Betonerosion in Biologiebecken: Massnahmen und Empfehlungen. Dr. Heinrich Widmer cemsuisse, Bern

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1 Betonerosion in Biologiebecken: Massnahmen und Empfehlungen Dr. Heinrich Widmer cemsuisse, Bern Inhalt 1. Zusammenfassung der bisherigen Erkenntnisse 2. Einflüsse auf die Betonerosion in der Praxis 3. Massnahmen und Empfehlungen 4. Information des Bauherrn durch den Planer 5. Fazit Dr. Heinrich Widmer, Seite 2 1

2 1. Zusammenfassung der bisherigen Erkenntnisse Die Ergebnisse aus Anlagenbeobachtungen und Versuchen in Feld und Labor stimmen überein Das Phänomen Betonerosion ist erklärbar geworden Vorkommen und Ausmass der Betonerosion ist besser bekannt Von besonderer Bedeutung: Puffer- und Schutzwirkung der Calcitschicht Dr. Heinrich Widmer, Seite 3 Das Phänomen Betonerosion ist erklärbar geworden Betonerosion ist - ein lösend wirkender Angriff - hervorgerufen durch die saure Wirkung des Biofilms - Grund: Atmungsaktivität nitrifizierender Mikroorganismen in belüfteten Biologiebecken von ARA Bildung Calcit-Schicht an der Oberfläche: abhängig von Wasserhärte und Beton Dr. Heinrich Widmer, Seite 4 2

3 Häufigkeit und Ausmass der Betonerosion - 4 der 24 untersuchten Biologiebecken ohne Betonerosion Jede ARA kann betroffen sein - Betonerosion ist abhängig von - Abwasserqualität (Ammoniak, Wasserhärte) - Verfahrenstechnik der Anlage - Abbau des organischen Stickstoffs (Nitrifikation / Denitrifikation) - Widerstand des Betons - Qualität der Bauausführung - Prävention ist möglich - bei der Planung - beim Betrieb - durch konstruktive Massnahmen Titel Vorname Dr. Heinrich Name Referent Widmer Seite, Seite 5 5 Betonerosion in in ARA, ARA, Puffer- und Schutzwirkung der Calcitschicht Bicarbonat HCO - 3 (Abwasser) Kohlendioxid CO 2 (Biofilm) CaCO 3 Calcit Calcium Ca 2+ (Beton) - Bicarbonat im Abwasser (Wasserhärte) - Kohlendioxid aus Biofilm - Calcium in Beton (basische Bedingungen) - Ausfällung von Calcit (CaCO 3 ) - Calcitschicht als Diffusionsbarriere - Carbonat (CO 2-3 ) als Puffer Dr. Heinrich Widmer, Seite 6 3

4 2. Einflüsse auf die Betonerosion in der Praxis Abwasserqualität Beton Planung und Bau Betrieb Dr. Heinrich Widmer, Seite 7 Abwasserqualität beinflusst Angriff und Calcitbildung Hartes Wasser Reservoir an Bicarbonat (-> Calcitschicht) erhöhte Pufferkapazität Ammonium (NH 4+ ) Ammonium ist ein Fischgift Einleitbedingungen -> Kanton Nitrifikation (Mikroorganismen) NH 4+ -> NO 3- (bei Belüftung) Ansäuerung (H + wird frei) Denitrifikation NO - 3 -> >N 2 (Stickstoff-Elimination) H + teilweise wieder gebunden ph-wert im Biofilm kann im Biofilm stark sinken (lösender Angriff) Dr. Heinrich Widmer, Seite 8 4

5 Einflüsse der Betontechnologie Zementart t und gehalt Calcium-Depot Hydroxid - Konzentration im Beton w/z Wert Dichtigkeit Diffusion Dr. Heinrich Widmer, Seite 9 Einflüsse von Planung und Bau Wahl des Verfahrens Anteil Nitrifikation ifik ti / Denitrifikation ifik ti Raumbelastung schwache Betonerosion: Belebtschlamm - Anlagen mit optimierter Denitrifikation verstärkte Betonerosion: nur nitrifizierende Festbettanlagen mit Füllkörpern Exposition und Bauausführung (siehe Merkblatt) Dr. Heinrich Widmer, Seite 10 5

6 Einfluss des Betriebs Mechanische Reinigung Abrieb erzeugt Betonerosion Belastung Belastung der Oberfläche (mechanisch, hydraulisch) Hohe Raumbelastung (Konzentration) Prozessführung Steuerung der Belüftung ( Nitrifikation / Denitrifikation) Dr. Heinrich Widmer, Seite Massnahmen und Empfehlungen Abschätzung der Risikos Geeignete Verfahrenswahl Festlegung des Betons Fachgerechte Ausführung Optimierung im Betrieb Dr. Heinrich Widmer, Seite 12 6

7 Risikofaktoren Betonerosion Geringe Wasserhärte im Zulauf kalkarme Gebiete, wenig Bicarbonat hoher Regenwasseranteil geringe Pufferung rasche ph-wert-senkung Anlagen mit Nitrifikation ohne Denitrifikation Biofilm ist aggressiver Keine Pufferwirkung durch Denitrifikation Mechanische Belastung und Raumbelastung Festbett > A/I-Verfahren > Belebtschlamm Kombination mehrerer Risikofaktoren Besonderes Risiko Dr. Heinrich Widmer, Seite 13 Empfehlungen zur Verfahrenswahl Grundsätzlich: alle betrachteten Verfahren können die geforderte Leistungen erbringen Kombination von Nitrifikation mit Denitrifikation anstreben: weniger Nitrit und Nitrat im Vorfluter Risiken bei Planung berücksichtigen ( Kostenberechnung) Dr. Heinrich Widmer Seite 14 7

8 Festlegung des Betons / Fachgerechte Ausführung Dr. Heinrich Widmer, Seite 15 Optimierungen im Betrieb Mechanische Reinigung bei Beckenentleerungen vermeiden Denitrifizierende Prozessführung prüfen Qualitätssicherung: Dokumentation der Abwasserwerte (Bsp. Wasserhärte) Dr. Heinrich Widmer, Seite 16 8

9 4. Information des Bauherrn durch den Planer Projektbezogen Planungsphasen Informationsbedarf Handlungsmöglichkeit Adressatenspezifisch Ziel: Vermeiden unnötiger Schäden und Instandsetzungen durch Prävention bei Planung und Bau Dr. Heinrich Widmer, Seite 17 Informationen: Vorbereiten der Planung Grundlage Information Adressaten Gewässerschutz Einleitbedingungen g legen Anforderungen an Kanton Verfahrenstechnik (Nitrifikation /Denitrifikation) fest Vorkenntnisse Nitrifikation erhöht Potential Betonerosion Denitrifikation kompensiert davon einen Teil und verbessert die Einleitqualität Geringe Wasserhärte erhöht das Abtragsrisiko Wahl Verfahrenstechnik beeinflusst Betonerosion Ziel: Betonerosion minimieren oder in Kostenrechnung einbeziehen Bauherr Kanton Ingenieur Vorkonzept Verfahrenswahl hat einen Einfluss auf das Potential der Betonerosion -> Risikobereich Abschätzen der Folgekosten (Investition, Betrieb) Prüfen einer optimierten Denitrifikationsstufe Bauherr Kanton Ingenieur Betreiber Dr. Heinrich Widmer, Seite 18 9

10 Informationen: Projektierung, Bau und Betrieb Grundlage Information Adressaten Projekt Erwartete Betonerosion verfahrensspezifisch Bauherr beurteilen Exposition berücksichtigen Bei erhöhten Risiken besondere Massnahmen prüfen Nutzungsvereinbarung berücksichtigt Betonerosion Ingenieur Betreiber Realisierung Fachgerechte Ausführung sicherstellen Qualitätssicherung Bauherr Ingenieur Betrieb Unterhalt Instandsetzung Sensibilisierung Betreiber: Keine mechanische Reinigung bei Beckenleerungen Folgen Betonerosion: Verschleiss, Sand in der Anlage) Vermehrte Kontrolle / Untersuchung der Becken Bauherr Ingenieur Betreiber Dr. Heinrich Widmer, Seite Fazit Das Projekt Betonerosion in ARA hat gezeigt: Betonerosion ist erklärbar veränderte Bedingungen fordern eine angepasste Verfahrenstechnik dank Ausbildung einer Calcitschicht bei hartem Wasser entsteht ein natürlicher Erosionsschutz an der Oberfläche weitere Abklärung bei Anlagen mit weichem Wasser sind wünschenswert Das cemsuisse Merkblattes 01 wurde erarbeitet und es wird Ihnen jetzt vorgestellt Dr. Heinrich Widmer, Seite 20 10