Projekt 10144/01

Entwicklung eines energetisch optimierten Kläranlagenkozeptes im Rahmen halbtechnischer Versuche

Projektträger

RHEBAU Rheinische Beton- und Bauindustrie GmbH & Co.
Düsseldorfer Str. 118
41541 Dormagen
Telefon: 0241/805208

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Auf kommunalen Kläranlagen war bisher die Verbesserung der Reinigungsleistungen insbesondere die Ertüchtigung zur Stickstoffeliminierung mit einem Anstieg des spezifischen Energieeinsatzes verbunden. Im Interesse einer Reduzierung des CO2-Ausstoßes aus Industrie und Haushalt muss auch der zur Abwassereinigung notwendige spezifische Energieeinsatz kritischer als bisher betrachtet werden. Ziele des Vorhabens sind daher, die Minimierung des Energieaufwandes für die Abwasserreinigung, die Erprobung eines aus mehreren Komponenten bestehenden energieoptimierten Kläranlagenkonzeptes sowie die Ermittlung von versuchstechnisch abgesicherten Bemessungsparametern für den Einsatz im technischen Maßstab.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenEine signifikante Energieoptimierung ist bei der Abwassereinigung möglich, wenn die Ansätze: a) verstärkte Nutzung von Anaerobtechniken, b) Einsatz von Festbettsystemen und c) Minderung des Energieaufwandes für die peripheren Einrichtungen verfolgt werden.
Diese drei Ansätze sollten in einem System bestehend aus einem wärmetechnisch optimierten Emscherbrunnen, einem Anaerobfilter, einem denitrifizierenden Festbettreaktor sowie einen Nitrifikationstropfkörper verbunden werden. Entscheidend war dabei die Verminderung des Energieverbrauches, die durch die intensivierte anaerobe Vorreinigung im Anaerobfilter und den Einsatz eines natürlich belüfteten Tropfkörpers erreicht wird. Die Gesamtbilanz ist weiter zu verbessern durch die Gewinnung von Biogas am Emscherbrunnen und am Anaerobfilter. Daher sollten in erster Linie die Anaerobprozesse im optimierten Emscherbrunnen und im Anaerobfilter unter psychrophilen Temperaturverhältnissen untersucht werden. Untersuchungsparameter waren insbe-sondere die Eliminationsleistung des Anaerobfilters in Ab-hängigkeit von der Temperatur sowie die Biogaserzeugung und Zusammensetzung. Weiterhin wurde die Reinigungsleistung des Gesamtsystems und insbesondere auch die erreichbare Stickstoffeliminierung unter variablen Vorreinigungsleistungen untersucht. Eine Bilanzierung der wesentlichsten Abwasser- und Schlammparameter wurde ebenfalls vorgenommen. Im Ergebnis der vom ISA durchgeführten Untersuchungen wurden gesicherte Bemessungsparameter für die Umsetzung in den technischen Maßstab erwartet. Die konstruktive Umsetzung in ein Fertigteilkonzept sollte durch die Fa. Rhebau erfolgen.


Ergebnisse und Diskussion

Die CSB- und BSB5-Elimination im Emscherbrunnen (EB) war sehr eng an die Elimination der abfiltrierbaren Stoffe gekoppelt. Diese wurden in nahezu allen Versuchsphasen auf Konzentrationen zwischen 75 und 150 mg/l eliminiert. Im Emscherbrunnen entwickelte sich eine stabile Methangärung erst nach einer längeren Einarbeitungsphase von etwa 200 Tagen.
Im Anaerobfilter erfolgte ohne Zufuhr von Fremdenergie ein CSB-Abbau mit Wirkungsgraden zwischen 30 und 70%. Es konnte eine deutliche Abhängigkeit von der Bruttodurchflusszeit festgestellt werden. Ein nahezu linearer Zusammenhang zeigte sich für die CSB-Elimination zur Zulaufkonzentration. So wurden bei niedrigen CSB-Konzentrationen im Ablauf des EB von durch-schnittlich 200 mg/l etwa 100 mg/l eliminiert, während bei hohen CSB-Konzentrationen von 400 mg/l etwa 230 mg/l abgebaut wurden. Die BSB5 - Ablaufkonzentrationen lagen über mehrere Wochen unter 40 mg/l. Analog zum Emscherbrunnen benötigte der Anaerobfilter ebenfalls eine Einarbeitungszeit von etwa 200 Tagen. Ab dann konnte eine stabile Gasbildung beobachtet werden, die in den Sommermonaten im Wochenmittel Werte zwischen 15 bis 23 l pro Tag und in den Wintermonaten 98/99 bei Abwassertemperaturen von 7 bis 8°C immer noch 1 bis 2 l Biogas pro Tag erreichte. Die Biogaserzeugung zeigte eine exponentielle Abhängigkeit von der Temperatur.
In der anoxisch-aeroben Nachbehandlungsstufe wurden die organischen Verbindungen weiter reduziert, so dass die Mindestanforderungen der Kläranlagengrößenklassen 3 und 4 für die Parameter BSB5 und CSB sicher eingehalten werden konnten. Im Tropfkörper etablierte sich eine stabile Nitrifikation mit volumenspezifischen Nitrifikationsraten von 40 bis 80 g/m³*d in Abhängigkeit von der Zulaufkonzentration und der Raumbelastung.
Zur Optimierung der Denitrifikation wurden verschiedene Verschaltungen der anoxischen Festbettreaktoren untersucht. Es zeigte sich, dass die Reihenschaltung betrieblich sehr günstig war. Die Mindestanforderungen der KA-Größenklasse 3 von 18 mg Nanorg konnten mit 70% Wahrscheinlichkeit am KA-Standort Aachen Soers eingehalten werden.
In allen Reaktoren wurde eine sehr niedrige Überschussschlammproduktion festgestellt. Im Anaerobfilter lag diese bei max. 0,064 kg TR/kg CSBzu und im Tropfkörper bei 0,1 kg TR/kg CSBzu. Dadurch und aufgrund der guten Eindickeigenschaften der Überschussschlämme ist eine Vereinfachung der Schlammbehandlung möglich.
In der Energiebilanz, die anhand einer Hochrechnung, basierend auf konservativen Ausgangswerten für die Anschlussgröße 4.000 Einwohner, erfolgte, zeigte sich, dass der Energiebedarf des energieoptimierten KA-Systems um etwa 70% niedriger liegt im Vergleich zum theoretisch erzielbaren optimalsten Wert einer Belebungsanlage mit simultaner aerober Stabilisierung. Die Biogasproduktion reicht in den Sommermonaten aus, um den Energiebe-darf für den Betrieb des energieoptimierten KA-Systems allein durch Biogasverstromung in einem auf dem Markt befindlichen Kleinst-BHKW zu decken.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

Kontaktadressen:
RWTH Aachen ISA Institut für Siedlungswasserwirtschaft, Mies-van-der-Rohe-Straße 1, 52074 Aachen, Ansprechpartner: Herr Riße, Tel. 0241/805207, Fax 8888-285;
Firma Rhebau Rheinische Beton- und Bauindustrie GmbH & Co. Düssel-dorfer Straße 118, 41541 Dormagen, Ansprechpartner: Herr Gester, Tel. 02133/7703-0.
Veröffentlichungen: Präsentation der Ergebnisse in Vorträgen auf Fachtagungen


Fazit

Es konnte in halbtechnischen Versuchen nachgewiesen werden, dass es möglich ist, einen Anaerobfilter zur energetisch günstigen Vorbehandlung auch relativ gering belasteter Substrate, wie z.B. kommunales Abwasser, erfolgreich einzusetzen. Im Zusammenwirken mit einer ebenfalls energetisch günstig gestalteten aeroben Nachreinigung kann der Energiebedarf für die Abwasserreinigung insgesamt um mindesten 70% im Vergleich zur simultanen aeroben Stabilisierung vermindert werden. Im Vergleich zum Belebungsverfahren fällt ca. 2/3 weniger Überschlussschlamm an. Anhand der ermittelten Bemessungswerte ist es möglich, die Reaktoren des energetisch optimierten KA-Systems zu dimensionieren