Zusammenfassung Das Projekt E-Klär

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1 Zusammenfassung Das Projekt E-Klär Laurence Palmowski, Maike Beier, Stefan Geyler, Johannes Pinnekamp 1 1 Veranlassung Die kommunale Kläranlage der Zukunft wird neben den heutigen Anforderungen an die Nährstoffelimination weitere Anforderungen erfüllen bzw. sich an neue Rahmenbedingungen anpassen müssen. Die Minimierung des Energiebedarfs von Kläranlagen sowie die Nutzung der im Abwasser enthaltenen Energie und Ressourcen werden weiterhin an Bedeutung gewinnen. Bei vielen Kläranlagen stehen in den nächsten Jahren Ersatzinvestitionen an, so dass Kläranlagenbetreiber aktuell vor der Aufgabe stehen, ihre Anlagen für die Zukunft zu rüsten und entsprechende Investitionen zu tätigen. Die Vielzahl an innovativen Technologien sowie die aktuellen politischen Diskussionen zu zukünftigen Anforderungen verschärfen das Spannungsfeld, in dem Investitionsentscheidungen getroffen werden müssen. Die lange Nutzungsdauer gebauter Kläranlageninfrastruktur legt die verfahrenstechnische Ausrichtung kommunaler Kläranlagen langfristig fest, so dass jetzige Investitionsentscheidungen vor dem Hintergrund unsicherer, zukünftiger Anforderungen an Kläranlagen, aber auch zukünftiger technologischer Innovationen zu treffen sind. Ziel des Projektes E-Klär war zum einen die (Weiter-)Entwicklung innovativer Technologien zur besseren Nutzung der im Abwasser enthaltenen Energie und Ressourcen. Zum anderen wurde ein methodischer Ansatz entwickelt, der das jetzige Planungsvorgehen durch eine strategische Infrastrukturplanung zur langfristigen technologischen Transformation konkreter Kläranlagen unterstützt. Hierzu wurden im Ansatz Planungswerkzeuge entwickelt, die sowohl die Einplanung innovativer Technologien ermöglichen als auch das Risiko von kostenintensiven Fehlplanungen durch Berücksichtigung der Prognoseunschärfe reduzieren. 2 Innovative Verfahren für die Kläranlagen der Zukunft Für eine optimale Nutzung der im Abwasser enthaltenen Energie und Ressourcen auf zukünftigen Kläranlagen wurden innovative Verfahren untersucht. Zur Ausschleusung chemisch gebundener Energie kamen Rechengutwäsche (s. Abbildung 1, links), Adsorption in der ersten Stufe zweistufiger biologischer Verfahren, Chemikalienzugabe zur Verbesserung der Sedimentation sowie Feinstsiebung zum Einsatz. Dabei lieferte u.a. das großtechnische Feinstsieb eine höhere CSB-Ausschleusung (ca. 50 %) als eine konventionelle Vorklärung (ca. 33 %). Unter Anwendung von Fäll- und Flockungsmitteln auf Proben vom Zulauf einer kommunalen Vorklärung wurden bis zu 63 % des CSB eliminiert. Im Hinblick auf eine Wertstoffrückgewinnung wurden die Fasereigenschaften von gewaschenen Siebgutproben analysiert: Aufgrund ihrer Faserlänge (ca. 0,3 mm) ist die Eignung zur Papierherstellung eingeschränkt; weitere Optionen wurden aufgezeigt. 1 In Anlehnung an den Beitrag von Laurence Palmowski, Maike Beier, Stefan Geyler und Johannes Pinnekamp in der Zeitschrift Korrespondenz Abwasser, Abfall, März 2018: Entwicklung und Integration innovativer Kläranlagentechnologien für den Transformationsprozess in Richtung Technikwende Projekt E-Klär, S v

2 Zur Nutzung chemisch gebundener Energie wurde Siebgut zusammen mit Überschussschlamm (ÜSS) einer Faulung zugeführt, wodurch die Biogasmenge erhöht wurde. Weiterhin wurde ÜSS unterschiedlicher Kläranlagen durch Thermodruckhydrolyse (TDH) aufgeschlossen und mit Rohschlamm gefault (s. Abb. 1, rechts). Dabei stieg die Methanausbeute um ca. 20 %; zugleich trat eine erhöhte Nährstoffrückbelastung sowie eine finanziell bedeutende, verbesserte Entwässerbarkeit (2 8 %P) auf. Entwässerungsversuche mit einer Schneckenpresse zeigten die energetischen Vorteile dieser Technologie. Mittels eines zusätzlichen Bogensiebes zur Filtratreinigung wurden gute, zu anderen Aggregaten vergleichbare Entwässerungsergebnisse erreicht. Weiterhin konnte gezeigt werden, dass eine Konditionierung mit Biopolymeren möglich ist, dabei jedoch 3 bis 4-fach erhöhte spezifische Polymermengen vonnöten sind. Abbildung 1: Rechengutwaschpresse und Anaerobreaktoren Für eine Integration energetisch günstiger Verfahren der Stickstoffelimination in zukünftige Kläranlagen erfolgten eine Datenaufnahme aus großtechnischen Anlagen mit Teilstromdeammonifikation und die Erweiterung des biologischen Modells im ASM3 für die Abbildung des Prozesses im Teil- und Hauptstrom. Weiterhin wurden anhand eines umfangreichen Screenings die Auswirkungen der Schlammbehandlungsverfahren auf die Stickstoffelimination im Schlammwasser (Frachten, Toxizitäten, Umsatzraten) untersucht. Durchgeführte Batch-Tests zur Identifikation von Hemmpotentialen zeigten, dass Prozesswässer aus den untersuchten Thermodruckhydrolyseanlagen keine Hemmungen hervorriefen. Demgegenüber wurde bei Brüden von Trocknungsanlagen ein deutliches Hemmpotential von bis zu 50 % bezogen auf die Nitrifikationsrate gemessen. Im Hinblick auf zukünftige Reinigungsanforderungen wurden die Auswirkungen innovativer Verfahren auf eine Spurenstoffelimination und Desinfektion untersucht sowie Bemessungshilfen und Kostenfunktionen erarbeitet. Durch Chemikalienzugabe ergab sich eine zusätzliche Spurenstoffelimination von 0 60% in der Vorklärung. Durch die TDH wurden einige Spurenstoffe weitgehend eliminiert, andere in die Flüssigphase überführt. Die Ergebnisse zur Faulung deuten auf eine partielle Desorption vieler Spurenstoffe hin. Für alle untersuchten innovativen Verfahren wurden Modulbeschreibungen anhand von Versuchsergebnissen und Literaturdaten erstellt, die eine modelltechnische Abbildung der innovativen Verfahren (inkl. Bemessungsansätze, Energie- und Kostenberechnungen) erlauben, und beispielhaft in die Modulbibliothek der Software WEST integriert. vi

3 Zusammenfassung Das Projekt E-Klär 3 Methodischer Ansatz zur strategischen Infrastrukturplanung Im Projekt wurde mit dem rollierenden Stufenkonzept ein methodischer Ansatz zur robusten, kläranlagenspezifischen und zugleich zukunftsweisenden Infrastrukturplanung entwickelt (s. Abbildung 2). Die Methode dient der langfristig vorausschauenden Strategiefindung ( Technologiestrategie ) in Bezug auf das Ausbaukonzept einzelner konkreter Anlagen. Hierauf aufbauend bietet sie eine Entscheidungsunterstützung für den anstehenden, nächsten Investitionsschritt anhand der Analyse von anlagenspezifischen Transformationspfaden unter Berücksichtigung vorhandener Anlagenstruktur. Mit dem Ziel, robuste Entscheidungen zu fördern, werden hierbei die Entscheidungen vor dem Hintergrund unsicherer Rahmenbedingungen (Szenarien) betrachtet. Gesucht werden Lösungen, welche unter günstigen Rahmenbedingungen zu guten Ergebnissen führen, aber auch bei unerwarteten Entwicklungen der Rahmenbedingungen zufriedenstellende Ergebnisse liefern. Daher würdigen die Bewertungsschritte sowohl die Stabilität von Lösungen (Verfahrensentscheidung + Investitionspfad) als auch deren Flexibilität. Abbildung 2: Stufenkonzept Die Umsetzung des Stufenkonzeptes wird im Sinne eines Controllingprozesses als rollierende Planung operationalisiert (s. Abbildung 3). Die Idee ist, dass Entscheidungen für Investitionen bzw. technische Umgestaltungsmaßnahmen ähnlich wie beim Betriebscontrolling fortlaufend evaluiert werden. Der methodische Ansatz wird als rollierender Planungs- und Kontrollprozess entwickelt, der die vorhandenen Planungsaktivitäten des Betreibers ergänzt und die Entscheidungsfindung durch zeitnahe und regelmäßige Bereitstellung von entscheidungsrelevanten Kennzahlen und Kostenverläufen als Bewertungs- und Kontrollkriterien unterstützt. Durch dieses Controlling-Konzept wird dem Betreiber für seine spezifische Kläranlage ein möglicher Handlungsbedarf zur Anpassung der erarbeiteten langfristigen Strategien systematisch bereits während der Nutzungsdauer aufgezeigt. vii

4 Abbildung 3: Controllingzyklus der Infrastrukturplanung Das Controlling-Konzept erfolgt in verschiedenen Schritten (siehe Abbildung 3): Im ersten Schritt muss neben der Festlegung von individuellen strategischen Zielen (wie z.b. Energieeffizienz, Wirtschaftlichkeit oder Gebührenstabilität) und daraus abgeleiteten Bewertungsindikatoren zunächst eine Umfeldanalyse der Kläranlagen (KA) zur Erfassung der Ist-Situation hinsichtlich technologischer Ausgangssituation sowie Rahmenbedingungen im Einzugsgebiet erfolgen. Hierdurch werden die anlagenspezifischen Randbedingungen in den Entscheidungsprozess eingebunden. In Schritt 2 erfolgt der Blick in die Zukunft durch szenarienbasierte Entwicklungsannahmen zu externen Rahmenbedingungen (u.a. Bevölkerung, Wirtschaftsstruktur, Energiepreis, Zinsentwicklung wieder für die spezifische Kläranlage), die in bemessungsrelevante Zulaufwerte übersetzt werden. Nach Vorauswahl möglicher langfristiger Ausbaukonzepte werden diese mithilfe eines vereinfachten KA-Bemessungs-/Bilanzmodells, das im Rahmen des Projektes sowohl um Bemessungsschleifen als auch um bewertungsrelevante Prozessgrößen wie Energie und Kosten erweitert wurde, für verschiedene Szenarien simuliert. Im Schritt 4 werden die für die Strategieentscheidung notwendigen Kennzahlen der Verfahrensvarianten berechnet (im vorliegenden Projekt kwh Fremdenergiebezug/a und Jahreskosten/a ). Die szenarienbasierten Bewertungskennzahlen zu verschiedenen Ausbaukonzepten werden anschließend im Rahmen einer Nutzwertanalyse und eines technologischen Stabilitätschecks verglichen. Nach der Verfahrensentscheidung für die Kläranlage der Zukunft wird der Bezug zur gegenwärtigen Ausgangssituation durch die in Schritt 5 stattfindende Erstellung verschiedener Transformationspfade hergestellt (Varianz der Ausbauschritte und -abfolgen). Die verschiedenen Transformationspfade werden wiederum analog zur Verfahrensauswahl mithilfe modellbasierter Jahreskostenberechnungen analysiert (Schritt 6). Die Festlegung des nächstanstehenden Umsetzungsschrittes erfolgt in Schritt 7 anhand einer dynamischen Kostenvergleichsrechnung der verschiedenen Transformationspfade unter Berücksichtigung einer Robustheitsprüfung, bei der die Folgekosten fehlerhafter Prognosen der externen Rahmenbedingungen geprüft werden. viii

5 Zusammenfassung Das Projekt E-Klär Da die strategische Infrastrukturplanung ein rollierender Prozess ist, beinhaltet die Methodik eine fortlaufende Kontrolle der festgelegten Strategien anhand identifizierter Kontrollkriterien (Schritt 8). Dabei wird die Entwicklung der Ist-Werte mit den in Schritt 1 und 2 angesetzten Entwicklungsannahmen verglichen, sodass entscheidungsrelevante Abweichungen zeitnah identifiziert werden und verfahrensstrategisch gegengesteuert werden kann. Um die theoretischen Ansätze in die Praxis zu bringen, wurde das erarbeitete methodische Vorgehen beispielhaft für den Anwender Ruhrverband umgesetzt und Planungswerkzeuge zur Unterstützung der strategischen Infrastrukturplanung im Ansatz konzipiert. 4 Fazit Neue Erkenntnisse über innovative Verfahren zur Kohlenstoffausschleusung und -nutzung, zur Rückgewinnung weiterer Ressourcen sowie zur energieeffizienteren Abwasserreinigung im Bereich der Stickstoffelimination und Klärschlammentwässerung wurden gewonnen. Die Folgen der Einführung dieser Verfahren für andere Kläranlagenstufen wurden ebenfalls untersucht, wie z.b. der Einfluss der innovativen Verfahren auf die Spurenstoffelimination und Desinfektion. Die entwickelten methodischen und planerischen Werkzeuge ermöglichen nun neben der Integration innovativer Technologien in die Verfahrenskonzeption für eine optimale Nutzung der im Abwasser enthaltenen Energie und Ressourcen auch die Identifikation des optimalen Transformationspfades. Die strategische Infrastrukturplanung ist in der Umsetzung als kontinuierlicher Controlling-Prozess angelegt, bei dem der Auswahl- und Bewertungsprozess regelmäßig unter Einbeziehung der Entwicklung der örtlichen Rahmenbedingungen überprüft werden kann. ix

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