Sanierung des Rücklaufschlammkanals einer Kläranlage

Instandsetzungen der Betoninfrastruktur verfahrenstechnischer Einrichtungen auf Kläranlagen sind in vielfacher Hinsicht komplexe Maßnahmen, die durch eine Außerbetriebnahme der betroffenen Bauwerke in den laufenden Prozess eingreifen und den Regelbetrieb beeinträchtigen. Demzufolge ist der langjährige Schutz der sanierten Bauteile ökonomisch und ökologisch von entscheidender Bedeutung. Für ein nachhaltiges und dauerhaftes Ergebnis sind deshalb neben der umfangreichen Schadensanalyse auch ein schlüssiges Sanierungskonzept und die Auswahl eines geeigneten Oberflächenschutzsystems erforderlich. Im vorliegenden Fall überzeugte die Leistungsfähigkeit des duroelastischen und chemisch hochbeständigen Oberflächenbeschichtungssystems MC-PowerPro HCR und erfüllte auch nach 5-jährigem Einsatz vollumfänglich die gestellten hohen Anforderungen.

Die Stadtentwässerung Frankfurt reinigt mit ihren zwei Kläranlagen täglich ca. 300.000 m³ Abwässer der Mainmetropole, der angeschlossenen Städte sowie der Abwasserverbände und leistet damit einen wesentlichen Beitrag für die Wasserqualität des Mains. Damit gehören beide Abwasserreinigungsanlagen zu den größten im Bundesland Hessen. Die kleinere der beiden Anlagen, Frankfurt Sindlingen, ist mit einer Anschlussgröße von 470.000 Einwohnerwerten für die Abwasserbehandlung der westlichsten Stadteile sowie der angrenzenden Taunusgemeinden zuständig und auch Standort der zentralen Schlammentwässerungs- und Verbrennungsanlage.

 

Stadtentwässerung Frankfurt Pionier in der Abwasserbehandlung in Deutschland

Die Stadt Frankfurt ist nicht nur bekannt als bedeutender internationaler Finanzplatz und Sitz der Europäischen Zentralbank, sondern auch eng verknüpft mit der Geschichte der Abwasserbehandlung in Deutschland. Bereits 1867 begann man dort zur Eindämmung von Infektionskrankheiten wie Cholera und Typhus mit dem Bau der Kanalisation im Stadtgebiet. Im Jahr 1887 wurde nach 5-jähriger Bauzeit die erste Kläranlage im deutschen Reichsgebiet mit einer Reinigungskapazität für 140.000 Einwohner in Betrieb genommen. Dabei handelte es sich bei der flussabwärts in Niederrad entstandenen Anlage noch um eine rein mechanische Behandlung des Abwassers in Sedimentations­becken, denen ein Sandfang und ein Rechen vorgeschaltet waren. So vorausschauend wie die frühzeitige Errichtung einer Kläranlage waren zu dieser Zeit auch die Maßnahmen zum Schutz der Betonkonstruktion. Für die Absetzbecken wurden glasierte Klinker eingesetzt, die auch die Reinigung während der regelmäßigen Räumungen des Schlamms erleichterten.

 

Erste biologische Abwasserreinigungsanlage

In der Zeit von 1956 bis 1965 entstanden in unmittelbarer Nachbarschaft der vorhandenen Anlage in Niederrad aufgrund verschärfter Einleitbedingungen in den Main in zwei Bauabschnitten eine neue Kläranlage und die Schlammbehandlung. Zur gleichen Zeit wurde auch die erste biologische Abwasserreinigungsanlage in Sindlingen errichtet. Das heutige Klärwerk Sindlingen verfügt über eine zweistufige Biologie. Die erste biologische Stufe wird durch Rückführung von nitrathaltigem Abwasser aus der Nachklärung als Denitrifikation betrieben. Wie bei kontinuierlich durchflossenen Belebungsanlagen üblich, wird auch in diesem Fall in der Zwischenklärung abgeschiedener und überschüssiger Belebtschlamm der Schlammbehandlung zugeführt. Ein Teil des abgesetzten Schlamms aus der Zwischenklärung wird zurück zur ersten biologischen Behandlungsstufe gepumpt. Die Rückführung des Belebtschlamms erfolgt dabei über das „Pumpwerk Zwischenklärung“ in einen Rücklaufschlammkanal. Bei diesem Kanalbauwerk handelt es sich um eine geschlossene Spannbetonkonstruktion, die als mittragendes Bauteil in den Auslaufkanal der Vorklärbecken eingehängt ist. Die 1984 erbaute Konstruktion ist nur über Einstiegsschächte von der Geländeoberkante zugänglich und in wesentlichen Bereichen von Erdreich überdeckt.

Umfassende Sanierung wegen BSK nach 30 Betriebsjahren

Nach 30 Betriebsjahren wurde eine umfassende Sanierung dieses Rücklaufschlammkanals aufgrund massiver Betonschäden erforderlich, die durch biogene Schwefelsäurekorrosion (BSK) ausgelöst wurde. Dieser vornehmlich aus der Kanalisation samt Schachtbauwerken, Pumpwerken und den Zulaufbereichen von Kläranlagen bekannte Schadensmechanismus hat seinen Ursprung in sauerstoffarmen Abwasser. Wird der Sauerstoffverbrauch im Wasser aufgrund mangelnder Turbulenz und langer Fließwege größer als die Sauerstoffverfügbarkeit, entstehen anaerobe Bedingungen. Dies führt dazu, dass Mikroorganismen im Abwasser gelöste Sulfate abbauen und Schwefelwasserstoff und Hydrogensulfid erzeugen. Mit zunehmender Temperatur steigt die Aktivität der Mikroorganismen und die Menge des produzierten Schwefelwasserstoffs und Hydrogensulfids. Dem pH-Wert des Abwassers kommt entscheidende Bedeutung für das prozentuale Verhältnis von Hydrogensulfid und Schwefelwasserstoff zu. Mit der Versäuerung des Abwassers steigt der Anteil an gelöstem Schwefelwasserstoff. Er liegt bei pH 6 bei gut 90 %, wobei nur noch rund 10 % Hydrogensulfid verbleiben. Dadurch entweicht das gelöste Gas verstärkt in den Luftraum. Turbulenzen im Abwasser fördern den Prozess der Ausgasung zusätzlich. Im Gasraum oberhalb des Wasserspiegels oxidieren Bakterien der Gattung Thiobacillus den Schwefelwasserstoff bei ausreichender Konzentration zu schwefliger Säure und Schwefelsäure. Für diesen Stoffwechselprozess benötigen sie Sauerstoff aus der Umgebungsluft. Die entstandene Schwefelsäure greift den Zementstein im Beton sehr stark an, löst das Bindemittel zunehmend auf und legt die Zuschlagsstoffe im Beton frei. Die Folge: Unter ungünstigen Bedingungen kommt es zum Abtrag von bis zu 10 mm pro Jahr. Zusätzlich kann ein sogenannter „treibender Angriff“ verursacht werden, bei dem das im Abwasser enthaltene Sulfat durch Reaktion mit dem im Zement enthalten C₃A-Verbindungen Gips und Ettringit bildet. Diese nehmen ein größeres Volumen als die Ausgangsprodukte ein und verursachen Spannungsrisse im Beton. Hierdurch werden der zerstörerische „lösende“ Angriff noch beschleunigt und die Abtragsraten erhöhen sich weiter.

 

Im Fall des Rücklaufschlammkanals war das Schadensbild der biogenen Schwefelsäurekorrosion bei einer Revision im Jahr 2014 in den gasberührten Bereichen deutlich erkennbar, was typisch ist. Besondere Ausprägungen des BSK-Angriffs zeigten sich nahe der Revisionsöffnungen zum Rücklaufschlammkanal. An diesen Stellen wurden die Thiobacillen optimal mit Sauerstoff und infolge eines Kamineffekts mit aufsteigender Kanalluft samt Schwefelwasserstoff versorgt. 

 

Stadtentwässerung Frankfurt setzt auf chemikalien- und säurebeständiges Beschichtungssystem der MC-Bauchemie

Die erforderliche Sanierung sollte einerseits die Standsicherheit des Bauwerks sicherstellen und andererseits die Betonkonstruktion dauerhaft für die zukünftige Nutzung schützen. Zudem sollten Rohreinbindungen und Stahleinbauten ebenfalls mit dem gewählten System vor zukünftigen Korrosionsschäden bewahrt werden. Die durch umfangreiche Prüfungen nachgewiesene Chemikalien- und Säurebeständigkeit des Beschichtungssystems MC-PowerPro HCR der MC-Bauchemie, Bottrop, führten letztlich zu dessen Auswahl. Das duroelastische Oberflächenschutzsystem ist nachweislich säurebeständig bis pH 0 und überdeckt bis zu 0,25 mm breite Risse. Besondere Bedeutung im Instandsetzungskonzept hatten Detaillösungen, wie zum Beispiel die Integration von vorhandenen Rohreinbindungen in die Beschichtung. Dazu erarbeitete die Stadtentwässerung Frankfurt mit Unterstützung der MC-Bauchemie im Vorfeld spezielle Lösungen mit eingebettetem Vlies, um die Rissüberbrückungsfähigkeit des MC-PowerPro HCR weiter zu erhöhen. Bei der Ausschreibung legte der Bauherr großen Wert sowohl auf die Kosten als auch auf die Verarbeitungsqualität der anbietenden Unternehmen.

 

Die Instandsetzungsarbeiten begannen schließlich im Sommer 2015 mit einer umfangreichen Untergrundvorbereitung. Ziel war es zunächst, den geschädigten und nicht tragfähigen Beton abzutragen. Die dabei planmäßig entstandene Querschnittsverringerung wurde durch den Einsatz des Reprofilierungsmörtels und Betonersatzes Nafufill KM 250 HS in Schichtdicken bis 50 mm vollflächig ausgeglichen. Auf die so vorbereiteten Flächen wurde das mineralische Spezialoberflächenschutzsystem MC-RIM PROTECT als kapillarbrechende Schicht gegen möglichen rückwärtigen Feuchteeinfluss aufgetragen. Für die horizontalen Flächen kam MC-RIM PROTECT-H in Schichtdicken von 20 mm zum Einsatz. Auf die vertikalen Flächen und Überkopfbereiche wurde MC-RIM PROTECT im Nassspritzverfahren in 15 mm Schichtdicke eingebaut. Ohne die BSK-Belastung wäre das Bauwerk durch die Beschichtung mit dem MC-RIM PROTECT-System nachweislich bereits dauerhaft gegen aggressive Abwässer bis zu einem pH-Wert von 3,35 geschützt gewesen. Im vorliegenden Fall erfolgte der eigentliche Schutz vor biogener Schwefelsäurekorrosion aber mit MC-PowerPro HCR, das vollflächig unter Einbeziehung der ebenfalls BSK-gefährdeten Rohreinbindungen aufgetragen wurde. Die Applikation erfolgte bei diesem Projekt händisch im Spachtel- und Rollverfahren in mehreren aufeinander abgestimmten Arbeitsgängen. Soweit es die baulichen Randbedingungen zulassen, ist grundsätzlich auch eine Applikation im Airless-Spritzverfahren möglich. 

 

Gutachten attestiert nach fünf Jahren hervorragenden Zustand

Um die Qualität der Beschichtung und den Zustand nach 5 Jahren kontinuierlicher Betriebsdauer zu ermitteln, wurde im Sommer 2020 das Unternehmen Zetcon Ingenieure GmbH mit einer umfangreichen zerstörungsfreien Prüfung des Bauwerks beauftragt. Nach erfolgter Außerbetriebnahme und einer groben Reinigung erfolgte diese Begutachtung am 12. August 2020. Dabei nahmen die Gutachter alle Bereiche des Bauwerks genau in Augenschein und inspizierten sie auf eventuell aufgetretene Schäden. In den extrem belasteten Bereichen konnte im Gegensatz zu den schlammberührten Zonen lediglich eine leichte Veränderung in Glanz und Farbton festgestellt werden. Um die Struktur der Spezialbeschichtung zu beurteilen, wurden an mehreren Stellen mikroskopische Untersuchungen durchgeführt. Dabei zeigten sich weder schadhafte Veränderungen der Oberfläche noch Anzeichen von Gefügestörungen. Das umfängliche Gutachten kommt zu dem Schluss, dass sich die Beschichtung unter Berücksichtigung der entsprechenden Exposition in einem sehr guten Zustand befindet. 

 

Damit zeigt sich auch bei dieser Sanierungsmaßnahme samt Auswahl des Schutzsystems erneut die Weitsicht der Frankfurter Stadtentwässerung, die sie bereits beim Bau der ersten Kläranlage unter Beweis gestellt hat.