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Grundlagen der Abwassersysteme Kap. 3 Abwasserreinigung © PK, 2009 – Seite 1
3 Abwasserreinigung
3.1 Rahmenbedingungen der Abwasserreinigung
3.2 Aufbau einer Kläranlage
3.3 Mechanische Reinigung
3.4 Biologische Verfahren
3.5 Nachklärung
Peter Krebs
Grundlagen der Abwassersysteme
Grundlagen der Abwassersysteme Kap. 3 Abwasserreinigung © PK, 2009 – Seite 2
3 Abwasserreinigung
3.1 Rahmenbedingungen der Abwasserreinigung
3.2 Aufbau einer Kläranlage
3.3 Mechanische Reinigung
3.4 Biologische Verfahren
3.5 Nachklärung
Peter Krebs
Grundlagen der Abwassersysteme
Grundlagen der Abwassersysteme Kap. 3 Abwasserreinigung © PK, 2009 – Seite 3
Ende 2000 sind mehr als 10.000 kommunale Kläranlagen in Betrieb
Größenklasse Anzahl Ausbaugröße in mio EW
10.000 – 100.000
> 100.000
2.000 – 10.000
50 – 2.000
272
1.817
2.617
5.677
83,1
56,1
12,3
3,2
Abwasserreinigungsanlagen in Deutschland
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Europa
Deutschland
Sachsen
Richtlinie des Rates vom 21. Mai 1991 über die Behandlung von kommunalem Abwasser (91/271/EWG) EU Wasserrahmenrichtlinie
Wasserhaushaltsgesetz Abwasserverordnung Abwasserabgabengesetz
Sächsisches Wassergesetz Sächsisches Abwasserabgabengesetz Sächsische Kommunalabwasserverordnung Erlasse des SMUL
Gesetzgebung
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Größenklasse CSB
(mg/l)
2 < 5000 EW 300 kg BSB5 / d
1 < 1000 EW 60 kg BSB5 / d
3 < 10000 EW 600 kg BSB5 / d
5 > 100000 EW 6000 kg BSB5 / d
4 < 100000 EW 6000 kg BSB5 / d
BSB5 (mg/l)
NH4-N (mg/l)
N* (mg/l)
Pges (mg/l)
150
110
90
90
75
40
25
20
20
15
-
-
10
10
10
-
-
-
18
13
-
-
-
2
1
* N = Summe von NH4+, NO3
-, und NO2-
Mindestanforderungen an Kläranlagenablauf
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0
10
20
30
40
50
60
70
00:00 04:00 08:00 12:00 16:00 20:00 00:00
Uhrzeit (hh:mm)
CSB
-Fra
cht
(kg/
h)
0
1
2
3
4
5
6
7
NH
4-Fra
cht
(kg/
h)
Tagesmittel für CSB und NH4
NH4-Fracht
CSB-Fracht
Belastungsschwankungen im Zulauf zur KA
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0
1
2
3
4
10:00 12:00 14:00 16:00 18:00 20:00 22:00 0:00 2:00
NH
4 Fra
cht /
(Qd·C
0)
0
2
4
6
8
10
12
14
16
Q/Q
d; T
SS F
rach
t / (Q
d·C0)
NH4 FrachtAbflussTSS Fracht
Ausstoß von NH4+ und TSS aus der Kanalisation
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Zeit
Abf
luss
Zeit
Kon
z., F
rach
t Fracht
Konzentration
KA-Belastung mit NH4+ durch Regenereignis
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3 Abwasserreinigung
3.1 Rahmenbedingungen der Abwasserreinigung
3.2 Aufbau einer Kläranlage
3.3 Mechanische Reinigung
3.4 Biologische Verfahren
3.5 Nachklärung
Peter Krebs
Grundlagen der Abwassersysteme
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Rechen Sand-u. Fettfang
Vorklär-becken
Belebungs-becken Nachklär-
becken
MÜSE
Faulbehälter Nacheindicker
RücklaufschlammPrimär-schlamm
Frisch-schlamm
Rechen-gut
Fett
Sand
Überschussschlamm
Biogas
Kehricht, Verbrennung
Waschen, Deponie
Nutzung, Entwässerung, Trocknung, Verbrennung, Deponie
Gewässer, Filtration
mechanische Stufe biologische Stufe
Fäll-mittel
Entwässerung
Prozess-wasser
Prozess-wasser
FHM
NitriDeni
Schlammbehandlung
Aufbau einer Kläranlage
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Beispiel: Kläranlage Chemnitz-Heinersdorf
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Mechanische Vorreinigung Vorklärung Belebungsbecken Nachklärbecken Schlammeindicker Faulbehälter Nachfaulraum, „Stapel“
Abwasser W (h)
Schlamm S (d)
0,21,5105
0,011
1022
20100
< 1 d > 100 d
Typische Aufenthaltszeiten in den Reaktoren
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3 Abwasserreinigung
3.1 Rahmenbedingungen der Abwasserreinigung
3.2 Aufbau einer Kläranlage
3.3 Mechanische Reinigung
3.4 Biologische Verfahren
3.5 Nachklärung
Peter Krebs
Grundlagen der Abwassersysteme
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Rechenart Durchlassweite Spezifischer Anfall (m3/(E·a))
(mm) ungepresst (8% TS) gepresst (25% TS)
Grobrechen
Feinrechen
Sieb
50
15
3
0,003
0,012
0,022
0,001
0,004
0,007
Schwankungsbereich: -50% bis +100%
Rechengutanfall in kommunalen Kläranlagen
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Harken-Umlaufrechen
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Hans Huber AG, Typ Ro9
Siebschnecke
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• Fließgeschwindigkeit: 0,6 v 2,5 m/s• Gerinne um Fläche der Rechenstäbe erweitern• Stauverlust beachten
– Hydraulisch:
– + Aufstau durch Versetzung mit GrobstoffenGerinne mind. um hydraulischen Aufstau absenken
• Betriebs- und Havariesicherheit (Doppelauslegung)• Einhausung zu empfehlen (Frost, Geruch)
aber teuer (Entlüftung, Kranbahn)• alternativ: Kapselung der Anlagentechnik
sinα2gv
edβΔh
234
Regeln zur Gestaltung von Rechenbauwerken
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L
H
U
VS
U
Q
Grenzfall
Absetzbedingung
LU
HVS
SVH
UL
NBS A
QBLHBUV VS qA
unabhängig von H !
Sedimentation: Flächenbeschickung qA = Q/A
(Hazen, 1904)
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• erforderlich bei Mischkanalisation• Wirkung von mineralischen Inhaltsstoffen:
– Starker Abrieb an mechanischen, beweglichen Teilen (z.B. Pumpenlaufräder und Gehäuse)
– Verstopfungen (Schlammtrichter, Rohrleitungen, Pumpen)
– Ablagerungen (Faulräume, Belebungsbecken)• nur mit hohen Betriebsaufwendungen entfernbar
Sandfang
Schlamm im Sand ist lästig, aber Sand im Schlamm ist schädlich !
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Korn-durchmesser
Absetzgeschwindigkeit
[mm] = 100%[cm/s]
= 90%[cm/s]
= 85%[cm/s]
0,1250,1600,2000,2500,315
0,170,290,460,741,23
0,260,440,781,252,00
0,310,560,991,602,35
(Kalbskopf, 1966)
Empirisch ermittelte Absetzgeschwindigkeiten
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• Fließgeschwindigkeit: 0,3 m/s
• Breite empirisch
• Sandfanglänge:
• Sandstapelraum: rd. 0,2 x 0,3 m (nicht zu groß)
• Erweiterungswinkel (Gerinne Sandfang) < 8°
• Venturigerinne nachschalten !
hQ5b
ul
vh
s
Bemessung
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Belüfteter Sandfang
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0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
0 1 2 3 4 5
Aufenthaltszeit (h)
Wirk
ungs
grad
(%
)
absetzbare Stoffe
TSS
BSB5
Wirkungsgrad im Vorklärbecken
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Stoff Einheit Zulauf Ablauf* zu
abzu
CCC
TSS BSB5
CSB
TKN NH4-N NO2-N NO3-N Ptot Alkalinität
g TSS / m3
g O2 / m3
g O2 / m3
g N / m3
g N / m3
g N / m3
g N / m3
g P / m3
mol HCO3- / m3
360 300600
60 40
01 10
= f( Trinkwasser) + NH4-N
180 230450
56 40
01
9
0,5 0,230,25
0,067 00
0 0,1
* bei kurzer Aufenthaltszeit
Veränderung der Abwasserzusammensetzung im VKB
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Bsp. eines rechteckigen Absetzbeckens
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3 Abwasserreinigung
3.1 Rahmenbedingungen der Abwasserreinigung
3.2 Aufbau einer Kläranlage
3.3 Mechanische Reinigung
3.4 Biologische Verfahren
3.5 Nachklärung
Peter Krebs
Grundlagen der Abwassersysteme
Grundlagen der Abwassersysteme Kap. 3 Abwasserreinigung © PK, 2009 – Seite 27
Suspendierte Biomasse
Sessile Biomasse
• Durch Turbulenz in Schwebe gehalten • Schlammflocken 0,1 – 1 mm Durchmesser • Abbau spezifisch bezogen auf Biomasse
• Als Biofilm auf einer Aufwuchsfläche• Bakterien werden nur vereinzelt erodiert • Abbau spezifisch bezogen auf Bewuchsfläche
suspendierte Biomasse aufkonzentrieren
spezifische Oberfläche erhöhen
Biologische Verfahren
Belebtschlammverfahren
Biofilmverfahren
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Wachstum
Zerfall
Hydrolyse
Aerober Abbau
Nitrifikation
Denitrifikation
Einbau von C, N, P in die Biomasse
wenn zu wenig externe Nährstoffe
schwer leicht abbaubare Stoffe, durch Enzyme
organischer Stoffe CH2O + O2 CO2 + H2O
NH4+ + 2 O2 NO3
- + H2O + 2 H+
5 CH2O + 4 NO3- + 4 H+ 2 N2 + 5 CO2 + 7 H2O
Wesentliche mikrobiologische Prozesse
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Verdoppelungszeit tD
0·tD 1·tD 2·tD 3·tD i·tD ... n·tD
20 21 22 23 2i ... 2n
0
10
20
30
40
50
60
0 1 2 3 4 5 6
t /t D
X/ X
0
Belebter Schlamm:
tD = 6 h Schlammalter = 10 d
Bakterienwachstum
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Wachstum ist limitiert durch Nahrungs- und Sauerstoffangebot
Substrat, Nährstoff, O2
(T
-1)
max,2/2max,1/2
KS,2KS,1
Wachstum
BB XtdXdr
spez. Wachstumsrate
SKSS
max
XB = Biomasse max = maximale spezifische Wachstumsrate S = Substratkonzentration KS = Halbsättigungskonstante
Bakterienwachstum
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Zulauf
Belebungsbecken Nachklärbecken
Ablauf
Rücklaufschlamm Überschuss-schlamm
Nährstoffe
Bakterien
Luft, O2 Sedimentation
Belebungsverfahren
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Belebungsbecken Nachklärbecken
Q Q + QRTSBB
TSBB
Q
TSe
QR = R·QTSR
(QÜS)
(TSÜS)
Stoffflussbilanz im Gleichgewichtszustand
RRTSTS BBR
1QQR Rmit
Schlammhaushalt im Belebungsverfahren
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Hydraulische Verdrängung des Schlamm-Abwasser-Gemisches in das Nachklärbecken der Schlamm muss ins Belebungsbecken zurückgeführt werden
Der belebte Schlamm wird 20 – 50 mal im Kreis geführt Biomassekonzentration im Belebungsbecken wird erhöht
Der Überschussschlamm wird aus dem System abgezogen Gleichgewicht mit Schlammproduktion
Bei erhöhter hydraulischer Belastung (bei Regenwetter) wird Schlamm ins Nachklärbecken verlagert
Fließschema des Belebungsverfahrens
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0
500
1000
1500
2000
2500
3000
0 0,5 1 1,5 2Zeit (d)
Schl
amm
mas
se (
kg C
SB)
Belebungsbecken
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
0 0,5 1 1,5 2Zeit (d)
Schl
amm
mas
se (
kg C
SB)
Schlammbett
Dynamische Schlammverlagerung
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Belüftung im Belebungsbecken
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Schlammbelastung BBBB
zuTS TSV
BSBQB
,5
dTSSkg
BSBkgin 5
BTS Schlammbelastung bezogen auf die Trockensubstanz
Q Zufluss zum Belebungsbecken (m3/d)
BSB5,zu Konzentration an BSB5 im Zufluss (kg BSB5 / m3)
VBB Volumen des Belebungsbeckens (m3)
TSBB Schlammkonzentration im Belebungsbecken, gemessen als TSS (kg TSS / m3)
die BSB5-Zufuhr wird zur Schlammmasse im BB in Beziehung gesetzt
Dimensionierung mittels Schlammbelastung
Grundlagen der Abwassersysteme Kap. 3 Abwasserreinigung © PK, 2009 – Seite 37
Schlammalter BTSzuB
BBBBBBBBX ÜSBBSBQÜS
TSVSPTSV
1
5,
X Schlammalter in (d), 3 – 15 d
SP Schlammproduktion (kg TS / d)
ÜSB spezifische Schlammproduktion pro umgesetztem BSB5 (kg TS / kg BSB5)
die Schlammproduktion wird zur Schlammmasse im BB in Beziehung gesetzt
zuB BSBQÜSSP ,5
Dimensionierung mittels Schlammalter
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Stickstoff iN = 0.04 – 0.05 (g N / g BSB5) Phosphor iP = 0.01 – 0.02 (g P / g BSB5)
Elimination von Nährstoffen
Abwasserzusammensetzung im Zulauf 300 (g BSB5/m3) 60 (g TKN/m3) 12 (g TP/m3)
Ablaufwerte bei 100%-igem Abbau von BSB5
TKNAb = TKNZU – iN·BSB5,Zu = 60 – 0.045·300 = 46,5 (g N / m3) TPAb = TPZU – iP·BSB5,Zu = 12 – 0.015·300 = 7,5 (g P / m3)
Weitergehende Verfahren für Nährstoffelimination !
Nährstoffbedarf von Mikroorganismen
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Die Nitrifikanten („autotrophe Biomasse“ TSA) haben eine geringe Wachstumsrate A
hohes Schlammalter, damit Nitrifikanten nicht aus dem System ausgewaschen werden
BBBBAABBAA VTSVrSP ,
ABBBBAA
BBABB
A
BBABBX SF
VTSTSV
SFSPTSV
SF
1
,
,,
mit Produktion autotropher Biomasse
und Sicherheitsfaktor SF ergibt sich das nötige Schlammalter mit
Beckenvolumen VBB muss groß sein
Nitrifikation NH4+ NO3
-
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aerob
C-Elimination
Nitrifikation
Denitrifikation
„Bio-P“
aerob
anaerob anoxisch aerobanoxisch
Entwicklung des Belebungsverfahrens
anoxisch aerob
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OVR Spezifischer O2-Verbrauch (kg O2 / kg BSB5)
fOVcccOC R
s
sR Sauerstoffeintrag
cs O2-Sättigungskonzentration (g O2 / m3) c O2-Konzentration (g O2 / m3) f Spitzenfaktor für Schwankungen (-) OCR Spez. O2-Eintragsvermögen Reinwasser (kg O2 / (m3·h)) Reduktionsfaktor für Eintrag ins Abwasser (0,4) 0,6 – 0,8
Verbrauch Eintrag
Je geringer die aktuelle Sauerstoffkonzentration, desto effizienter der Sauerstoffeintrag
Sauerstoffverbrauch
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T Schlammalter in d 4 8 10 15 20 25
10
12
15
18
20
0,85 0,99 1,04 1,13 1,18 1,22
0,87 1,02 1,07 1,15 1,21 1,24
0,92 1,07 1,12 1,19 1,24 1,27
0,96 1,11 1,16 1,23 1,27 1,30
0,99 1,14 1,18 1,25 1,29 1,32
(°C)
Spitzenfaktoren für C- und N-Abbau
fC
fN < 20‘000 EW> 100‘000 EW
1,30 1,25 1,20 1,20 1,15 1,10
- - - 2,50 2,00 1,50 - - 2,00 1,80 1,50 -
Spezifischer Sauerstoffverbrauch OVR (kgO2/kgBSB5)
Grundlagen der Abwassersysteme Kap. 3 Abwasserreinigung © PK, 2009 – Seite 43
Anlagentyp Keine Nitrifikation
Nitrifikation >10°C
Denitrifi-kation
aerobe Schlamm-stabilisierung
X < 20‘000 EW
> 100‘000 EW
ÜSB
BTS
5
0,9 – 1,2
0,30
4
10
0,8 – 1,1
0,15
8
12 – 18
0,7 – 1,0
10 – 16
0,12
25
1,0
–
0,05 (kg BSB5 / (kg TS · d))
(kg TS / kg BSB5)
Dimensionierungswerte
Grundlagen der Abwassersysteme Kap. 3 Abwasserreinigung © PK, 2009 – Seite 44
QRS
QZu
NH4+
BSB5
O2
NO32-
QÜS
Längsprofile in der Belebung
Grundlagen der Abwassersysteme Kap. 3 Abwasserreinigung © PK, 2009 – Seite 45
Vorklärung
Tropfkörper
Nachklärung
Rezirkulation
SchlammrückführungSchlamm-
abzug
Biofilm auf Aufwuchsträger
Tropfkörperverfahren
Grundlagen der Abwassersysteme Kap. 3 Abwasserreinigung © PK, 2009 – Seite 46
Flächenbelastung TK
zuA Va
BSBQB
,5
BA Flächenbelastung der Kunststofffolien (g BSB5 / (m2·d)) ohne Nitrifikation 4 (g BSB5 / (m2·d)), mit Nitri. 2 (g BSB5 / (m2·d))
Q Zufluss zum Tropfkörper (m3/d)
BSB5,zu Konzentration an BSB5 im Zufluss (kg BSB5 / m3)
VTK Volumen des Tropfkörpers, mit Folien (m3)
a spezifische Oberfläche der Folien (m2 Folien / m3 TK) 100 – 140 – 180 (m2 Folien / m3 TK)
Dimensionierung des Tropfkörpers
Grundlagen der Abwassersysteme Kap. 3 Abwasserreinigung © PK, 2009 – Seite 47
Konzentration
BSB5
NH4+
N03-
Tropfkörper-folie
C-Abbau und Nitrifikation laufen räumlich getrennt ab
Stoffabbau im Tropfkörper
Grundlagen der Abwassersysteme Kap. 3 Abwasserreinigung © PK, 2009 – Seite 48
3 Abwasserreinigung
3.1 Rahmenbedingungen der Abwasserreinigung
3.2 Aufbau einer Kläranlage
3.3 Mechanische Reinigung
3.4 Biologische Verfahren
3.5 Nachklärung
Peter Krebs
Grundlagen der Abwassersysteme
Grundlagen der Abwassersysteme Kap. 3 Abwasserreinigung © PK, 2009 – Seite 49
Trennen
Klären
Speichern
Eindicken
von Schlamm und gereinigtem Abwasser durch Sedimentation
möglichst niedrige Ablaufkonzentration
des aus dem Belebungsbecken verlagerten Schlamms, insbesondere bei Regenwetter
möglichst hohe Rücklaufkonzentration
Bauformen
• Rund, von innen nach außen durchströmt • Rechteckig, längs durchströmt • Rechteckig, quer durchströmt • Vertikal, von unten nach oben durchströmt
Aufgaben des Nachklärbeckens
Grundlagen der Abwassersysteme Kap. 3 Abwasserreinigung © PK, 2009 – Seite 50
Konz
entra
tion
Partikel-Interaktion
Eindickung
Behindertes Absetzen
Flockendes Absetzen
Freies Absetzen
keine flockend
hoch
niedrig
Vorklärbecken Nachklärbecken, Sedimentationszone
Nachklärbecken, Schlammbett
Nachklärbecken, Sohlbereich
Sedimentation
Grundlagen der Abwassersysteme Kap. 3 Abwasserreinigung © PK, 2009 – Seite 51
Schlammindex ISV ist ein Maß für die Voluminosität und die Absetzeigenschaften
0.5 h
H
hS
X0
V0
Hh
VVVSV SS lml
0
0XVSVISV
Vergleichsschlammvolumen
(ml / g TS)
VS
Schlammindex
Grundlagen der Abwassersysteme Kap. 3 Abwasserreinigung © PK, 2009 – Seite 52
Klarwasserzone
Trennzone
Speicherzone
Eindickzone
Einlaufzone wirksamer Bereich
> 3 m
ATV A131 (2000)
Nachklärbecken, idealisierte Funktionen
Grundlagen der Abwassersysteme Kap. 3 Abwasserreinigung © PK, 2009 – Seite 53
Flächenbeschickung ISVTSq
VSVqq
BB
SVSVA
Schlammvolumenbeschickung ISVTSqq BBASV
Grenzwerte qA qSV
(m/h) (l/(m2·h)Horizontal durchströmte NKBVertikal durchströmte NKB
1,62,0 650
500
ATV A131 (2000)
Dimensionierung der Oberfläche von NKB
Grundlagen der Abwassersysteme Kap. 3 Abwasserreinigung © PK, 2009 – Seite 54
Klarwasserzone
Trennzone
Speicherzone
Eindickzone
m501 ,h
10001
1502 VSV
RVqh A
,
500
130513
RVqh SV
,,
BS
EABB
TStRVqTSh 1
4311000
EBS tISV
TS
TSBS Konzentration im Bodenschlamm tE Eindickzeit 1,5 – 2,0 ohne Nitrifikation
1,0 – 1,5 mit Nitrifikation 2,0 – (2,5) mit Denitrifikation ATV A131 (2000)
Dimensionierung der Wassertiefe von NKB
Grundlagen der Abwassersysteme Kap. 3 Abwasserreinigung © PK, 2009 – Seite 55
mit Schild- oder Saugräumer
Rundbecken
Grundlagen der Abwassersysteme Kap. 3 Abwasserreinigung © PK, 2009 – Seite 56
Längs durchströmtes Rechteckbecken
mit Ketten-, Schild- oder Saugräumer
Grundlagen der Abwassersysteme Kap. 3 Abwasserreinigung © PK, 2009 – Seite 57
Quer durchströmtes Rechteckbecken
mit Saugräumer
Grundlagen der Abwassersysteme Kap. 3 Abwasserreinigung © PK, 2009 – Seite 58
Vertikal durchströmtes Becken