Projekt 26353/01

Energieeinsparung in Belebungsbecken industrieller Kläranlagen durch vor Ort erzeugten Reinsauerstoff

Projektträger

HST Hydro-Systemtechnik GmbH
Heinrichsthaler Str. 8
59872 Meschede
Telefon: 02 91 / 99 29 - 44

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Der Abbau unerwünschter Abwasserinhaltsstoffe in Belebungsbecken biologischer Kläranlagen erfolgt durch verschiedene Arten von Bakterien, deren Stoffwechsel und damit die erzielbare Reinigungsleistung wesentlich von der Verfügbarkeit an Sauerstoff abhängt. Bei der Belüftung mit Umgebungsluft wird der in der Luft enthaltene Stickstoff (etwa 78 %) in die Becken mit eingetragen, der allerdings für den Bakterienstoffwechsel unbrauchbar ist, so dass für die Einbringung von etwa 22 % Luftsauerstoff der Energieaufwand für 100 % Luftvolumeneintrag aufgebracht werden muss. Als Alternative zur Belüftung mit Luftsauerstoff ist seit langem die Verwendung von Reinsauerstoff mit einem Sauerstoffanteil von mehr als 90 % im Einsatz, durch dessen Verwendung der spezifische Energieeintrag (kg O2/m³) deutlich reduziert wird. Die HST Hydro-Systemtechnik GmbH erprobte im Rahmen des Projektes auf der Betriebskläranlage der Emsland Geflügelhof GmbH in Haren den Einsatz einer neuartigen Verfahrenseinheit zur Erzeugung von Reinsauerstoff vor Ort, um realisierbare Energie- und Kostenreduktionspotenziale zu ermitteln. Neben der Steigerung der Energieeffizienz wurden unter Mithilfe des IEEM (Institut für Umwelttechnik und Management an der Universität Witten/Herdecke) auch Sekundäreffekte wie z.B. die Reduzierung von Überschussschlamm untersucht.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenDer Abbau unerwünschter Abwasserinhaltsstoffe in Belebungsbecken biologischer Kläranlagen erfolgt durch verschiedene Arten von Bakterien, deren Stoffwechsel und damit die erzielbare Reinigungsleistung wesentlich von der Verfügbarkeit an Sauerstoff abhängt. Bei der Belüftung mit Umgebungsluft wird der in der Luft enthaltene Stickstoff (etwa 78 %) in die Becken mit eingetragen, der allerdings für den Bakterienstoffwechsel unbrauchbar ist, so dass für die Einbringung von etwa 22 % Luftsauerstoff der Energieaufwand für 100 % Luftvolumeneintrag aufgebracht werden muss. Als Alternative zur Belüftung mit Luftsauerstoff ist seit langem die Verwendung von Reinsauerstoff mit einem Sauerstoffanteil von mehr als 90 % im Einsatz, durch dessen Verwendung der spezifische Energieeintrag (kg O2/m³) deutlich reduziert wird. Die HST Hydro-Systemtechnik GmbH erprobte im Rahmen des Projektes auf der Betriebskläranlage der Emsland Geflügelhof GmbH in Haren den Einsatz einer neuartigen Verfahrenseinheit zur Erzeugung von Reinsauerstoff vor Ort, um realisierbare Energie- und Kostenreduktionspotenziale zu ermitteln. Neben der Steigerung der Energieeffizienz wurden unter Mithilfe des IEEM (Institut für Umwelttechnik und Management an der Universität Witten/Herdecke) auch Sekundäreffekte wie z.B. die Reduzierung von Überschussschlamm untersucht.


Ergebnisse und Diskussion

Der Vergleich der erhobenen prozesstechnischen Parameter von konventionell belüfteter und Reinsau-erstoff begaster Reinigungsstraße zeigt, dass der Einsatz von VSA-Anlagen (VSA = Vacuum-Swing-Adsorption) grundsätzlich wirtschaftliche Vorteile bringen kann z.B. in Form von Energieeinsparung oder einer Kapazitätssteigerung. Beim Einsatz der Vorort-Sauerstofferzeugung müssen allerdings wichtige Rahmenbedingungen beachtet werden, die ansonsten zu einem reduzierten Kostenvorteil gegenüber der konventionellen Belüftungstechnik führen. Einige dieser Rahmenbedingungen wurden im Zuge des Pro-jektes festgestellt, die sich für den Betrieb der VSA-Anlage für den vorliegenden Anwendungsfall als vor-teilsreduzierend erwiesen haben. Diese sind:

1. Bei intermittierender Belüftung kann die VSA-Anlage nicht permanent im optimalen Betriebspunkt be-trieben werden. Das stetige An- und Abfahren und das aus energetischer Sicht schlechte Teillastver-halten führten zu einem höheren spezifischen Stromverbrauch als bei einem angestrebten Volllastbe-trieb der VSA-Anlage. Die Kapazität der VSA-Anlage wird in diesen Fällen bei Spitzenbelastungen nur zu etwa 90 % beansprucht und damit nicht im energetisch optimalen Betriebspunkt.
2. Bei niedrigen pH-Werten im Zulauf kann bei Einsatz kleiner Einmischaggregate die Eintragsenergie zur Ausstrippung von CO2 geringer sein als im Vergleich zu normalen Mischaggregaten. Damit besteht die Gefahr, dass der im biologischen Prozess entstehende CO2-Gehalt zu einem pH-Gehalt < 6,5 im Be-lebungsbecken führt und die Stickstoffelimination beeinträchtigt. Ggf. ist die Einbringung zusätzlicher Mischenergie erforderlich. Beim Einsatz der VSA-Technik ist daher vorab zu prüfen, ob niedrige pH-Werte im Zulauf eine Beeinträchtigung darstellen.
3. Die eingesetzte VSA-Anlage konnte verfahrenstechnisch nicht an die Zulaufsituation angepasst
werden, so dass bei Zulaufsituationen mit geringer Fracht unnötig viel Sauerstoff eingebracht wird.
4. In Durchlaufsystemen mit untypisch schwankenden Beckenfüllständen stellen sich ein geringeres hyd-rostatisches Druckniveau sowie eine kürzere Verweilzeit der Gasblasen im System ein. Dies wirkt sich negativ auf den Sauerstoffeintrag aus und führt zu einem nicht optimalen Reinsauerstoffeintrag.

Labortechnisch konnte im Becken der Reinsauerstoffbegasung eine Bildung kleinerer und kompakterer Belebtschlammflocken, sowie eine geringere Fädigkeit beobachtet werden, was auch durch Vergleich der Schlammvolumenindices bestätigt wurde. Durch den niedrigeren Schlammvolumenindex kann das Belebungsbecken mit einem höheren Schlammgehalt betrieben werden. Der geringe Schlammvolumenindex bei Reinsauerstoffbegasung und die daraus resultierende bessere Absetzbarkeit der Belebtschlammflocken sind besonders dann vorteilhaft, wenn ein Absetzbecken als Nachklärung eingesetzt wird.



Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

- Präsentationen und Publikationen, seit 2007 fortlaufend
- Technical Paper (zu veröffentlichen z. B. in Water 21), geplant 2012
- Veröffentlichung auf den Homepages oder in Kundenmagazinen der beteiligten Partner
- Erstellung von Broschüren in Deutsch und Englisch, die auf Konferenzen oder Events wie z. B. der IFAT von den Projektpartnern verteilt werden, 2012 ff.
- Einbringung von Ergebnissen in Fachverbände: BDE, VDMA, DWA, u. a., 2009 ppf.
- Veröffentlichung durch Vorträge auf Konferenzen, z. B. 2. Innovationsforum, 2012 ff.


Fazit

Die ermittelten Ergebnisse zeigten, dass der Einsatz von Reinsauerstoff eine Energie reduzierende Alter-native darstellt, wenn die Randbedingungen stimmen. Zur Realisierung von Energieeinsparungen bei der Vor-Ort-Erzeugung von Reinsauerstoff für die Begasung von Abwasser in einer biologischen Abwasser-reinigungsanlage ist darauf zu achten, dass das zu behandelnde Abwasser eine ausreichende Pufferka-pazität bzw. hohen pH-Wert besitzt. Ist die Nachklärung als Absetzbecken ausgeführt, können die Vortei-le eines geringeren Schlammvolumenindexes bei Reinsauerstoffbegasung und der daraus resultierenden besseren Absetzbarkeit der Belebtschlammflocken ausgenutzt werden. Des Weiteren können Energie-einsparungen dann realisiert werden, wenn die Sauerstoffproduktion an den tatsächlichen Sauerstoffbe-darf insbesondere in Schwachlastzeiten angepasst werden kann. Weiterhin zeigten sich die Vorteile der VSA-Technik bei Belebungsbecken ohne Füllstandsschwankungen bzw. wenn ein an die Schwankungen angepasstes Eintragssystem verwendet wird. Dabei ist auch auf eine günstige Beckengeometrie zu ach-ten. Aufgrund des besseren spezifischen Energieverbrauchs bei Volllast der VSA-Anlage ist eine Bele-bung mit kontinuierlicher Belüftung statt intermittierender Denitrifikation für einen Vergleich beider Verfahren besser. Um eine Aussage hinsichtlich der Überschussschlammproduktion zu treffen, sind die entsprechenden Mengen zu messen.

Übersicht

Fördersumme

125.000,00 €

Förderzeitraum

17.12.2008 - 17.12.2010

Internet

www.systemtechnik.net

Bundesland

Nordrhein-Westfalen

Schlagwörter

Ressourcenschonung
Umwelttechnik