Moderne Abwasserbehandlung im Hafen

Große Kreuz­fahrtschiffe geben regelmäßig ihr gesam­meltes Grauwass­er währende der Liegezeit­en in den Häfen ab. Bed­ingt durch das Inkraft­treten der Entschließung MEPC.200(62) ist die Ost­see seit dem 01.01.2013 das erste Son­derge­bi­et nach Anlage IV des MAR­POL-Übereinkom­mens für die Ein­leitung von Schiff­s­ab­wässern. Deshalb ist in naher Zukun­ft eine deut­liche Zunahme der Schiff­swasser­ab­gaben in den anliegen­den Häfen zu erwarten, wie z. B. den Port of Kiel.

Dieser gibt, wie viele andere Häfen, das Grauwass­er der Schiffe als Indi­rek­tein­leit­er in das Entwässerungsnetz der Stadt ab. Dort stand eine weitre­ichende Änderung der Leitungs­führung und Anpas­sung der Abwasser­an­la­gen an die neuen Her­aus­forderun­gen an. Deshalb wur­den Vorun­ter­suchun­gen durchge­führt, welche ergaben, dass sich bei aus­gewählten Abwasserqual­itäten der Kreuz­fahrtschiffe Geruch­sprob­leme im Bere­ich der Ein­leitung ergeben kön­nen. Mit ein­er gezielt auf die Geruch­sprob­lematik abges­timmten Abwasser­be­hand­lungsan­lage muss dieser ent­ge­gengewirkt werden.

Die Entstehung von Geruchsbelastungen

Der Stoff, der am Häu­fig­sten zu Geruchs­beschw­er­den in Zusam­men­hang mit Entwässerungssys­te­men führt, ist Schwe­fel­wasser­stoff. Geruchs­beläs­ti­gun­gen sind allerd­ings nur ein Aspekt dieses Stoffes — die Gefährdung, die durch ihn für das Per­son­al aus­ge­ht, und der mas­sive Angriff der Bausub­stanz sind weitere.

Wie aber entste­hen Sul­fide bzw. Schwe­fel­wasser­stoff bei der Entwässerung? Grund­sät­zlich ist zu unter­schei­den zwis­chen Sul­fi­den, die in das Abwass­er ein­geleit­et wer­den und solchen, die im Abwass­er im Ver­lauf des Abwasser­trans­portes gebildet werden.

Im kom­mu­nalen Bere­ich ist die Bil­dung von Sul­fid auf dem Fließwege die entschei­dende Größe. Die Bil­dung geschieht dabei durch mikro­bielle Stof­fum­set­zung. Dabei wer­den von hochgr­a­dig spezial­isierten Mikroor­gan­is­men Sul­fat und organ­is­che Säuren durch dis­sim­i­la­torische Stof­fum­set­zung oxi­diert und es entste­ht als Neben­pro­dukt Sul­fid (Abbil­dung 1).

Diese Stof­fum­set­zung­sprozesse find­en in den anaer­oben Zonen der Siel­haut statt. Daher ist Grund­vo­raus­set­zung, dass es zur Bil­dung von Sul­fid im Bere­ich der Abwasser­ableitung kommt, die Aus­bil­dung sig­nifikan­ter anaer­ober Bere­iche. Dies ist regelmäßig der Fall in lan­gen Druck­rohrleitun­gen, großen Freispiegelka­nälen mit hohen Fließtiefen und Spe­ich­ern wie z. B. Pumpen­vor­la­gen mit entsprechen­den Aufenthaltszeiten.

Wie viel Sul­fid in den anaer­oben Bere­ichen gebildet wird ist abhängig von ein­er Rei­he von Rah­menbe­din­gun­gen u. a. sind hier zu nen­nen Tem­per­atur, organ­is­che Ver­schmutzung, Sauerstoffgehalt/ Nitrat, Siel­haut, Sul­fat­ge­halt, pH-Wert, Fließgeschwindigkeit, Fließzeit und Betriebsweise/ ‑sys­teme. In welch­er Stufe Sul­fid im Abwass­er vor­liegt, ist stark abhängig vom pH-Wert. Sul­fide sind genau genom­men nur die S^2- Ionen, jedoch wer­den im all­ge­meinen Sprachge­brauch mit Sul­fi­den auch die anderen Stufen, also undis­sozi­iert­er gelöster Schwe­fel­wasser­stoff (H₂S) und Hydro­gen­sul­fid HS^-, beze­ich­net. Diesem all­ge­meinen Sprachge­brauch soll hier gefol­gt werden.

Abwass­er aus dem häus­lichen Bere­ich enthält bei der Ein­leitung in die öffentlichen Net­ze in der Regel kein bzw. nur ver­schwindend geringe Men­gen an Sul­fi­den. Damit liegen direk­te Ein­leitun­gen von Sul­fi­den im häus­lichen Abwasser­bere­ich meist unter­halb der Nach­weis­gren­ze. Anders im indus­triellen, gewerblichen Bere­ich, in denen im Rah­men von Pro­duk­tion­sprozessen Sul­fide einge­set­zt wer­den kön­nen oder im Zuge der Abwasserbe­sei­t­i­gung entste­hen und damit bere­its bei Ein­leitung in die öffentlichen Net­ze in erhe­blichem Umfang vor­liegen kön­nen. Dies gilt z. B. auch für die Abwäss­er von Kreuzfahrtschiffen.

Schwe­fel­wasser­stoff ist ein Gas, das in Wass­er nur sehr schw­er lös­lich ist. Dadurch wird der Schwe­fel­wasser­stoff bei geeigneten Rah­menbe­din­gun­gen aus dem Wass­er emit­tieren. Dies ist z. B. der Fall nach Abwasser­druck­leitun­gen, wenn sich die Druck­ver­hält­nisse ändern. Dann erfol­gt jedoch keine voll­ständi­ge Spon­tan-Emis­sion son­dern es begin­nt der Prozess der Aus­ga­sun­gen, welch­er sich über eine län­gere Fließstrecke hinziehen kann. Bei Freispiegelka­nälen ent­gast das gebildete Sul­fid in der Regel zeit- und ortsnah.

Wer­den im Anschluss an Abwasser­druck­leitun­gen über die Fließstrecke Schwe­fel­wasser­stoff-mes­sun­gen durchge­führt, so zeigt sich, dass das Max­i­mum der Emis­sio­nen in einiger Ent­fer­nung vom Über­gabeort auftritt. Dies ist neben den Aus­ga­sungsef­fek­ten auch den Ven­ti­la­tionsver­hält­nis­sen im Kanal geschuldet. Abbil­dung 2 zeigt schema­tisch den Ver­lauf der Emis­sio­nen im Freispiegelka­nal nach ein­er Abwasser­druck­leitung. Ist diese Emis­sion­sstrecke nicht vorhan­den, bzw. ist diese nicht lange genug, klin­gen die Emis­sio­nen auf der Strecke nicht voll­ständig ab und es kommt zu Belas­tung nach­fol­gen­der Anla­gen wie Pump­w­erke und Kläranlagen.

Vermeidung von Geruchsbelastungen – Lösung durch Berechnung von Schwefelwasserstofffrachten und –konzentrationen

Generell, und im Speziellen für Abluft­be­hand­lungsan­la­gen gilt: Um Maß­nah­men gegen Geruch und Kor­ro­sion bemessen zu kön­nen, ist es notwendig, min­destens die fol­gen­den Punk­te zu klären.

• Wie hoch ist die Sul­fid­fracht (Max­i­mum und Durchschnitt)
• Reich­weite und Stärke der Emissionen
• Menge der zu behan­del­nden Abluft

Darüber hin­aus soll­ten in jedem Falle, auch um eine vorauss­chauende sichere Bemes­sung gewährleis­ten zu kön­nen, die ergänzen­den Fragestel­lun­gen beant­wortet werden:

• Was sind die Ursachen für die vorhan­de­nen Belastungen?
• Wie sieht die zukün­ftige Entwick­lung aus?

Diese Fragestel­lun­gen rein über eine Mes­sung sich­er erfassen zu wollen, ist nur in Aus­nah­me­fällen möglich, näm­lich nur dann, wenn die Belas­tun­gen sehr homogen ver­laufen und die Abwasserzusam­menset­zung über län­gere Zeiträume hin­weg keinen großen Schwankun­gen unter­liegt. Also dann, wenn mit ein­er vertret­baren Dauer ein­er Messkam­pagne (zwei bis vier Wochen) mit Sicher­heit alle rel­e­van­ten Betrieb­szustände erfasst und für die Bemes­sung aus­gew­ertet wer­den können.

Bei der hydraulis­chen Ausle­gung von Entwässerungssys­te­men ist eine Mod­el­lierung und anschließende hydro­dy­namis­che Berech­nung heute selb­stver­ständlich. Jedoch reichen die Möglichkeit­en heute viel weit­er. Durch eine Kop­plung der hydraulis­chen Berech­nung mit ein­er bio-chemis­chen Mod­el­lierung von Stof­fumwand­lung­sprozessen ist es möglich, die Sul­fi­den­twick­lung und Sul­fide­mis­sio­nen in Entwässerungssys­te­men und deren Bauw­erken sich­er zu berech­nen. Dies gilt dabei sowohl für vorhan­dene Sys­teme, als auch für Neu­pla­nun­gen und geplante Umbauten.

Hierzu entwick­elte die Fir­ma UNITECHNICS das GIS-basierte Pro­gramm SULFIDUS. Das Pro­gramm baut auf ein hau­seigenes Berech­nungsmod­ell auf, das seinen Ursprung in ein­er Kom­bi­na­tion von Model­lan­sätzen hat, die im Hochschul­bere­ich entwick­elt wur­den. Dabei wur­den das Mod­ell und die einzel­nen Ansätze darin kon­tinuier­lich weit­er­en­twick­elt und mit umfan­gre­ichen Praxis­er­fahrun­gen kalib­ri­ert bzw. ver­i­fiziert. Die Erfahrung aus mehreren hun­dert Pro­jek­ten und 20 Jahren Mod­el­lierungser­fahrung im Bere­ich Sul­fid­bil­dung und Sul­fide­mis­sio­nen sind in diese zeit­gemäße Form der Berech­nungs­durch­führung einge­flossen. Grund­sät­zlich gliedert sich jedes Pro­jekt in die Abschnitte Mod­el­lierung – Kalib­rierung – Sim­u­la­tion und Beurteilung (Abbil­dung 3).

SULFIDUS ist eine ein­fach zu bedi­enende Soft­ware für die Pla­nung geruchs­freier Entwässerungssys­teme. Mit der Eingabe von Para­me­tern wer­den kom­plexe Stof­fwech­sel-Prozesse im Abwasser­netz simuliert. So kön­nen Abbauprozesse, wie die Bil­dung von Sul­fid (H₂S), Aus­ga­sun­gen oder Sauer­stof­fzehrung, präzise voraus­berech­net wer­den. Im Ergeb­nis kann so die Entste­hung von bio­gen­er Kor­ro­sion – und damit die Entste­hung unan­genehmer Gerüche – frühzeit­ig erkan­nt bzw. ver­mieden werden.

Durch die vorhan­de­nen Schnittstellen zum Import von Kanal­stam­m­dat­en ist ein ein­fach­er Aus­tausch mit den Kanal­daten­banken der Betreiber möglich. Ganze Net­ze oder Abschnitte kön­nen daraus importiert wer­den und es wird eine detail­lierte, klein­teilige, hal­tungs­ge­naue Berech­nung der Sul­fid­bil­dung und der Sul­fide­mis­sio­nen möglich. Genau­so ist es aber auch im Rah­men ein­er Experten­mod­el­lierung möglich, ein gröberes Netz zu schaf­fen und über die Def­i­n­i­tion von Randbe­din­gun­gen die Berech­nung für aus dem Gesamt­sys­tem her­aus­gelöste Gebi­ete durchzuführen. Darüber kön­nen dann ein­fach Aus­sagen zur Verän­derung der Sit­u­a­tion z. B. durch Neuan­schlüsse von Indus­triebe­trieben oder Neubauge­bi­eten erar­beit­et werden.

Die Kalib­rierung ist ein wichtiger Bestandteil ein­er jeden Sim­u­la­tion. Hier­für sind Mes­sun­gen im Sys­tem uner­lässlich. Dabei kön­nen auch wichtige Angaben zu weit­eren Input­pa­ra­me­tern gener­iert wer­den, indem Abwasser­proben gezo­gen wer­den und die Aus­sage­qual­ität der Mod­el­lierung dadurch erhöht wird. Liegen keine Angaben zu den Abwasser­pa­ra­me­tern vor, so hat sich im kom­mu­nalen Bere­ich eine Kom­bi­na­tion aus der Nutzung von Stan­dard­pa­ra­me­tern und die Durch­führung von Sen­si­tiv­ität­s­analy­sen für die einzel­nen Abwasser­pa­ra­me­ter bewährt.

Neben diesen Sen­si­tiv­ität­s­analy­sen kön­nen bei den Sim­u­la­tio­nen selb­st alle denkbaren Vari­anten berech­net wer­den: Stan­dard­vari­anten wie Trock­en- oder Regen­wet­ter­abflüsse, aber auch Spezial­last­fälle wie spo­radis­che hochbe­lastete Ein­leitun­gen aus Gewerbe oder Industrie.

Im Rah­men der Beurteilung der Ergeb­nisse kön­nen dann Maß­nah­men ermit­telt, bemessen und bew­ertet wer­den. So sind die bei unter­schiedlichen Last­fällen z. B. an Pump­w­erken auftre­tenden Sul­fid­fracht­en wichtige Ein­gangs­größen für die Dimen­sion­ierung der Abluft­be­hand­lungsan­la­gen. Dadurch wird eine tech­nisch opti­mierte und somit wirtschaftliche Anla­ge­nausle­gung möglich.

Die Ergeb­nisse wer­den visu­al­isiert (vgl. Abbil­dung 4). Dadurch kön­nen z. B. über Ein­fär­bun­gen in Ampel­far­ben kom­plexe Ergeb­nisse ein­fach an Entschei­dungsträger ver­mit­telt werden.

Wirtschaftlichkeits­be­tra­ch­tun­gen ermöglichen dann zusät­zlich eine betrieb­swirtschaftliche Opti­mierung der Herange­hensweise an die Prob­lematik Geruch und Kor­ro­sion. Damit kön­nen dann auf bre­it­er und gesichert­er Basis Entschei­dun­gen zu gesamtheitlichen Strate­gien getrof­fen und sichere Investi­tion­spläne zur Umset­zung der Maß­nah­men aufgestellt werden.

Vermeidung von Geruchsbelastungen bei der Einleitung von Schiffsabwässern in lokale Entwässerungssysteme am Beispiel des Port of Kiel

Bei der Ein­leitung von Schiff­s­ab­wässern in das Entwässerungssys­tem der Stadt Kiel bere­it­eten vor allem die Para­me­ter pH-Wert und Sul­fid Prob­leme. Da bere­its Sul­fid­konzen­tra­tio­nen von deut­lich weniger als 2 mg/l zu Belas­tun­gen in der Abluft im deut­lich wahrnehm­baren Bere­ich führen kön­nen, wurde eine Reduk­tion der Sul­fid­be­las­tun­gen deut­lich unter dem genan­nten Gren­zw­ert durch die Abwasser­be­hand­lung angestrebt.

Nach Vor­lage der Berech­nun­gen und Analy­sen war klar, dass klas­sis­che Ansätze zur Bekämp­fung von Prob­le­men durch Schwe­fel­wasser­stoff hier nicht funk­tion­ieren oder unwirtschaftlich sind. Deshalb wurde ein Konzept entwick­elt, das sich den Fakt zu Nutze macht, dass bei sehr niederen pH-Werten nahezu das gesamte Sul­fid als leicht emit­tier­bar­er Schwe­fel­wasser­stoff vor­liegt (vgl. Abbil­dung 6).

Durch Belüf­tung der Schiff­s­ab­wäss­er kann der vorhan­dene Schwe­fel­wasser­stoff schnell aus­gestrippt wer­den. Vorver­suche an einem 5m³-Behäl­ter (siehe Abbil­dung 7) haben dies nachgewiesen. Es kon­nte gezeigt wer­den, dass bere­its eine Belüf­tungs­dauer von 7 Minuten aus­re­icht, um bei ein­er Vielzahl der Schiff­s­ab­wäss­er nahezu sämtlich­es Sul­fid aus zu strippen.

Dadurch wird jedoch nun die Abluft mit der aus­gestrippten Fracht beladen. Bei ein­er Belas­tung von 500 ppm und mehr wird dann eine sichere und wirtschaftliche Behand­lung der Abluft notwendig. Die Funk­tion­al­ität der Abluft­be­hand­lung wurde eben­falls über Vorver­suche (siehe Abbil­dung 8) nachgewiesen und gle­ichzeit­ig wur­den dabei zusät­zliche Para­me­ter für die Bemes­sung der Abluft­be­hand­lungsan­lage gewonnen.

Auf Basis der Berech­nun­gen und der Vorver­suche wurde ein 75 m³ großer Stau­raumkanal aus Steinzeu­grohren errichtet, der über ein Druck­leitungssys­tem direkt durch die Kreuz­fahrtschiffe beschickt wird. Dieser ist mit grob­blasi­gen Belüf­tungse­le­menten und umfan­gre­ich­er Analy­setech­nik ausgestattet.

Die Belüf­tung erfol­gt dabei direkt durch Luft, welche mit Ozon angere­ichert ist, um einen weitest gehen­den Abbau des aus­gestrippten Schwe­fel­wasser­stoffs im Reak­tor zu gewährleis­ten. Rest­be­las­tun­gen an Schwe­fel­wasser­stoff wer­den in ein­er nachgeschal­teten Adsor­bere­in­heit zurück­ge­hal­ten, so dass über den Schorn­stein, welch­er über der zu den Schif­f­en führen­den Pas­sagier­gang­way liegt, gere­inigte und „geruchs­freie“ Rein­luft abge­führt wird. Die kom­plette Anla­gen­tech­nik ist kom­pakt in einem 40 Fuß Schiff­s­con­tain­er unterge­bracht und inte­gri­ert sich dadurch in das Hafenbild.

Das behan­delte Grauwass­er wird anschließend über eine Druck­rohrleitung zum kom­mu­nalen Über­gabepunkt gepumpt und dem städtis­chen Klär­w­erk zugeführt.

Die frühzeit­ige Ein­bindung von Berech­nun­gen und Sim­u­la­tio­nen in die Ausar­beitung machte es möglich, weit vor der Umset­zung, die Auswirkun­gen von Pla­nungsalter­na­tiv­en konkret zu benen­nen und eine kom­pak­te, wirtschaftliche und sichere Lösung zu entwickeln.

Fazit

Schwe­fel­wasser­stoff ist ein Gefahrstoff, welch­er in gerin­gen Konzen­tra­tio­nen vor­wiegend als unan­genehmer Geruch auf­fällt. Gle­ichzeit­ig ist die Bil­dung von Schwe­fel­wasser­stoff in Entwässerungssys­te­men, bed­ingt durch bio-chemis­che Prozesse, nahezu unver­mei­dlich. Dies führt dazu, dass wir nicht nur bei direk­ten Ein­leitun­gen, son­dern auch verteilt in den Entwässerungsnet­zen und auf den Abwasser­be­hand­lungsan­la­gen mit Schwe­fel­wasser­stoff­be­las­tun­gen rech­nen müssen.

Als Indi­rek­tein­leit­er ste­ht man jedoch häu­fig vor der Her­aus­forderung, die ein­geleit­eten Sul­fid­be­las­tun­gen reduzieren zu müssen. Dabei machen spezielle Abwasserzusam­menset­zun­gen häu­fig den Ein­satz klas­sis­ch­er Lösun­gen, wie Fäl­lung, tech­nisch schwierig und wirtschaftlich unin­ter­es­sant. Hier sind alter­na­tive, maßgeschnei­derte Ansätze zu finden.

Die Erar­beitung ein­er wirtschaftlich und tech­nisch opti­mierten Lösung geht am effek­tivsten auf Basis ein­er Mod­el­lierung der bio-chemis­chen Stof­fumwand­lung­sprozesse, welche z. B. im Pro­gramm SULFIDUS skalier­bar (von einzel­nen Leitun­gen bis zu ganzen städtis­chen Entwässerungsnet­zen) möglich ist. Damit kön­nen zum einen flächen­deck­ende Aus­sagen zu Belas­tun­gen getrof­fen wer­den und zum anderen ist die Entwick­lung von ganzheitlichen Geruch­min­imierungskonzepten möglich.

Mit Hil­fe solch­er Werkzeuge wird es auch möglich, mod­erne Abluft­be­hand­lungsan­la­gen sich­er zu bemessen und opti­miert auf die Belas­tun­gen auszule­gen. Wird das Ganze um wis­senschaftlich-tech­nis­che Unter­suchun­gen ergänzt, kön­nen Konzepte entwick­elt wer­den, welche weit über Stan­dard­lö­sun­gen hin­aus­ge­hen und auf spez­i­fis­che Anforderun­gen, wie z. B. für die Abwäss­er und die Abluft der Grauwasser­ab­gabe von Kreuz­fahrtschif­f­en in Häfen, maßgeschnei­dert sind.