Das Hauptklärwerk Mühlhausen - Stadtentwässerung Stuttgart

Mechanische Reinigungsstufe:Grobstoffe werden entferntBiologische Reinigungsstufe:Prozesse wie im FließgewässerRechen- und SandfanganlageVorklärbeckenBelebungsbeckenNachklärbeckenGrobrechen Feinrechen Sandfanganaerob anoxisch aerobRäumerRäumschildRührwerkeBelüftungZulaufZulaufzumBelebungsbeckenPhosphorrücklösungDenitrifikationNitrifikationzurSandfilteranlageFette und Öle(zur Verbrennung)Sand(zur Sandwäsche)Rechengut(zur Verbrennung)Primärschlamm(zur Schlammfaulung)Rücklaufschlammvon NachklärungKreislaufschlammÜberschussschlamm(zur Schlammbehandlung)Die mechanische Abwasserreinigungberuht auf physikalischenVorgängen der Stofftrennung.Ungelöste Stoffe werdendem Wasser aufgrund ihrer Größeund Dichte entnommen: zuerst inder Rechenanlage, dann im Sandfangund zuletzt in den Vorklärbecken.In der Rechenanlage werdenGrobstoffe wie Papier, Fäkalien,Holz und Steine entfernt, imSandfang Sinkstoffe wie Sandoder Feinkies und in den Fettfangkammernder Sandfänge Fetteund Öle. Diese Grob- und Feinreinigungzu Anfang des Klärprozessesverhindert Ablagerungen undVerstopfungen von Rohrleitungenund Pumpen. Deshalb wurde inStuttgart-Hofen auf der rechtenNeckarseite eine Rechen- undSandfanganlage errichtet: Sieschließt eine Verstopfung der Dükerleitungzur Neckarunterquerungaus.In den Vorklärbecken ist dieFließgeschwindigkeit so geringgehalten, dass sich auch sehr feineStoffe absetzen (soweit sie schwererals Wasser sind) oder aufschwimmen(sofern sie leichter alsWasser sind). Der am Beckenbodenabgesetzte Schlamm (Primärschlamm)wird zur Weiterbehandlungin die Faulbehälter gepumpt.Um eine Überlastung des Klärwerksbei starkem Regenzuflusszu verhindern, wird ein Teil desAbwassers im Regenklärbeckengespeichert, vorgereinigt undgegebenenfalls in den Neckar abgeleitet.Im Hauptklärwerk Mühlhausengibt es zwei Vorklärbeckenund ein Regenklärbeckenmit einem Durchmesser von jeweils60 m und einem Gesamtvolumenvon 23400 m 3 . Bei einerAufenthaltszeit von ein bis zweiStunden werden täglich bis zu1500 m 3 Schlamm aus dem Abwasserabgeschieden.Die mechanische Reinigungsstufeist neben der Schlammeindickungder geruchsintensivste Teilder Abwasserreinigung. Deshalbsind im Hauptklärwerk Mühlhausenalle Anlagenteile dieser Reinigungsstufevollständig gekapselt;die geruchsbelastete Luft wird abgesaugtund in speziellen Abluftwäscherngereinigt.Der mechanischen folgt diebiologische Reinigung. In zweiparallelen Straßen (Biologie Nordund Süd) durchfließt das Abwasserzuerst Belebungs- und anschließendNachklärbecken. DasGesamtvolumen der 19 rechteckigenund 120 m langen Belebungsbeckenbeträgt 152 500 m 3 , die 11runden Nachklärbecken fassen beieinem Durchmesser von je 50 mbis zu 140 000 m 3 Wasser.Das mechanisch gereinigte Abwasserfließt über Verteilerbauwerkeden Belebungsbecken zuund verbleibt dort im Mittel etwasechs Stunden. Hier findet im Zeitrafferderselbe Reinigungsprozessstatt wie in natürlichen Fließgewässern.Milliarden von Mikroorganismen(Pilze, Bakterien, Protozoenund andere Kleinstlebewesen)bilden den Belebtschlamm.Sie besitzen die Fähigkeit,im Abwasser vorhandeneStoffe aufzunehmen und als Nährstoffezu verwerten: Sie wandelnzellfremdes Material in zelleigenesum und vermehren sich dabei.Für den biologischen Abbaubrauchen diese Zellen viel Energie,die sie durch Oxidation derNährstoffe mit Sauerstoff gewinnen.Die hierzu benötigte Luftwird mit Turbogebläsen über feinporigeBelüfter in das Abwasser-Belebtschlammgemisch gedrückt.Das bringt den Mikroorganismenden erforderlichen Sauerstoff undsorgt gleichzeitig für eine gründlicheDurchmischung des Abwassersmit dem Belebtschlamm.Stickstoff- und Phosphorverbindungendürfen nicht im Abwasserverbleiben und werden mit einemspeziellen Verfahren innerhalbder biologischen Reinigungsstufedem Abwasser entnommen.In den Nachklärbecken setzensich bei sehr langsamer FließgeschwindigkeitMikroorganismenals Belebtschlamm auf der Beckensohleab. Ein Teil davon wirdwieder in die Belebungsbeckenzurückgeleitet, um die biologischenAbbauvorgänge zu erhalten.Der durch die Vermehrungder Mikroorganismen entstandeneÜberschussschlamm wird demKreislauf entnommen und derSchlammbehandlung zugeführt.

Entnahme von Stickstoff- undPhosphorverbindungenSandfilteranlage: Schwebstoffewerden zurückgehaltenanaerob anoxisch aerobSandfilteranlageRührwerkeBelüftungFilterkammerZulaufkanalFilterschichtvonder VorklärungzurNachklärungBlähschieferQuarzsandQuarzkiesFilterbodenAblaufNeckarRücklaufschlammvon NachklärungKreislaufschlammSchlammwasser(zum Belebungsbecken)Schlammwasser(zum Belebungsbecken)Bei früheren Reinigungsverfahrenverblieb der größere Teil derStickstoff- und Phosphorverbindungenim Abwasser. Nach derAusleitung in das jeweilige Gewässerwurden sie von Algen undMikroorganismen als Nährstoffaufgenommen: Die Folge war einrasches Wachstum von Pflanzenund Mikroorganismen, die demGewässer für ihren eigenen Stoffwechselgroße Mengen Sauerstoffentzogen. Nach ihrem Absterbenerfolgten Fäulnisprozesse – dasGewässer „kippte um“.Moderne Verfahren ermöglichen,dem Abwasser gezielt Stickstoffund Phosphor zu entnehmen.Die Stickstoffentnahme erfolgtdabei biologisch. SpezielleBakterienarten, wie z.B. die „Nitrosomonas“und „Nitrobakter“,sind in der Lage, mit Hilfe vonLuftsauerstoff den Ammoniumstickstoffdes Abwassers in Nitratumzuwandeln (Nitrifikation). Umdiesen Bakterien günstige Lebensbedingungenzu verschaffen, sindgroße, belüftete Belebungsbeckennotwendig. Jedes dieser Beckenverfügt auch über einennicht belüfteten Bereich, in demandere Belebtschlammbakterienanschließend den Sauerstoffanteildes Nitrats für ihre Atmung abspalten.Dabei entweicht derStickstoffanteil als Gas in die Atmosphäre(Denitrifikation). Hierzuwird ein Teil des Abwassers alsKreislaufschlamm in die anoxischenBeckenteile zurückgeführt.Die Phosphorentnahme erfolgtbiologisch und chemisch. Im Abwasserliegt der größte Teil desPhosphors in gelöster Form vor,kann aber nur als Feststoff entnommenwerden – eine Überführungvom flüssigen in den festenAggregatzustand ist nötig. Dieswird durch Einlagerung in Mikroorganismenerreicht. Die Kombinationmit einem unbelüfteten„anaeroben“ Abschnitt zu Beginndes Belebungsbeckens steigert diePhosphateinlagerung so, dass dieMikroorganismen mehr Phosphoraufnehmen, als sie für ihren Stoffwechselbenötigen. Eine weitereVerminderung des Phosphors wirddurch den Einsatz von Fällungschemikalienerreicht, die im Fällungsreaktorim Ablauf des biologischenBereichs beigegebenwerden.In Europa gibt es nur wenigeSandfilteranlagen in Klärwerken,eine davon steht im HauptklärwerkMühlhausen. Das Abwasserkann damit auf über 98 Prozentgereinigt werden, bevor es in denNeckar fließt. Das vermindert dieSchwebstoffbelastung des Flusseserheblich und sorgt für eine weitereVerbesserung der Gewässergüte.Das Abwasser wird nach derbiologischen Reinigung von denNachklärbecken zur Sandfilteranlagegeleitet, dort durch ein zentralangeordnetes Schneckenpumpwerkgehoben und mittelseines Kanals auf die 48 Filterkammernder Sandfilteranlageverteilt.Die 145 cm dicke Filterschichtjeder Kammer besteht aus zweiverschiedenen Materialien: Spezifischleichteres Blähschiefermaterialmit grober Körnung lagertüber dem feineren, aber schwerenQuarzsand. An der wie ein Siebwirkenden obersten Filterschichtwerden Schwebstoffe weitgehendzurückgehalten. Das gefilterteWasser fließt nun durch die Lamellendüsenim Filterboden in einenSammelraum und von dortaus in den Neckar. Das biologischgereinigte Abwasser durchläuftdie Schichten des Filterbetts in nur15 Minuten.Durchschnittlich alle zwei Tagewird jede Filterkammer von denzurückgehaltenen Schmutzpartikelngesäubert. Dies geschiehtdurch eine kombinierte Luft-Wasser-Spülung:Luft und Wasser werdenvon unten nach oben durchdie Filterschichten gepresst. AlsSpülwasser dient dabei bereits gereinigtesWasser. Aufgrund derunterschiedlichen Dichten des Filtermaterialsstellt sich der Schichtaufbaudanach selbständig wiederher.

Schlammfaulung: Aus Schlammwird Klärgas und EnergieSchlammbehandlungund VerbrennungsanlageFaulbehälterGasbehälterSchlammentwässerungVerbrennungRauchgasreinigungKlärgasSchlammeindickbehälterWirbelschichtofenAbhitzekesselElektrofilterRauchgaswäscheWärmeZentrifugeRohschlammFaulschlammzur KlärschlammbehandlungKlärgas zuzum Blockheizkraftwerkzur SchlammverbrennungTrocknerRechengutTrockenschlammAschezur DeponierungSalzezur DeponierungDer Schlamm aus den Vorklärbeckenwird in Faulbehälter gepumptund unter Luftabschlussausgefault. Der Faulprozess bewirkteine Hygienisierung undGeruchsminderung sowie eineMassereduzierung der Feststoffeum ein Drittel gegenüber ihrer ursprünglichenMenge.Bei der Faulung bauen anaerobeBakterien die organischen Substanzenab. Die Bakterien sind inder Lage, unter Licht- und Luftabschlussdie energiereichen organischenStoffe in mehreren Schrittenzu Klärgas umzuwandeln. DasGas besteht im Wesentlichen zuzwei Dritteln aus Methan und zueinem Drittel aus Kohlendioxid.Täglich fallen bis zu 15000 m 3 Klärgasan, die in zwei Gasbehälterngespeichert werden.Damit der Faulungsprozess stabilablaufen kann, muss derSchlamm beheizt werden: Bei einerTemperatur von 33 bis 38 °Cwird er in den Faulbehältern kontinuierlichumgewälzt. Die dazuerforderliche Wärme kommt ausdem Wärmeverbund des Klärwerkes– sie wird in der Verbrennungsanlageund dem Blockheizkraftwerkerzeugt. Das Klärgas nutztman zur Energiegewinnung; imBlockheizkraftwerk treibt ein klärgasbetriebenerMotor einen Generatorzur Stromerzeugung an.Der in den Faulbehältern ausgefaulteSchlamm wird in Eindickbehälternzwischengelagert undin Zentrifugen entwässert, danachgetrocknet und anschließend ineinem Wirbelschichtofen verbrannt.Im Hauptklärwerk Mühlhausenfallen täglich ca. 2000 m 3 vorentwässerterSchlamm und Rechengutan.Der Schlamm aus den Vorklärbeckenund der Überschussschlammaus den Nachklärbeckenwerden in den Faulbehältern ausgefaultund in den Eindickbehälterndurch Schwerkraft vorentwässert.Dabei verringert sich ihrVolumen; mittels Zentrifugen undScheibentrocknern wird diesesweiter reduziert. Der entwässerteund getrocknete Schlamm (170 Tonnentäglich) wird einem Wirbelschichtofenzugeführt. Die Verbrennungin der Wirbelschichtverbrennungszoneaus Quarzsandund Heißluft findet bei Temperaturenvon über 850 °C schnell undvollständig statt.Rauchgase und Asche verlassenden Ofen mit über 850 °C undwerden im Abhitzekessel auf ca.200 °C abgekühlt. Anschließendwerden die Rauchgase im Elektrofilterentstaubt: Durch Anlegen einersehr hohen Gleichspannungvon bis zu 80 000 Volt laden sichdie Ascheteilchen negativ auf undscheiden sich an den Niederschlagselektrodenab.Die Rauchgase werden in einerzweistufigen Rauchgaswäsche zuerstmit Wasser, dann mit Natronlaugealkalisch gewaschen undweiter entstaubt. Zur Abscheidungvon Quecksilber und anderenSchwermetallen wird außerdemKohlestaub eingebracht. Dieim Waschwasser angereichertenSchwermetalle werden ausgeschleustund mit der Restwärmeder Rauchgase im Sprühtrocknereingedampft. Die getrocknetenTeilchen werden im nachgeschaltetenElektrofilter ausgeschieden.Übrig bleiben Salzpartikel, Verbrennungsascheund saubere Luft.Ständige Emissionsmessungen zeigen,dass die gesetzlich vorgeschriebenenGrenzwerte eingehalten,manche um bis zu 98 Prozentunterschritten werden. Asche undRauchgasrückstände werden anschließendweiterverwertet bzw.entsorgt.

Energiegewinnung imHauptklärwerk MühlhausenKennzahlenHauptklärwerk MühlhausenHeissdampfvon VerbrennungVorlaufRücklaufzur SchlammtrocknungWärmeverbundBeheizungSchlammfaulungAusbaugrößeGebäudeheizungEinwohnerwerte 1 200 000GeneratorGeneratorAbwassermenge, jährlich ca. 80 000 000 m 3 /aAbwassermenge, täglich ca. 220 000 m 3 /dKlärgasvon SchlammfaulungDampfturbineBlockheizkraftwerkStromnetzBemessungswerteGasnetzVerbrennungTrockenwetterzufluss (Q t ) 4,0 m 3 /sRegenwetterzufluss (Q m ) 7,5 m 3 /sIm Hauptklärwerk Mühlhausenwerden durchschnittlich 220 MillionenLiter Abwasser pro Tag gereinigtund dessen Rückständeentsorgt. Das geht nur unter Einsatzvon viel Energie – ein Teil davonkann jedoch wieder zurückgewonnenwerden.Die Klärschlammverbrennungin den zwei Wirbelschichtöfensetzt sehr viel Wärme frei. Ein Teildavon wird zum einen über Abhitzekesselausgekoppelt und einerDampfturbine nebst Generatorzur Erzeugung von Strom zugeführt.Zum anderen werden auchdie Dampftrockner der Schlammentwässerungmit Wärme versorgt.Die Restwärme wird in denWärmeverbund eingespeist, welcherdie großen Behälter derSchlammfaulung sowie viele Betriebsgebäudebeheizt. Das in derSchlammfaulung entstehende Klärgaswird im Hauptklärwerk Mühlhausenzur Stromgewinnung genutzt.In einem Blockheizkraftwerkkann damit ein speziellerGasmotor betrieben werden, derseinerseits einen Generator zurStromerzeugung antreibt. Zusätzlichwird die dabei anfallendeWärme über Wärmetauscher inden Wärmeverbund eingespeist.Eine übergeordnete Prozessleittechniksteuert dieses System.So wird ein Teil des benötigtenStroms selbst erzeugt und derCO 2 -Ausstoß erheblich vermindert.Die SES hat sich zum Ziel gesetzt,einen Großteil des Strombedarfsim Hauptklärwerk Mühlhausenselbst zu produzieren.Zulauf Belebung CSB 111 000 kg/dN ges 13 600 kg/dP ges 2 000 kg/dMittlere Ablaufkonzentration CSB 21 mg/lN ges 11 mg/lP ges 0,5 mg/lMittlere Ablaufleistung CSB > 95 %N ges > 70 %P ges > 93 %Schlamm- und GasanfallPrimärschlamm 1 000 m 3 /dÜberschussschlamm 4 500 m 3 /dKlärgas 15 000 m 3 /dReststoffeRechengut 1 570 t/aSand 540 t/aAsche 7 000 t/aRückstände Rauchgasreinigung 250 t/aFläche HKW 25 haAnzahl Mitarbeiter 113Auszubildende 18Stand 2008

Alles erfahren über dasHauptklärwerk MühlhausenFührungenUnter dieser Rufnummer können Schulklassen, Studenten, Vereine undalle interessierten Gruppen Termine zu ausführlichen Führungen imHauptklärwerk Mühlhausen vereinbaren: 0711 - 216 7213Oder Sie schreiben eine E-Mail mit Ihrem speziellen Führungswunsch sowieIhrem Wunschtermin an:fuehrungen@stuttgart-stadtentwaesserung.deFür alle, die sich vorab schon mal selbständig kundig machen wollen,gibt es zwischen dem Betriebsgelände des Hauptklärwerks und demNeckar einen Fußgänger- und Radweg, ausgestattet mit Informationstafelnzu den wichtigsten Prozessstufen der Abwasserreinigung.Weitere Informationen zur Stadtentwässerung Stuttgart SES finden Sieim Internet unter:www.stuttgart-stadtentwaesserung.de© Stadtentwässerung Stuttgart SES - 09.2009Landeshauptstadt StuttgartTiefbauamtEigenbetrieb Stadtentwässerung Stuttgart (SES)Gesamtherstellung: Höllerer, Büro für KommunikationText: Martin PfeifferFotos: Gert Elsner, Conrad Höllerer