erweiterte Behandlung weitere Schritte zur Verbesserung der Qualität des gereinigten Abwassers durch die Beseitigung hartnäckiger Schadstoffe umfassen kann. Es gibt Prozesse, die mehr als 99 % der Schwebstoffe entfernen und die BSB5 (Biochemischer Sauerstoffbedarf in 5 Tagen) in ähnlichem Maße reduzieren. Gelöste Feststoffe werden durch Prozesse wie Umkehrosmose und Elektrodialyse reduziert. Die Beseitigung von Ammoniak, Denitrifikation und Phosphatfällung kann den Nährstoffgehalt senken. Bei der Wiederverwendung von Abwasser gilt die Desinfektion durch Ozonbehandlung als die zuverlässigste Methode, abgesehen von extremer Chlorierung. Es ist wahrscheinlich, dass sich diese und andere Methoden der Abwasserbehandlung angesichts der Bemühungen um Wassereinsparung durch Wiederverwendung in Zukunft weiter verbreiten werden.

Ableitung und Wiederverwendung von gereinigtem Wasser

Die Ableitung des behandelten Wassers erfolgt auf verschiedene Weise. Am häufigsten ist die direkte Einleitung in einen aufnehmenden Fluss oder See. In Teilen der Welt, die zunehmend unter Wasserknappheit für den häuslichen und industriellen Gebrauch leiden, beginnen die Behörden, auf die Wiederverwendung von aufbereitetem Wasser zurückzugreifen, um Grundwasserleiter aufzufüllen, nicht essbare Pflanzen zu bewässern, industrielle Prozesse zu versorgen, zur Erholung zu nutzen und andere Zwecke zu erfüllen.

In einem Projekt dieser Art, der Demonstrationsanlage zur Wiederverwendung von Trinkwasser in Denver, Colorado, umfassen die Behandlungsverfahren die herkömmliche primäre und sekundäre Behandlung, gefolgt von einer Kalkreinigung, um organische Verbindungen zu entfernen. Während dieses Prozesses wird ein alkalisches Milieu (hoher pH-Wert) geschaffen, um den Prozess zu verstärken. Im nächsten Schritt wird Kohlensäure verwendet, um den pH-Wert wieder zu neutralisieren. Anschließend wird das Wasser durch mehrere Schichten aus Sand und Holzkohle gefiltert, und Ammoniak wird durch Ionisation entfernt. Pestizide und andere organische Verbindungen werden ebenfalls in Suspension durch einen körnigen Aktivkohlefilter absorbiert. Viren und Bakterien werden durch Ozon entfernt. Zu diesem Zeitpunkt sollte das Wasser von allen Verunreinigungen befreit sein, aber zur Sicherheit folgen eine zweite Phase der Kohlenstoffabsorption und Umkehrosmose, und schließlich wird Chlordioxid hinzugefügt, um eine hohe Wasserqualität zu gewährleisten.

Sickergrube (Septiktank)

Ein Prozess zur Abwasserbehandlung, der häufig für Hausmüll verwendet wird, ist die Sickergrube (Septiktank): eine Grube aus Zement, Ziegeln oder Metallblöcken, in der sich Feststoffe absetzen und Schwimmstoffe ansammeln. Die teilweise geklärte Flüssigkeit fließt durch einen versunkenen Zugang zu unterirdischen, mit Steinen gefüllten Gräben, durch die sie fließt und in den Boden sickert, wo sie aerob oxidiert wird. Das feste und schwimmende Material kann sechs Monate bis zu mehreren Jahren aufbewahrt werden, in denen es sich unter anaeroben Bedingungen zersetzt.

Desinfektionsmethoden in der Tertiärbehandlung

Die Wiederverwendung von Abwasser durch tertiäre Behandlung ist eine gute Alternative, um Wasser zu sparen und den Verbrauch erheblich zu reduzieren. Der Schlüssel liegt darin, das Wasser am Anlagenausgang auf Parameter zu bringen, die für die Wiederverwendung geeignet sind, beispielsweise zum Gießen des Gartens. Da das behandelte Wasser grundsätzlich bakteriologische Inhalte aufweist, muss es desinfiziert werden. Hidritec bietet grundsätzlich drei Methoden zur Desinfektion von Wasser an, die jeweils durch eine korrekte Filtrationsstudie ergänzt werden, abhängig von der Art des Abwassers und den spezifischen Bedürfnissen.

Chlorierungssystem

Hierbei wird versucht, das gereinigte Wasser in einem Behälter mit einem endgültigen Gehalt an freiem Chlor zu halten, der geeignet ist, die Verbreitung von Mikroorganismen zu verhindern, wodurch es für die Wiederverwendung geeignet wird. Es gibt verschiedene Formen der Chlorierung des Tanks, die von einer automatischen Messung und Kontrolle der Chlordosierung im Tank mit einer Sonde für freies Chlor oder Redox bis hin zur proportionalen Chlordosierung zum Durchfluss des gereinigten Wassers durch die Installation eines Impulszählers reichen. Die Chlorierung von Abwasser ist das einfachste und wirtschaftlichste System für die tertiäre Behandlung zur Wiederverwendung von Wasser für die Bewässerung von Gärten und Anlagen. Ein bemerkenswerter Nachteil ist, dass die Verwendung und Handhabung von Chemikalien wie Natriumhypochlorit erforderlich ist. Darüber hinaus können bestimmte Zierpflanzen, Gemüse- oder Obstpflanzen durch eine bestimmte Menge an freiem Chlor beschädigt werden. Es ist auch wichtig zu beachten, dass dieses System immer die ausschließliche Verwendung eines Tanks für die Chlorierung impliziert, da stets eine angemessene Kontaktzeit des chlorierten Wassers erforderlich ist, um die Desinfektion zu gewährleisten.

UV-Strahlung (Ultraviolett)

In diesem Fall erfolgt die Desinfektion mit UV-Geräten, die eine sofortige und effektivere Desinfektion als die Chlorierung bieten. Ein weiterer Vorteil ist, dass keine Kontaktbehälter benötigt werden, da die Desinfektion augenblicklich erfolgt, indem das Wasser durch die UV-Behandlungsgeräte geleitet wird. Dies fördert diese Art der Tertiärbehandlung, wenn nicht genügend Platz für die Behandlung mit Chlor oder Ozon vorhanden ist. Um die ordnungsgemäße Funktion der UV-Anlagen zu gewährleisten, ist ein gutes Filtrationssystem erforderlich, um Trübung zu entfernen und eine ausreichende Durchlässigkeit der UV-Strahlung für den zu behandelnden Wasserstrom sicherzustellen.

Ozonierung

Ozon ist ein starkes Oxidationsmittel und Desinfektionsmittel mit einer höheren Sterilisationswirkung als die herkömmliche Chlorbehandlung, was seine Wirksamkeit erhöht. Dies ermöglicht Ozonbehandlungen mit sehr kleinen Kontaktbehältern, da nur etwa drei Minuten Kontaktzeit erforderlich sind, um die Desinfektion zu gewährleisten. Darüber hinaus bietet Ozon bei der Behandlung von Abwasser zur Wiederverwendung in der Bewässerung und Landwirtschaft eine Sauerstoffzufuhr zu den Pflanzenwurzeln, während es seine desinfizierende Wirkung entfaltet. Die Ergebnisse sind Pflanzen mit schnellerem Wachstum, höherer Produktivität und der Vermeidung von Krankheiten und Schädlingen.

Überblick über tertiäre Behandlungsprozesse

Die Operationen, die bei der tertiären Behandlung von verschmutztem Wasser eingesetzt werden, sind: Mikrofiltration, Gerinnung und Ausfällung, Aktivkohle-Adsorption, Ionenaustausch, Umkehrosmose, Elektrodialyse, Nährstoffentzug, Chlorierung und Ozonung.

Jede Abwasserbehandlung, die nach der Sekundärstufe durchgeführt wird, wird als Tertiärbehandlung bezeichnet. Dabei wird versucht, organische Schadstoffe, Nährstoffe wie Phosphat- und Nitrat-Ionen oder überschüssige Salze zu beseitigen. Bei der tertiären Abwasserbehandlung soll der Abfall so rein wie möglich sein, bevor er in die Umwelt eingeleitet wird. Zu den Prozessen zur Entfernung von Nährstoffen gehören Fällung, Sedimentation und Filtration. Derzeit ist die tertiäre Behandlung von häuslichem Abwasser noch wenig verbreitet.

Der Chlorierungsprozess im Detail

Die Chlorierung ist die am häufigsten verwendete Methode. Allerdings reagiert Chlor mit organischen Substanzen im Abwasser und Oberflächenwasser und produziert geringe Mengen krebserregender Kohlenwasserstoffe. Andere Desinfektionsmittel wie Ozon, Wasserstoffperoxid und UV-Licht werden allmählich auch an einigen Orten eingesetzt, sind aber teurer als die Chlorierung.

Das am weitesten verbreitete Verfahren zur Wasserdesinfektion ist die Chlorierung, da es auf große Wassermengen angewendet werden kann und relativ kostengünstig ist. Chlor verleiht dem Wasser in einer Konzentration von mehr als 0,2 ppm einen unangenehmen Geschmack, beseitigt aber auch andere unangenehme Gerüche, Geschmäcker und verschiedene im Wasser enthaltene Materialien.

Während elementares Chlor oder atomare Formen zur Desinfektion von Wasser verwendet werden können, gehören zu den häufig verwendeten Chlorverbindungen Hypochlorsäure, Natriumhypochlorit, Calciumhypochlorit und Chlorwasserstoffperoxid.

Einige der chemischen Reaktionen zwischen Chlorverbindungen und Wasser sind in den folgenden chemischen Gleichungen dargestellt:

• Hydrolyse von Chlor: Cl₂ + 2 H₂O → HClO + H₃O⁺ + Cl⁻
• Dissoziation von Hypochlorsäure: HClO + H₂O → ClO⁻ + H₃O⁺
• Ansäuerung von Natriumhypochlorit: NaOCl + H⁺ → HClO + Na⁺

Chlor kann mit Ammoniak Chloramine bilden, die ebenfalls desinfizierend wirken. Chlorperoxid ist auch in der Lage, Phenole zu oxidieren. Chlor hat eine toxische Wirkung auf Mikroorganismen und fungiert als Oxidationsmittel für nicht-rauschfreie organische Substanzen und einige Mineralien. Chlor zerstört pathogene Mikroorganismen, sterilisiert jedoch nicht, da es mit Saprophyten reagiert.

(Anmerkung: Die Abbildung zur biologischen Behandlung fehlt im Originaltext.)