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03. Januar 2022

EMV Morgental

Zwei Kläranlagen – eine Elimination

Im Rahmen einer Partnerschaft haben Entsorgung St. Gallen und der Abwasserverband Morgental auf dem Areal der ARA Morgental eine gemeinsame Anlage zur Elimination von Mikroverunreinigungen realisiert. Die vielen Synergien, die aus dem gemeinsamen Projekt hervorgegangen sind, sowie die diversen Herausforderungen, die es zu meistern galt, werden nachfolgend beschrieben und diskutiert.

Seit über hundert Jahren produziert die Stadt St. Gallen aus dem gereinigten Abwasser der 1917 in Betrieb genommenen Kläranlage Hofen in Wittenbach im gleichnamigen Kleinwasserkraftwerk bis zu 2 GWh Strom. Bis 2013 wurde das turbinierte Abwasser in den Bach Steinach eingeleitet.
Ausschlaggebend für den Einleitungsstopp des gereinigten Abwassers waren die zunehmenden qualitativen Gewässerprobleme der Steinach. Dazu kam der altersbedingte Sanierungsbedarf des Kleinwasserkraftwerks Hofen mit Druckleitung und dem 1914 erbauten Turbinenhaus.

Wasserqualität der Steinach

Im Unterlauf der Steinach flossen bei Niedrigwasser bis zu 80% gereinigtes Abwasser. Bei Regenwetter wurde die Steinach zusätzlich durch Überläufe aus dem städtischen Kanalnetz belastet. Die Steinach war grundsätzlich zu wenig wasserreich, um derart grosse gereinigte Abwassermengen aufzunehmen, und entsprechend unbefriedigend war die Wasserqualität der Steinach im Unterlauf. Die gesetzlichen Anforderungen an den Gewässerzustand wurden nicht erfüllt. Als Folge des ungünstigen Mischverhältnisses kam es zu massiven Beeinträchtigungen der Lebensgemeinschaften im Gewässer, sodass auch diesbezüglich die Vorgaben der Gewässerschutzverordnung deutlich verfehlt wurden. Zudem war die Temperatur des Wassers in der Steinach aufgrund der ungünstigen Mischung von Bachwasser und gereinigtem Abwasser viel zu hoch. Das kantonale Amt forderte deshalb die Stadt St. Gallen 2006 auf, entsprechende Massnahmen zur Verbesserung der Gewässerqualität einzuleiten (Art. 6 der Gewässerschutzverordnung).

Unter der Federführung von Entsorgung St. Gallen erarbeitete die Stadt St.Gallen und der Abwasserverband Morgental zusammen mit einer multidisziplinären Arbeitsgruppe (Eawag, BAFU, Regionale Wasserversorgung St. Gallen [RWSG], Wasserversorgungen von Arbon und Steinach sowie diverse spezialisierte Ingenieurbüros) mögliche Massnahmen zu einer nachhaltigen Verbesserung der Wasserqualität der Steinach. Dabei wurden zwei Varianten geprüft und beurteilt:

Lösungsvarianten
Aufrüstung der ARA Hofen

Das technische Aufrüsten inklusive Bau einer eigenen Elimination Mikroverunreinigung auf der ARA Hofen hätte hinsichtlich Verbesserung der Reinigungsleistung keinen Einfluss auf die Hydrologie der Steinach gehabt. Insbesondere hätte sich das bei Trockenwetter ungünstige Verdünnungsverhältnis von Steinachwasser zu eingeleitetem Abwasser nicht geändert. Das technische Aufrüsten der ARA Hofen, z. B. mit Membranbiologie, Filtration und Ozonung, hätte zwar bezüglich Stickstoff und organischem Kohlenstoff zu einem besser gereinigten Abwasser geführt, aber infolge des ungünstigen Verdünnungsverhältnisses wären die Phosphor-, Stickstoff- und Kohlenstoffkonzentrationen in der Steinach weiterhin relativ hoch geblieben. Der gewässerökologische Nutzen wäre somit nicht erreicht worden. Ebenfalls hätte sich die Temperatur der Steinach auch bei Wärmerückgewinnung weiterhin je nach Saison zwischen 2 und 8 °C erhöht, was sich insbesondere auf die Fischpopulation negativ ausgewirkt hätte.

Direkte Ableitung in den Bodensee

Ein Verzicht auf eine Abwassereinleitung in die Steinach zeigte, dass sich die Wasserqualität unterhalb der Einleitung deutlich und nachhaltig verbessern würde. Ebenfalls sollte mit dem Aufheben der Einleitung die dadurch bedingte Wärmebelastung der Steinach gänzlich verschwinden.
Zusammenfassend bestätigte der Bericht der Eawag, dass die Variante mit Beibehaltung der Einleitung nur dann einer direkten Ableitung in den Bodensee vorzuziehen wäre, wenn beim Verzicht auf die Einleitung in die Steinach Bachabschnitte während Trockenperioden häufig trocken fallen würden. Im sehr trockenen Sommer 2006 wurde der Abfluss der ARA Hofen während einer längeren Zeit unterbrochen, um die Restwassermenge der Steinach ohne Einleitung der gereinigten Abwässer aus der ARA Hofen zu beurteilen. Die entsprechenden Abflussmessungen in den Trockenperioden zeigten, dass die Steinach auch ohne den Zufluss aus der ARA Hofen ausreichend Wasser führte. Zudem liegt das bestehende Kleinwasserkraftwerk Hofen mit Druckleitung in einem Hangrutschgebiet. Eine Verlegung hätte grössere Kosten zur Folge gehabt.

Unter Berücksichtigung der erwähnten Probleme und Risiken wurde die direkte Ableitung des gereinigten Abwassers der ARA Hofen zum Bodensee in einer Volksabstimmung in der Stadt St. Gallen und durch die Delegiertenversammlung des Abwasserverbandes Morgental beschlossen. Das Projekt umfasste von 2010 bis 2013 den Bau einer 5 km langen Druckleitung NW 700 mit 190 m Höhendifferenz, die Realisierung des Kleinwasserkraftwerks Morgental sowie die Sanierung der bestehenden Seeleitung NW 1200 mm und den Bau einer zusätzlichen 1,3 km langen Seeleitung NW 1200 mm

Einleitung in den Bodensee
Aufgrund des hohen Anteils Abwasser und somit des ungünstigen Mischungsverhältnisses, der Temperaturproblematik in der Steinach und des altersbedingten Ersatzes des bestehenden Kleinwasserkraftwerkes, verbunden mit geologischen Problemen der Druckleitung, entschied Entsorgung St. Gallen zusammen mit dem Abwasserverband Morgental, dem kantonalen Umweltschutzamt sowie Experten, das gereinigte Abwasser direkt in das grössere Ökosystem Bodensee zu leiten. Mit dem Bau einer 5 km langen Druckleitung NW 700 mm, der Erstellung eines neuen Abwasserkraftwerkes auf dem Grundstück der ARA Morgental und der Verlegung einer zusätzlichen, 1,3 km langen Seeleitung NW 1200 mm mit Einleittiefe 25 m, unter der Sprungschicht des Bodensees, konnte die Gewässersituation massgeblich verbessert werden.
Die vom BAFU aufgestellten Kriterien zur Verpflichtung einer Elimination Mikroverunreinigung wurden von beiden Kläranlagen ARA Hofen und ARA Morgental erfüllt. Da seit 2014 das gereinigte Abwasser beider Kläranlagen auf dem Grundstück der ARA Morgental anfällt, wird dieses in einer gemeinsamen Elimination Mikroverunreinigung mit Ozonung und nachgeschalteter einschichtiger Sandfiltration ab 2022 am Standort der ARA Morgental behandelt. Nebst der Energiegewinnung kann mit der gemeinsamen Anlage eine weitere Synergie bezüglich Investition, Betrieb und Ökonomie erreicht werden.



Übersichtsplan des Gesamtprojekts Ableitung ARA Hofen Bodensee mit den Standorten des alten Kraftwerks Hofen und der neuen Elimination Mikroverunreinigung Morgental.

Gemeinsame Elimination Mikroverunreinigung 

Mit dem Entscheid zur Realisierung der Ableitung Hofen zum Bodensee und der 2010 unterzeichneten Absichtserklärung der beiden Partner Stadt St. Gallen und Abwasserverband Morgental wurde der Grundstein zu einer gemeinsamen Behandlung der beiden gereinigten Abwässer in einer Elimination Mikroverunreinigung auf dem Grundstück der ARA Morgental gelegt.

Verfahren – Bau

Das Kantonsspital St. Gallen befindet sich im Einzugsgebiet der ARA Hofen. Wegen dieses grossen Emittenten von pathogenen Keimen, Viren und Mikroverunreinigungen beurteilten die kantonale Fachstelle, die Eawag sowie die beiden Bauherren das Verfahren mit Ozonung zur Entkeimung und nachgeschalteter Sandfiltration als biologische Nachbehandlung als die zweckmässigste Reinigungsmethode zur Elimination der Mikroverunreinigungen.

In einer fast ein Jahr dauernden Untersuchungsphase bezüglich der Spurenstoffe und der Thematik Bromid-/Bromatbildung wurde die Verfahrenseignung Ozonung nach den Empfehlungen des VSA abgeklärt und das Verfahren Ozonung schlussendlich bestätigt.

Das gereinigte Abwasser der Kläranlage Hofen fliesst vom Kraftwerk Morgental zum EMV-Pumpwerk, dasjenige der ARA Morgental wird zum Zwischenpumpwerk geleitet und von dort ins EMV-Pumpwerk gepumpt. Dieses beschickt die 2-strassige Ozonungsanlage mit max. je 450 l/s. Danach werden die Spaltprodukte in 2 × 5 einschichtigen Sandfilterzellen abgebaut. Das Ozon wird in zwei Generatoren hergestellt und durch eine Kollektorleitung mittels zwei Begasungsrampen, mit Keramikbelüftern ausgerüstet, in die zwei Ozonreaktoren eingetragen. Der Sauerstoff wird flüssig angeliefert und im Tank gelagert.

Dimensionierungsgrösse der EMV

Angeschlossene Einwohner + Einwohnerwerte: 88'000 E + 72'000 EW
Max. Abwassermenge durch MV-Stufe (inkl. Rückläufe): 900 l/s
Sauerstofftank: 46'000 kg
Max. Ozondosierung bei QTW,max (533 l/s): 15,9 mg O3/l
Max. Ozonproduktion: 30,3 kg O3/h
Volumen Kontaktreaktor: 2 × 405 m3
Wassertiefe: 7 m
Anzahl Begasungskammern: 2 x 2
Aufenthaltszeit im Reaktor bei Qmax (2 Reaktoren): 28,5 min
Aufenthaltszeit im Reaktor bei QTW,max: 16,8 min
Anzahl Filterzellen: 10
Fläche pro Filterzelle: 43,5 m2
Lamellenklärer zur Behandlung des Schlammwassers: 1 Stk
Die einzelne Filterzelle ist 5 m breit und 8 m lang. Das einschichtige Filterbett ist 1,2 m tief mit Quarzsand gefüllt. Die Schlammwasserbecken sind seitlich zu den Filterzellen angeordnet. Die Filterzellen sind bewusst grösser dimensioniert worden, sodass bei einer allfälligen späteren verfahrenstechnischen Anpassung diese mit granulierter Aktivkohle (GAK) gefüllt werden könnten. Der Umstand, dass die grössere Kläranlage Hofen ihr gereinigtes Abwasser an die kleinere Kläranlage Morgental zur Behandlung abgibt, führte bezüglich Filtration dazu, dass bei den Filterrückspülungen anteilsmässig in der ARA Morgental überproportional viel Schlammwasser, bis zu 2000 m3/d, hätte behandelt werden müssen. Dies hätte zu einem unvernünftigen Ausbau der ARA Morgental geführt. Durch den Einsatz eines Lamellenklärers mit vorgeschalteter Flockung kann die Schlammmenge auf ca. 200 m3/d reduziert werden; diese kann in der ordentlichen Schlammbehandlung der ARA Morgental verarbeitet werden.

Das Gebäude ist 3-geschossig, 75 m lang, 25 m breit, 9 m hoch und umfasst vier Bereiche:

  • Technik mit Pumpstationen im UG/EG, Trafostation, Notstromdiesel, HLSK-Raum (Heizungs-, Lüftungs-, Sanitär-, Klimaanlage), Niederspannungshauptverteilung, Schaltwarte, Drucklufterzeugung
  • Ozonung mit Generatoren, Analytik und Restozonvernichtung, Bisulfitdosierung, zwei Ozonschlaufenreaktoren, Lüftungszentrale
  • Maschinenhalle mit Flockung/Lamel­lenklärung Schlammwasser, Brauch-wasserstation, Spülwasserpumpen/Spülluftgebläse, Aquarium
  • Filtration mit Filterzellen, Spülwasserbecken, Leitungsgalerie


Die Bauzeit dauerte von November 2018 bis September 2021. Zurzeit läuft die Inbetriebsetzung. Ab Januar 2022 soll die Anlage die Spurenstoffe eliminieren. Die Gesamtinvestitionen belaufen sich auf 22,5 Mio. Franken. Beide Partner haben mit der Realisierung mehrere Millionen Franken an Investitionen gespart: Subventionierung der Ableitung ARA Hofen zur ARA Morgental, Skalierungseffekt der grösseren Anlage. Der Betrieb zweier einzelner Anlagen ist zudem günstiger.

Herausforderungen
Voll-/Teilstromauslegung, Sicherstellung 80%-Elimination

Mit der Ausgangslage «zwei Kläranlagen, eine Elimination Mikroverunreinigung» stellte sich die Frage nach der Auslegung der Dimensionierungswassermenge zur Sicherstellung der Anforderung «80%-Elimination». Das Zusammenspiel der beiden Abflussganglinien hätte Zuflussspitzen erzeugt, deren Behandlung keinen Sinn macht. Deshalb werden diese in einer Notentlastung bzw. in einem Bypass abgetrennt und nicht beprobt. Die Aufgabe bestand nun darin, diejenige Dimensionierungswassermenge zu bestimmen, die einerseits nicht übermässige Entlastungsmengen generiert und andererseits die Forderung 80%-Elimination erfüllt.

Mittels einer Monte-Carlo-Simulation der Abwassermengen beider Kläranlagen über fünf Jahre konnte gezeigt werden, dass bei einer Dimensionierungswassermenge von maximal 900 l/s diese Forderung gesichert erreicht werden kann. In diesem Sinn entsprechen die in der Elimination Mikroverunreinigung behandelten 900 l/s einer Vollstromanlage bzw. dem zweifachen Trockenwetteranfall.

Mithilfe stochastischer Modelle kann die Dimensionierungswassermenge berechnet werden, die der Anforderung 80%-Elimination genügt.

Organisation, Betrieb

Der Lifecycle Erstellung, Betrieb und Rückbau der gemeinsamen Elimination Mikroverunreinigung ist in einem Vertrag zwischen der Entsorgung St. Gallen und dem Abwasserverband geregelt. Für die Elimination Mikroverunreinigung wird eine separate Erfolgsrechnung geführt, die Bestandteil des gesamten Budgets bzw. der Rechnung des Abwasser­verbandes Morgental ist. Der Kostenverteiler basiert auf den jährlichen Abwassermengen.

Die laufenden Geschäfte werden an einer jährlichen Betriebskommissionssitzung mit Vertretern von Entsorgung St. Gallen und dem Abwasserverband Morgental beraten und entschieden.
Operativ betreibt der Abwasserverband Morgental die Elimination Mikroverunreinigung.

Sich frühzeitig über Organisation, Finanzierung und Betrieb Gedanken zu machen, ist zu empfehlen.

Hydraulische Dynamik, Druckstösse, Ozonaustritt, Sicherheitsabschaltung

Aufgrund der Tatsache, dass zwei Kläranlagen das gereinigte Abwasser zur Elimination Mikroverunreinigung ableiten, ergibt sich eine ausgeprägtere hydraulische Dynamik als üblich. Diese wird durch den Kraftwerksbetrieb mit dem Ziel, Spitzenstrom zu produzieren, noch verstärkt.
Schnelle Änderungen der Durchflussmengen in der Ozonung führten zu Über- und Unterdruckproblemen mit Ozonaustritten bei den Siphons und bei den darauffolgenden Sicherheitsabschaltungen.

Der «nervöse» hydraulische Betrieb konnte durch weniger steile An- und Abfahrrampen über längere Zeitfenster im Prozessleitsystem bei der Beschickung des Kraftwerkes und den Beschickungspumpen der beiden Ozonreaktoren bereits wesentlich verbessert werden.

Personenschutz Ozonüberwachung, Tiefpunkt im Gebäude

Grundsätzlich sind die Räume Ozonerzeugung und Analytik/Restozonvernichtung zum Personenschutz mit Sensoren/Alarmierung zu überwachen. Infolge eines Ozonaustrittes bei einer Überdruck-/Unterdrucksicherung über einen Siphon, der sich in die Schmutzwasserkanalisation entleeren kann, gelangte das schwerere Ozon über die Gebäudeentwässerung im Untergeschoss in den Pumpenraum. Die Ozondetektoren im Raum Analytik/Restozonvernichtung detektierten deshalb nichts. Durch die Nachrüstung weiterer Ozonschnüffler und Anpassung der Raumlüftung im Pumpenraum im Untergeschoss mit zusätzlicher Absaugung über dem Boden konnte dies entschärft werden.

Ist die Ozonung in einem Gebäude untergebracht, sind am tiefsten Punkt des Gebäudes zwingend ein Ozondetektor und eine entsprechende Lüftung anzubringen, auch wenn dieser Raum nicht direkt im funktionalen Zusammenhang mit der Ozonung steht. Ozon ist schwerer als Luft und sucht sich immer die tiefste Stelle im Gebäude.

Hydraulische Überfälle im Ozonreaktor, Ozonverschleppung zur Filtration

Um die Ozonreaktoren bezüglich Off-Gas von der Filtration zu entkoppeln, ist ein Überfall mit Verbindungsleitung und Quellaufstoss in der Filtration gebaut worden. Im Nachhinein zeigte sich, dass ein zu hoher hydraulischer Überfall nicht geeignet ist. Der Überfall wirkt wie ein Wehr mit Tosbecken mit Wassersprung bzw. Walze. Das ozonhaltige Off-Gas wird eingemischt, es entsteht quasi eine ungewollte dritte Begasungsrampe, die hier aber nicht mehr erwünscht ist. Das ins Wasser eingetragene Off-Gas wird infolgedessen über die Verbindungsleitung in den Quellaufstoss der Filtration verschleppt und gast dort aus. Der Ozondetektor stellt dies fest und löst eine Sicherheitsabschaltung aus.

Zuerst wurde versucht, beim Überfall eine entsprechende Energievernichtung mit Entgasung in den beiden Ozonreaktoren mittels Leitwänden zu erreichen, leider ohne Erfolg. Zudem wird bei zu grossem hydraulischem Durchfluss weiterhin zu viel Off-Gas mitgerissen.

Die Lösung besteht jetzt darin, dass beim Quellaufstoss die Umgebungsluft mit Off-Gas abgesaugt und über einen weiteren Restozonvernichter zerstört wird.

Wichtig: Hydraulische Überfälle sind klein zu halten (unvollkommener, eingestauter Überfall) oder zu vermeiden.

Ableitungsbedingungen, Einleitbedingungen

Für die Überwachung sind zwei Arten von Bedingungen seitens der kantonalen Fachstelle verfügt worden: die Ableitungsbedingungen und die Einleitbedingungen.

Die Ableitungsbedingungen sind je für die ARA Hofen und die ARA Morgental festgelegt worden. Sie dienen primär zur Überwachung der einzelnen Kläranlage und zur Feststellung, in welchem Einzugsgebiet allenfalls ein Problem besteht, wenn die Einleitbedingungen in den Bodensee nicht eingehalten werden können. Insofern lassen die Ableitungsbedingungen einen gewissen Spielraum zu, dass bei sehr guter Reinigung der einen Kläranlage die andere Kläranlage auch etwas schlechtere Werte aufweisen kann, solange die Einleitbedingungen nicht überschritten werden und somit die gesetzlichen Vorgaben erfüllt sind.

Der speziellen Situation mit zwei Kläranlagen und einer Elimination Mikroverunreinigung ist bezüglich der Probenahme besondere Beachtung zu schenken. Trotzdem soll das Ganze einfach und nachvollziehbar bleiben.

Organisation, Koordination Beprobung, Überwachung

Die beiden Kläranlagen liegen geografisch unterschiedlich weit entfernt von der Elimination Mikroverunreinigung, die ARA Hofen ca. 5 km, die ARA Morgental 100 m. Somit ist auch die Fliesszeit unterschiedlich. Dies stellt die Probenahme vor die Schwierigkeit der repräsentativen Probe. Schliesslich sind zwei Rohabwasser und nur eine Probe des gereinigten Abwassers zu untersuchen. Aus den Analysen des Rohabwassers wird ein virtuelles Rohabwasser berechnet. Der Ablauf Elimination wird beprobt und analysiert. So kann aus dem virtuellen Rohabwasser und dem Ablauf der Elimination Mikroverunreinigung die geforderte Eliminationsleistung von 80% überprüft werden.

Es ist angedacht, die zeitliche Verschiebung des Abwassers der ARA Hofen im Prozessleitsystem zu berücksichtigen, um so möglichst repräsentativ zu untersuchen.

Die Steuerung, Regelung und Überwachung erfolgen über Online-SAK-Sonden.

Schlussvotum

Das Zusammenführen zweier Kläranlagen in eine Mikroverunreinigungsanlage stellt schweizweit ein Novum dar. Die Dimensionierung, das Verfahren und der Bau mussten flexibel gestaltet werden, damit eine Entwicklung möglich ist und auf eine Bromid-/Bromat-Problematik infolge der Abwasseremittenten mit der Umrüstung auf eine GAK-Filtration reagiert werden könnte. Insbesondere ist der hydraulischen Dynamik und deren Beherrschung mit der Off-Gas-Verschleppung Rechnung zu tragen.

Gebäudetiefpunkte sind zu überwachen, denn das schwere Ozon findet immer seinen Weg dorthin. Die ganze Beprobung zweier Kläranlagen mit einer Elimination Mikroverunreinigung ist klar zu organisieren.
Weitere Herausforderungen werden noch dazukommen. Das erste Betriebsjahr wird deshalb stark durch die Fachleute mitbegleitet und die Daten müssen ausgewertet werden, damit die gewonnenen Erkenntnisse in Optimierungen umgesetzt werden können. Es bleibt spannend.

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