Schlammfaulung statt aerober Stabilisierung?

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1 Klärschlamm O. GRETZSCHEL; T. G. SCHMITT; J. HANSEN; K. SIEKMANN; J. JAKOB Schlammfaulung statt aerober Stabilisierung? Studie zur Wirtschaftlichkeit: Macht sich die Umstellung von aeroben Stabilisierungsanlagen auf Faulungsbetrieb bezahlt? Die Folgen steigender Energiepreise, Chancen durch Änderungen im Energierecht, aber auch die Erfordernis der zukünftig effizienten Nutzung der regenerativen Energieressource Klärschlamm spielen zunehmend auch bei kleineren Kläranlagen eine Rolle. Trend der Zukunft? Heute geht es weniger um den wirtschaftlichen Neubau von anaeroben Stabilisierungsanlagen, sondern vielmehr um die Fragestellung der wirtschaftlichen Umstellung von aerober auf eine anaerobe Stabilisierung im laufenden Betrieb. Zur überschlägigen Prüfung dieser Umstellung wurden Kostenfunktionen abgeleitet sowie eine Checkliste erstellt. Diese Instrumente dienen Anlagenbetreibern und Planern zur Prüfung der Fragestellung, ob eine Kläranlage für eine Umstellung von aerober Stabilisierung auf Schlammfaulung möglicherweise geeignet ist und eine detaillierte Untersuchung durchgeführt werden sollte. Unter entsprechenden Rahmenbedingungen kann eine Umstellung bereits ab einer Ausbaugröße von EW wirtschaftlich darstellbar sein. Der Beitrag erläutert Hintergrund, Auswirkungen auf die Energie- und Schlammbilanz sowie die Erstellung der Kostenfunktionen und den Einsatz der Checkliste. Hintergrund In der Ingenieurpraxis gab es in der Vergangenheit relativ klare Grenzen, wann das Verfahren der aeroben Schlammstabilisierung und wann eine Schlammfaulung zu realisieren ist. Diese Grenzen ergaben sich aus wirtschaftlichen Gesichtspunkten, wobei hierbei aufgrund der in der Vergangenheit niedrigen Energiekosten vorwiegend Anmerkung Der vollständige Projektbericht steht unter de/index.php?link=projekte&parea= 15&pid=0156 zum Download bereit. Ein Tagungsband zum Thema ist in der Schriftenreihe des Fachgebietes Siedlungswasserwirtschaft als Band 30 erschienen. Er kann zum Preis von 20 erworben werden. Input aerobe Stabilisierung anaerobe Stabilisierung (Faulung) angeschlossene EW Pumpwerk Rechen Sandfang Belebung Nachklärung O 2 -Eintrag die Investitionskosten sowie verfahrenstechnische Aspekte betrachtet wurden. Der bisher in der Regel übliche Einsatzbereich der anaeroben Schlammstabilisierung (Faulung) kann in Abhängigkeit von der Anschlussgröße Bild 1 entnommen werden. Daraus geht hervor, dass bei Anlagengrößen von < EW in der Vergangenheit überwiegend Anlagen mit simultaner aerober Schlammstabilisierung konzipiert wurden, während der übliche Einsatzbereich für Faulungsanlagen erst bei Ausbaugrößen von etwa EW begann. Bereits 1995 wiesen Meyer und Biebersdorf /1/ aufgrund entsprechender Berechnungen darauf hin, dass sich bei sachgerechter Planung eine Faulung bereits ab bis EW wirtschaftlich umsetzen lässt. Steigende Strompreise und Entsorgungskosten, Anreize durch das Energierecht /2/ und die Erfordernis der Nutzung regenerativer Energien (vgl. auch /3/) haben dazu geführt, dass die Diskussion um die Anwendungsgrenze für einen wirtschaftlichen Einsatz der Faulung in jüngster Zeit wieder in Bewegung geraten ist. Im Gegensatz zu früheren Überlegungen müssen aktuelle Wirtschaftlichkeitsuntersuchungen jedoch unter gänzlich anderen Rahmenbedingungen erfolgen. Ging es vor 30 Jahren noch darum, ob der Neubau einer Kläranlage nach dem Verfahren der aeroben Stabilisierung oder der Faulung erfolgen soll, ist diese Frage heute anders zu definieren: Ist es wirtschaftlich, eine nach dem Verfahren der aeroben Stabilisierung gebaute Kläranlage auf Faulung umzurüsten? Energiebilanz bei aerober Stabilisierung auf einer KA der Größenklasse 4 Primärenergiebedarf: 85 kwh/ew/a (η Kraftwerk = 40 %) Zulauf-PW 3,5 kwh/ew/a CSB: 153 kwh/ew/a Vorreinigung 2,5 kwh/ew/a Input Strom: 34 kwh/ew/a Belebungsbecken 23,5 kwh/ew/a Verluste, Abwärme, Reibung, Kinetik ca. 121,5 kwh/ Bisheriger Einsatz der Bild 1 aeroben Stabilisierung und der Schlammfaulung in Abhängigkeit der Anlagengröße RLS und NKB 4,0 kwh/ew/a Schlammstapelung 0,5 kwh/ew/a Schlamm ca. 57,5 kwh/ew/a CSB: 8 kwh/ew/a Lage: 3 kwh/ew/a ENERGIEBILANZ: Bild 2 Musterkläranlage mit EW bei aerober Stabilisierung 3/2012 wwt-online.de 27

2 ABWASSER Klärschlamm Energiebilanz bei anaerober Stabilisierung auf einer KA der Größenklasse 4 Primärenergiebedarf: 37,5 kwh/ew/a (η Kraftwerk = 40 %) Zulauf-PW 3,5 kwh/ew/a Input Strom: 31 kwh/ew/a; Fremdbezug: 15 kwh/ew/a Vorreinigung 3,0 kwh/ew/a Input Pumpwerk Rechen Sandfang CSB: 153 kwh/ew/a Vorklärung Verluste, Abwärme, Reibung, Kinetik ca. 90 kwh/ew/a Belebungsbecken 17,0 kwh/ew/a O 2 -Eintrag Belebung Energiegewinn aus Gasverstromung elektrisch: ca. 17 kwh/ew/a thermisch: ca. 31 kwh/ew/a RLS und NKB 4,0 kwh/ew/a Nachklärung Schlammmengen und Entwässerungseigenschaften Bei der aeroben Simultanstabilisierung ermittelt sich die zu entsorgende spezifische TR-Fracht aus dem Überschussschlamm zu 58,7 g/ew/d, während diese bei der getrenn- Schlammbehandlung 3,5 kwh/ew/a CSB: 8 kwh/ew/a Lage: 3 kwh/ew/a Schlamm ca. 38,5 kwh/ew/a ENERGIEBILANZ: Bild 3 Musterkläranlage mit EW bei anaerober Stabilisierung Hierbei ist auch die Fragestellung zu behandeln, wie Anlagen mit Klärschlammfaulung inklusive der erforderlichen Infrastruktur wie Faulbehälter, Gasspeicher, gegebenenfalls Prozesswasserbehandlung usw. im Bereich einer Ausbaugröße von bis EW kostengünstig, aber dennoch betriebssicher, umgesetzt werden können. Der vorliegende Artikel gibt einen Überblick über die wesentlichen Ergebnisse des Projekts Neubewertung von reinigungsanlagen mit anaerober Schlammbehandlung vor dem Hintergrund der energetischen Rahmenbedingungen und der abwassertechnischen Situation in Rheinland-Pfalz, kurz NAwaS 1). Das Projekt wurde im Zeitraum von 2009 bis 2011 vom Zentrum für Innovative AbWassertechnologien an der Technischen Universität Kaiserslautern (tectraa) in Zusammenarbeit mit der Universität Luxemburg sowie der Ingenieurgesellschaft Dr. Siekmann + Partner mbh im Auftrag des Ministeriums für Umwelt, Landwirtschaft, Ernährung, Weinbau und Forsten (MULEWF) und des Ministeriums für Wirtschaft, Klimaschutz, Energie und Landesplanung (MWKEL) des Landes Rheinland-Pfalz bearbeitet. Auswirkungen einer Umstellung auf die Energieund Schlammbilanz von Kläranlagen Energiebilanz bei der Faulung Die Bilder 2 und 3 zeigen vergleichend die Energiebilanz einer Kläranlage mit EW bei aerober und anaerober Stabilisierung. Aus energetischer Sicht bringt eine Umstellung auf Faulung demnach deutliche Vorteile mit sich. So liegt der (Fremd-)Energiebedarf bei der aeroben Stabilisierung bei ca. 34 kwh/ew/a, während bei einer Kläranlage mit Schlammfaulung nur ca. 14,5 kwh/ew/a an Fremdenergie zugekauft werden müssen (vgl. Bilder 2 und 3). Dieser Vorteil ergibt sich aufgrund folgender Aspekte: Vorentlastung der Biologie durch die Primärschlammentnahme in der Vorklärung niedrigerer Energiebedarf für die Belüftung und Durchmischung aufgrund des geringeren Schlammalters sowie der kleineren Belebungsbecken möglicher Energiegewinn durch die Verstromung des Faulgases über ein BHKW/ Mikrogasturbine. Unter Berücksichtigung der Aspekte des Klimaschutzes und der Ressourcenschonung ergibt sich für die Faulung bei Unterstellung eines Kraftwerkwirkungsgrades von 40 % ein um den Faktor 2,3 geringerer Primärenergieverbrauch /4/. Während bei der aeroben Stabilisierung demnach in erheblichem Maße Energie zugeführt werden muss, zeichnet sich die anaerobe Stabilisierung dadurch aus, dass sie bei geringerem Energieverbrauch zudem einen Energiegewinn durch die mögliche Stromerzeugung aus Faulgas verzeichnet. 1) Zum Abschluss des Projekts wurde eine Fachtagung an der TU Kaiserslautern durchgeführt. Der Tagungsband kann bei den Autoren (TU Kaiserslautern) angefordert werden. 18 /EW/a Spez. Kapitalkosten bei der Verfahrensumstellung (Kk = f (Ik; KFAKR) ) y = 5610,9x 0,694 R 2 = 0,9987 spez. KK Bau spez. KK Ausrüstung, n = 20 a spez. KK Ausrüstung, n = 15 a spez. KK, gesamt EW /EW/a Spez. Betriebskosteneinsparungen bei der Verfahrensumstellung (Bk = f (EW) ) y = 4E-23x 5 8E-18x 4 + 7E-13x 3 3E-08x 2 0,0006x + 1,0414 R 2 = 0, EW Kostenfunktion für die Ermittlung der Bild 4 spez. Kapitalkosten Kostenfunktion der möglichen spez. Bild 5 Betriebskosteneinsparungen 28 3/2012

3 Entwässerte Schlammmengen bei aerober und anaerober Stabilisierung Tab. 1 Stabilisierungsart Reststofffracht Entwässerung auf* Schlammmenge (g/ew/d) (%) (l/ew/d) aerob 58, (i. M. 22) 0,267 anaerob 49, (i. M. 27) 0,184 * Betriebsergebnisse von Hochleistungs-Zentrifugen ten anaeroben Stabilisierung als Summe aus Primär- und Überschussschlamm bei 72,3 g/ew/d liegt (siehe /5/). Diese spezifische Fracht wird dann im Faulbehälter durch den weitergehenden organischen Abbau auf rund 49,8 g/ew/d weiter reduziert. Unter Berücksichtigung der Tatsache, dass sich die ausgefaulten Schlämme im Vergleich zu den aerob stabilisierten Schlämmen im Allgemeinen besser maschinell entwässern lassen (vgl. /6/), können die zu entsorgenden spezifischen Schlammmengen entsprechend Tabelle 1 angegeben werden. Demzufolge ergibt sich bei Einsatz einer Faulung eine Schlammmengenreduzierung von rd. 30 %, was sich entsprechend positiv auf die anfallenden Entsorgungskosten auswirkt. Entwicklung von Kostenfunktionen Umstellung von aerober Stabilisierung auf Schlammfaulung Vorgehensweise/Methodik Die zentrale Frage, die im Rahmen des Projektes zu beantworten war, lautete: Ist es wirtschaftlich, eine nach dem Verfahren der aeroben Stabilisierung gebaute Kläranlage auf Faulung umzurüsten? Zur überschlägigen Prüfung wurden Kostenfunktionen abgeleitet, anhand derer beurteilt werden kann, ob weitergehende Untersuchungen für den jeweiligen speziellen Anwendungsfall geboten sind. Hierzu wurden für einen Ausbaugrößenbereich von bis EW folgende, für die Umrüstung maßgebende Kostenfaktoren bestimmt: erforderliches Belebungsbeckenvolumen (bei Umstellung auf Faulung) Vorklärbeckenvolumen (bei t A = 1,0 h) und Primärschlammpumpwerk Zwischenpumpwerk* Faulturm (Faulzeit = d) und Technikgebäude** Rohschlammbehälter maschinelle Voreindickung Gasspeicher (Doppelmembrangasspeicher) Blockheizkraftwerk. * Es ist davon auszugehen, dass für die Integration eines VKB in den Verfahrensablauf in der Regel ein Zwischenpumpwerk erforderlich wird. ** Für die Kostenbetrachtungen wurde exemplarisch das Verfahren der 2-stufigen Kompaktfaulung gewählt. Auf Basis von Erfahrungswerten aufgrund neuerer Ausschreibungsergebnisse sowie anhand spezifischer Raumpreise wurden über die Bauwerkskubatur für die verschiedenen Verfahrensstufen Investitionskosten in Abhängigkeit der Ausbaugröße einer Musterkläranlage ermittelt. Die berechneten Kosten wurden jeweils graphisch in einer Kostenfunktion zusammengefasst, aus der die voraussichtlichen Investitionskosten für Bau und Ausrüstung der jeweiligen Verfahrensstufe entnommen werden können. Weiterhin wurden alle anfallenden Kosten zu einer Gesamtkostenfunktion zusammengefasst. Kostenfunktionen Für die durchgeführten Kostenberechnungen wurden folgende Rahmenbedingungen unterstellt: Es wurde prinzipiell davon ausgegangen, dass für die Verfahrensumstellung ein neues Vorklärbecken sowie ein Zwischenpumpwerk gebaut werden. Die mögliche Nutzung vorhandener Bausubstanz wurde nicht berücksichtigt, da diese einzelfallabhängig zu prüfen ist (siehe Checkliste). Für die kleineren Kläranlagen (bis EW) wurde von einer einstraßigen und bei den größeren Kläranlagen von einer 2-straßigen Ausführung der biologischen Anlagenstufe ausgegangen. Ab einer Ausbaugröße von EW wurde die mögliche Außerbetriebnahme eines Belebungsbeckens mit den hieraus resultierenden Betriebs- bzw. Stromkosteneinsparungen unterstellt. Das frei werdende Beckenvolumen kann als Havariebecken oder zur Zwischenspeicherung des Prozesswassers, z. B. aus der Schlammentwässerung, genutzt werden. Es wird davon ausgegangen, dass keine separate Prozesswasserbehandlung durchgeführt werden muss. Es wurden normale Baugrundverhältnisse vorausgesetzt. Für den Bau der tief gegründeten Bauwerke (Vorklärbecken, Zwischenpumpwerk und Rohschlammbehälter) wurde davon ausgegangen, dass diese auf tragfähigem Boden gegründet werden können. Für die flach gegründeten Bauwerke (Faulbehälter, Technikgebäude usw.) wurde ein 1 m starker Bodenaustausch berücksichtigt. Die Erdaushubarbeiten für die tief gegründeten Bauwerke erfolgen mit geböschter Baugrube (45 Böschungswinkel). Es wurden normale Grundwasserverhältnisse angenommen. Schlammentwässerung Solare Trocknung Wir planen und produzieren für Sie wirtschaftliche Systemlösungen. > Bandfilterpresse in Bandbreiten von mm > Kammer- und Membranfilterpressen als Brücken- oder Seitenholmkonstruktion in den Größen mm > Schlammtrocknung auf >90 % TS durch ganzjährige Nutzung der Abwärme aus Blockheizkraftwerken Passavant-Geiger GmbH Business Unit Passavant Passavant-Geiger-Straße Aarbergen info@passavant-geiger.de 3/2012 wwt-online.de 29

4 ABWASSER Klärschlamm Projektkostenbarwerte bei einem Zinssatz von i= 4,0 % und Preissteigerungen zwischen 0 und 5 % PKBW Faulung PKBAWAS bei 0 %/a Steigerungsrate spez. PKBW /EW PKBAWAS bei 1 %/a Steigerungsrate PKBAWAS bei 2 %/a Steigerungsrate PKBAWAS bei 3 %/a Steigerungsrate PKBAWAS bei 4 %/a Steigerungsrate PKBAWAS bei 5 %/a Steigerungsrate Skizze der Beispielanlage Bild EW EMPFINDLICHKEITSPRÜFUNG: Bild 6 Projektkostenbarwertvergleich bei steigenden Betriebskosten und einem Zinssatz von i = 4 % Die genannten Kosten verstehen sich jeweils incl. 10 % Baunebenkosten sowie 19 % Mehrwertsteuer. Es wurden Kostenfunktionen für alle o. g. Einzelbauwerke und Anlagenteile ermittelt und in einer Gesamtkostenfunktion zusammengefasst. Aus den Gesamtinvestitionskosten lassen sich über die Kapitalwiedergewinnungsfaktoren die Kapitalkosten berechnen. Die spezifischen Kapitalkosten bei Verfahrensumstellung unter Berücksichtigung der unterschiedlichen Nutzungsdauern sind Bild 4 zu entnehmen. Durch die Umstellung der Verfahrensführung auf Schlammfaulung wird eine Reduzierung der Betriebskosten erreicht. Diese ergibt sich aus dem ersparten Energieaufwand in der biologischen Anlagenstufe, der möglichen Eigenstromerzeugung sowie der Reduzierung der zu entsorgenden Schlammmengen aufgrund des weitergehenden Abbaus an organsicher Substanz sowie der verbesserten Entwässerungseigenschaften. Im Gegenzug sind höhere Kosten für Wartung und Instandhaltung der zusätzlichen Bauwerke und Anlagen sowie höhere Personalkosten zu berücksichtigen. Aus der Bilanzierung der Mehr-/Minderkosten ergibt sich die aufgezeigte Kostenfunktion (Bild 5) für mögliche spez. Betriebskosteneinsparungen bei Umstellung der Verfahrensführung. Wirtschaftlichkeitsbetrachtung Durch Vergleich der Kapitalkosten mit den resultierenden Betriebskosteneinsparungen ergibt sich die Wirtschaftlichkeitsgrenze für die Verfahrensumstellung. Bild 6 zeigt bei den derzeitigen Energie- und Entsorgungskosten (d. h. 0 %/a Steigerungsrate) eine Wirtschaftlichkeitsgrenze der Verfahrensumstellung bei etwa EW. Hierbei ist jedoch zu berücksichtigen, dass seit 2000 die Strompreise stetig steigen. Eine Stagnation oder gar Umkehr der Energiepreisentwicklung ist nicht zu erwarten. Bereits eine Steigerungsrate von lediglich 2 %/a führt dazu, dass die Umstellung auch für Kläranlagen ab EW interessant ist. Bei einer Steigerung von 3 %/a ist die Verfahrensumstellung bereits für Anlagen ab EW wirtschaftlich realisierbar. Durch das wachsende Bewusstsein der Bevölkerung, insbesondere für die Verknappung der fossilen Energieträger sowie die Probleme des Klimawandels, spielen zwischenzeitlich neben reinen Wirtschaftlichkeitsüberlegungen auch die Aspekte des Klimaschutzes und der Ressourcenschonung bzw. -verfügbarkeit eine immer größere Rolle. Hinsichtlich der geordneten Klärschlammentsorgung ist davon auszugehen, dass die kostengünstige landwirtschaftliche Verwertung zukünftig aufgrund der gesetzlichen Rahmenbedingungen bzw. der erhöhten Güteanforderungen zunehmend ins Hintertreffen geraten wird. Der alternative Lösungsweg der thermischen Verwertung in Monoverbrennungsanlagen bei gleichzeitiger Phosphorrückgewinnung dürfte deutlich höhere Verwertungs- und Entsorgungskosten verursachen. Die vorstehenden Überlegungen führen zwangsläufig dazu, dass die Betreiber von Kläranlagen im Rahmen eines verantwortungsvollen, wirtschaftlichen und zukunftssicheren Anlagenbetriebs die Verfahrensvariante der Schlammfaulung in ihre Überlegungen einzubeziehen haben. Auch wenn unter heutigen Rahmenbedingungen eine Verfahrensumstellung erst bei Kläranlagen > EW wirtschaftlich realisierbar ist, zeigt der Projektkostenbarwertvergleich der Faulung mit der aeroben Stabilisierung bei jährlich steigenden Betriebskosten zwischen 0 und 5 %/a und einem Realzinssatz von 4 %, dass die Wirtschaftlichkeit mit zunehmenden Betriebskosten sehr schnell auch für kleinere Ausbaugrößen gegeben ist, vgl. auch /7/. Die Checkliste eine Entscheidungshilfe für die Praxis Grundlagen Die im Rahmen der Projektbearbeitung entwickelte Checkliste dient Anlagenbetreibern und Planern zur Prüfung der Fragestellung, ob eine Kläranlage für eine Umstellung von aerober Stabilisierung auf Schlammfaulung möglicherweise geeignet ist und eine detaillierte Untersuchung durchgeführt werden sollte. Beckenvolumina und -geometrien Tab. 2 Becken Volumen( m³) Tiefe (m) Geometrie Anaerobbecken 3 x 217 Rechteckbecken Belebungsbecken Straße ,4 Rundbecken Belebungsbecken Straße ,3 Kombibecken (äußerer Ring) Nachklärbecken Straße Rundbecken Nachklärbecken Straße ,2 Kombibecken (innerer Ring) 30 3/2012

5 Die Checkliste ist in drei Blöcke untergliedert. Im Block 1 Basisabfrage wird die Belastung der Kläranlage erfasst. Sie stellt die Grundlage für die weiteren Betrachtungen dar. Eine überschlägige Abschätzung der Wirtschaftlichkeit einer Umstellung basierend auf der tatsächlichen Belastung der Kläranlage zeigt, ob eine weitere Prüfung unter den gewählten ökonomischen Rahmenbedingungen sinnvoll ist. Block 2 umfasst eine Überprüfung der Verfahrenstechnik auf der zu untersuchenden Kläranlage. Dazu werden die Bereiche Mechanische Stufe, Biologie und Nachklärung näher betrachtet. Eventuell erforderliche Anpassungen im Rahmen einer Umstellung werden aufgezeigt, des Weiteren erfolgen Hinweise, ob möglicherweise eine Umnutzung von Becken(teilen) in Frage kommt. Block 3 schließt mit einer Abschätzung der voraussichtlichen Investitionskosten unter den gegebenen Rahmenbedingungen ab. Die Checkliste wurde in Form eines Fließbildes entwickelt, anhand dessen der Anwender eine Prüfung für seine Anlage vornehmen kann. Anwendung auf einer Beispielanlage Die Checkliste wird anhand einer Beispielanlage exemplarisch angewendet. Es können an dieser Stelle nicht alle Eventualitäten erfasst werden, jedoch bietet dieses Beispiel dem Leser einen Einblick in das Instrument der Checkliste. Kurzbeschreibung der Anlage Bei der untersuchten Kläranlage handelt es sich um eine mechanisch-biologische reinigungsanlage mit einer Ausbaugröße von EW 60, die mit gemeinsamer aerober Stabilisierung betrieben wird. Sie besteht aus Rechen und Sandfang, einem vorgeschalteten Anaerobreaktor zur biologischen P-Elimination, zwei intermittierend betriebenen Belebungsbecken sowie zwei Nachklärbecken. Der Schlamm wird in einem Schlammspeicher (Stapelbehälter) zwischengelagert. Die Entwässerung des Schlamms erfolgt mit Hilfe einer mobilen Presse, die Verwertung in der Landwirtschaft. Die Anordnung der Becken ist in Bild 7 dargestellt. Die Beckenvolumina können der Tabelle 2 entnommen werden. EW 60 (85 %-Wert). Damit ist die Anlage im Vergleich zum Ausbauzustand ( EW) deutlich überlastet. Die Demografieprognose für das betrachtete Einzugsgebiet geht bis 2020 von einem Bevölkerungsrückgang von 5 % aus (vgl. /8/). Es wird somit nicht mehr von einer weiteren Belastungssteigerung ausgegangen. EW planung = EW (siehe Bild 8) Überschlägige Prüfung der Wirtschaftlichkeit Mit dem oben ermittelten Wert für EW planung kann eine überschlägige Prüfung der Wirtschaftlichkeit einer Umstellung auf Faulungsbetrieb vorgenommen werden. Wie die Entwicklung der letzten Jahre zeigt, ist von einer Preissteigerung sowohl der Energie als auch der Entsorgungskosten auszugehen. Die Wirtschaftlichkeit wird für folgende Randbedingungen geprüft: Realzinssatz i = 4,0 % Preissteigerungsraten für Energie- und Entsorgungskosten zwischen 0 und 5 %/a Aus Bild 6 geht hervor, dass bereits bei einer jährlichen Preissteigerung von ca. 1 % eine Umstellung auf Schlammfaulung wirtschaftliche Vorteile gegenüber der aeroben Stabilisierung erwarten lässt. Bei zu erwartenden größeren Preissteigerungsraten verbessert sich die Situation deutlich und eine Umstellung wird zunehmend interessant. Das Ergebnis der Basisabfrage lautet somit: Prüfung der Umstellung ist sinnvoll, da unter gegebenen Rahmenbedingungen Wirtschaftlichkeit zu erwarten ist Checkliste weiter bearbeiten Block 2 Verfahrenstechnik: Mechanische Stufe Rechen Der installierte Rechen ist ein Feinrechen mit ausreichend kleinem Stababstand. Hier sind keine weiteren Maßnahmen zu ergreifen. Sandfang Der Sandfang ist für die Zulaufbelastung ausreichend dimensioniert und erfüllt seine Funktion. Hier sind keine weiteren Maßnahmen erforderlich. NETZSCH TORNADO Drehkolbenpumpen Wir lüften den Vorhang für die neue TORNADO Kommen Sie auf unseren Stand zur Mai 2012, Messe München Halle A6 Stand 145/244 Vom technischen Stand zum Fortschritt Noch kompakter in der Bauart Höhere Standfestigkeit Höhere Servicefreundlichkeit Anwendung der Checkliste: Block 1 Basisabfrage Vorklärung Basierend auf der durchgeführten Auswertung der Betriebstagebücher kann der Trockenwetterzufluss zur Kläranlage mit 56,2 l/s angegeben werden. Das erforderliche Vorklärbeckenvolumen ergibt sich bei einer Aufenthaltszeit von 1 Stunde zu: V = 56,2 l/s x 3,6 x 1 h = 202 m3 Eine Vorklärung ist bislang nicht vorhanden. Angeschlossene EW Der Anlagenbetreiber zieht wöchentlich zuflussproportionale 24-h-Mischproben. Basierend auf dieser optimalen Datengrundlage kann die tatsächliche Zulaufbelastung Team NETZSCH Drehkolbenpumpen der Anlage ermittelt werden. Die Auswertung ergab eine Zulaufbelastung von Tel.: NETZSCH Mohnopumpen GmbH info.tornado@netzsch.com 3/ wwt-online.de 31

6 ABWASSER Klärschlamm angeschlossene EW- Belastung der KA Ermittlung der tatsächlichen Belastung nach ATV-DVWK-A198 Ausbaugröße oder vorliegende EW-Zahlen spiegeln die tatsächliche Belastungssituation der Kläranlage i. d. R. nicht ausreichend genau wieder. Daher wird an dieser Stelle eine frachtbasierte EW-Ermittlung durchgeführt. Zusammenstellung der Analysenergebnisse des KA-Zulaufs als 24-h- Mischprobe (MP) Vorgaben des ATV-DVWK A 198 beachten! Volumen- bzw. durchflussproportionale 24-h-Mischproben Zulaufbelastung Biologie Belastung des Schlammpfades 24-h-MP (BSB 5, CSB, N) des Zulaufs vorhanden? Mind. 40 Werte innerhalb der letzten 3 Jahre ja Frachtermittlung entsprechend ATV-DVWK-A 198, 85-%-Fracht Demografie: 5 % Frachtermittlung entsprechend ATV-DVWK-A 198, Mittelwert nein +/ zukünftige Prognosebelastung (10 Jahre) +/ zukünftige Prognosebelastung (10 Jahre) Umstellung/ Erweiterung der Probenahme auf 24-h-MP EW-Planung EW Ermittelte EW-Planung dient für weitere Berechnungen und Wirtschaftlichkeitsbetrachtungen nur Zusatzinformationen, dient als Plausibilitätskontrolle Mit der Aufsichtsbehörde abstimmen, ob eine generelle Umstellung auf 24-h-MP möglich ist, um den Analyseaufwand nicht zu erhöhen. Dadurch lassen sich für zukünftige Untersuchungen/Änderungen an der Anlage verlässliche Grundlagendaten generieren. BASISABFRAGE: Auszug aus Checkliste Bild 8 Es gibt auf der Kläranlage derzeit keine freien Beckenvolumina. In Erwägung gezogen werden kann allerdings die Umnutzung eines der drei Anaerobbecken mit einem Volumen von 217 m3. Die sich daraus ergebende Aufenthaltszeit läge bei etwas mehr als 1 h. Prüfung der Umnutzung eines Anaerobbeckens als Vorklärbecken aus technischer und wirtschaftlicher Sicht. Alternativ: Neubau eines Vorklärbeckens. Block 2 Verfahrenstechnik: Biologie Beckenvolumen Belebung Das erforderliche Belebungsbeckenvolumen ergibt sich bei einer Anlagenbelastung von EW und der Berücksichtigung eines ca. 25%igen Vorabbaus in der Vorklärung zu V BB erf. = m3 (siehe hierzu Bild 10). Das derzeit vorhandene Volumen setzt sich zusammen aus den beiden Belebungsbecken sowie den 2 Anaerobbecken (Annahme: 1 Anaerobbecken wird als Vorklärung genutzt) und beträgt somit: V BB vorh. = m3 V BB vorh. = m3 >> V BB erf. = m3 Weiternutzung Beckenvolumen Das erforderliche Volumen von m3 entspricht im vorliegenden Fall in etwa dem Beckenvolumen von Straße 1 (3.325 m3). Dies bietet die Möglichkeit, Belebungsbecken 2 außer Betrieb zu nehmen und Becken 1 als alleiniges Becken weiter zu nutzen. Zur Gewährleistung einer betriebssicheren reinigung ist im Belebungsbecken ein Schlammalter von t TS = ca d (temperaturabhängig) einzustellen. Das Schlammalter ergibt sich aus der Schlammbelastung bzw. der im biologischen System enthaltenen gesamten Biomasse. B TS = 1: (t TS ÜS B ) Mit einem angenommenen Überschussschlammanfall von 0,9 kg TS/kg BSB 5 und einem mittleren Schlammalter von 12,5 d berechnet sich die Schlammbelastung zu B TS = 1: (12,5 0,9) = 0,088 kg BSB 5 /kg TS/d. Bei einer täglichen Schmutzfracht im Zulauf der Biologie von rund 780 kg BSB 5 /d ( EW x 0,06 kg BSB 5 /EW/d x 0,75) kann die im System zu haltende Biomasse mit M TS = 780 kg BSB 5 /d: 0,088 kg BSB 5 /kg TS/d = rd kg TS ermittelt werden. Bei vorgegebenem Beckenvolumen der Straße 1 berechnet sich der TS-Gehalt zu TS BB = kg TS: m3 = rd. 2,7 kg TS/m3 > 2 kg TS/m3 Weiternutzung von Becken 1 als alleinige Belebung möglich. Block 2 Verfahrenstechnik: Nachklärung Die auf der Kläranlage vorhandene Schwimmschlammproblematik kann durch die Umstellung auf Faulungsbetrieb eventuell reduziert werden, da die Wachstumsvorteile von z. B. fadenförmigen Bakterien in der Belebung durch geringeres Schlammalter aufgehoben werden. Block 3 Investitionskosten Grundlage für Abschätzung der Investitionskosten bildet die Kläranlagenbelastung EW planung, die in Block 1 ermittelt wurde. Mit EW planung = EW ergeben sich folgende spezifische Gesamtkosten von y = x ,684 = ca. 102 /EW (siehe Bild 9) bzw. Gesamtkosten von EW x 102 /EW = ca. 1,77 Mio.. Die Gesamtkosten lassen sich spezifizieren. Ergebnis der Checklistenprüfung: Die Umstellung auf Faulung lässt wirtschaftliche Vorteile gegenüber der aeroben Stabilisierung erwarten. Ein Anaerobbecken kann als Vorklärbecken genutzt und entsprechend umgebaut werden. Belebungsbecken 2 wird stillgelegt (äußerer Ring des Kombibeckens) und Belebungsbecken 1 als alleinige Belebung genutzt. Es wird empfohlen, den Bau einer Schlammfaulungsanlage ingenieurtechnisch zu prüfen. 32 3/2012

7 Klärschlamm 275 /EW Spez. Gesamtkosten der Verfahrensumstellung (IK = f (EW) ) y = 81098x 0,684 R 2 = 0, EW Kostenfunktion für Bild 9 die Ermittlung der spez. Gesamtkosten der Verfahrensumstellung Fazit und Ausblick Zur überschlägigen Prüfung der Wirtschaftlichkeit der Verfahrensumstellung auf Faulung wurden Kostenfunktionen entwickelt, anhand derer Kläranlagenbetreiber beurteilen können, ob weitergehende Untersuchungen für ihren speziellen Anwendungsfall geboten sind. Durch Vergleich der Kapitalkosten mit den resultierenden Betriebskosteneinsparungen ergibt sich die Wirtschaftlichkeitsgrenze der Verfahrensumstellung, die bei derzeitigen Energie- und Entsorgungskosten bei etwa EW liegt. Bereits eine Steigerungsrate von 2 %/a würde bei einem Zinssatz von 4 % dazu führen, dass die Umstellung bereits für Kläranlagen ab EW interessant wird. Bei einer Steigerung von 3 %/a ist die Verfahrensumstellung bereits für Anlagen ab EW wirtschaftlich realisierbar. Die erarbeitete Checkliste gibt den Kläranlagenbetreibern und Planern die Möglichkeit, abzuschätzen, ob für ihre Anlage eine Umstellung auf Faulung grundsätzlich Sinn macht. Neben der wirtschaftlichen Komponente werden auch damit einhergehende Änderungen in der Prozesskette geprüft. Die Checkliste greift auf i. d. R. vorhandene Betriebsdaten zurück. Unter Umständen kann die Erhebung weiterer Daten erforderlich werden. Die Checkliste wurde in Form eines Fließbildes entwickelt, anhand dessen der Anwender eine Prüfung für seine Anlage vornehmen kann. spez. IK Bau spez. IK Ausrüstung spez. IK, gesamt LITERATUR BB-Volumen m aerobe Stabilisierung [m 3 ], y = 0,3948x 2 Faulung [m 3 ], y = 0,1697x + 4, Erforderliches Belebungsbeckenvolumen Bild 10 bei aerober Stabilisierung im Vergleich zur Faulung /1/ Meyer, H.; Biebersdorf, N. (1995): Schlammfaulung oder simultane aerobe Stabilisierung. In: Gewässerschutz, Wasser,, Aachen, S /2/ Siebeck J. (2011): Anreize durch das Energierecht. Schlammfaulung statt aerober Stabilisierung Trend der Zukunft? Technische Universität Kaiserslautern. Vortrag, Kaiserslautern /3/ Gretzschel, O.; Hansen, J.; Siekmann, K.; Jakob, J. (2011): Das Projekt NAwaS - Motivation und Vorgehensweise. In: Schriftenreihe des FG Siedlungswasserwirtschaft der Universität Kaiserslautern. Schlammfaulung statt aerober Stabilisierung - Trend der Zukunft? Band 30. Technische Universität Kaiserslautern, Kaiserslautern, S /4/ Hansen, J.; Gretzschel, O.; Jakob, J.; Siekmann, K. (2011): Betriebliche und energetische Aspekte von Schlammfaulung und -stabilisierung. In: Schriftenreihe des FG Siedlungswasserwirtschaft der Universität Kaiserslautern. Schlammfaulung statt aerober Stabilisierung - Trend der Zukunft? Band 30. Technische Universität Kaiserslautern, Kaiserslautern, S /5/ ATV-DVWK, Ed. (2003): Biologische Stabilisierung von Klärschlamm. ATV-DVWK-Regelwerk M 368. GFA Gesellschaft zur Förderung der technik e.v., Hennef /6/ Denkert, R. (2007): Eindickung, Entwässerung und Trocknung von Klärschlamm. DWA-Fortbildungskurs M/4 Schlammbehandlung, -verwertung und beseitigung. Vortrag, Kassel /7/ Jakob, J.; Siekmann, K.; Hansen, J.; Gretzschel, O. (2011): Umsteigen ja oder nein? Entwicklung einer Checkliste zur Prüfung im Rahmen des Projektes NAwaS. In: Schriftenreihe des FG Siedlungswasserwirtschaft der Universität Kaiserslautern. Schlammfaulung statt aerober Stabilisierung Trend der Zukunft? Band 30. Technische Universität Kaiserslautern, Kaiserslautern, S /8/ Statistisches Landesamt Rheinland-Pfalz: Demografische Entwicklung. Rheinland-Pfalz 2020 zweite kleinräumige Bevölkerungsvorausberechnung (Basisjahr 2006). Accessed 24 Januar 2011 KONTAKT Dipl.-Ing. Oliver GRETZSCHEL Prof. Dr.-Ing. Theo G. SCHMITT tectraa/fg Siedlungswasserwirtschaft an der TU Kaiserslautern Paul-Ehrlich-Straße 14, Kaiserslautern Tel.: 0631/ Fax: 0631/ oliver.gretzschel@bauing.uni-kl.de theo.schmitt@bauing.uni-kl.de Prof. Dr.-Ing. Joachim HANSEN Universität Luxemburg Campus Kirchberg Siedlungswasserwirtschaft und Wasserbau 6, rue R. Coudenhove-Kalergi L-1359 Luxemburg Tel.: +352/ joachim.hansen@uni.lu Ingenieurgesellschaft Dr. Siekmann + Partner mbh Segbachstraße Thür Tel.: 02652/ k.siekmann@siekmann-ingenieure.de j.jakob@siekmann-ingenieure.de Solare Klärschlammtrocknung mit dem WendeWolf Die umweltfreundliche Lösung, weltweit erfolgreich im Einsatz! Verdunstetes Wasser muss nicht entsorgt werden Kosteneinsparung bei der Entsorgung bis über 70% IFAT-ENTSORGA Stand A1 / 118 IST-Anlagenbau GmbH Ritterweg Kandern GERMANY Tel Fax info@wendewolf.com 3/2012 wwt-online.de 33