Abschlussbericht MBR Nordkanal

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1 BMUUMWELTINNOVATIONSPROGRAMM Abschlussbericht MBR Nordkanal

2 Kurzfassung Im Rahmen des BMU-Umweltinnovationsprogramms mit dem Förderschwerpunkt Energieeffiziente Abwasseranlagen wurden auf der Membranbelebungsanlage Nordkanal in den letzten drei Jahren verfahrenstechnische und investive Optimierungsmaßnahmen umgesetzt. Das Bundesumweltministerium förderte das innovative Vorhaben mit 30% der Kosten, dies entspricht einer Summe von 146 Tsd. Euro. Das Programm zur Erfolgskontrolle des Vorhabens bestehend aus der Energieanalyse, der Untersuchung der hygienisch relevanten Parameter sowie der Analyse der Spurenstoffe wurde zu 80 % der Kosten entsprechend einer Summe von 39 Tsd. Euro aus dem BMU-Umweltinnovationsprogramms bezuschusst. Voraussetzung für die Optimierungsmaßnahmen war der Austausch des Steuerungssystems der gesamten Membrananlage. Die Maßnahme hat der Erftverband in eigener Leistung durchgeführt. Die realisierten Optimierungsmaßnahmen haben eine Reduzierung des Energieverbrauchs von 2,3 GWh/a bewirkt. Der spezifische Energieverbrauch der Membranbelebungsanlage Nordkanal beträgt für das Erfolgskontrolljahr im Mittel 0,65 kwh/m³ bzw. ca. 40 kwh/(e a). Bei einem sehr guten Kosten/ Nutzen-Verhältnis der Maßnahme von 0,12 konnte das ursprünglich gesetzte Ziel weit übertroffen werden. Kläranlagen nach dem Membranbelebungsverfahren erzielen höchste Reinigungsleistungen und bewirken sogar eine deutliche Reduzierung der im Abwasser vorliegenden pathogenen Keime. Jedoch steht diesem positiven Aspekt ein etwa doppelt so hoher Energiebedarf gegenüber, wie er heute beim Einsatz von konventionellen Kläranlagen üblich ist. Der Erftverband ist daher seit Inbetriebnahme der Membrananlage Nordkanal durchgehend bestrebt die Kläranlage verfahrenstechnisch zu verbessern, um den -durch die Membrantechnologie bedingten- erhöhten Energieverbrauch zu reduzieren. Der durchschnittliche spezifische Energieverbrauch der gesamten Membranbelebungsanlage Nordkanal lag in den Betriebsjahren bis 2011 im Bereich zwischen 0,9 und 1,0 kwh/m³. Die im Rahmen des Umweltinnovationsprogramms geplanten Maßnahmen sollten eine Reduzierung des Energieverbrauchs von mindestens 20 % bewirken. Die sehr dynamische Entwicklung der Membrantechnik in den letzten Jahren hat zur notwendigen Anpassungen in dem Projektplan geführt, um angestrebte Ziele zu erreichen. 2

3 Im Verlauf des Projektes wurde eine neue Generation der Membranen mit höherer Membranfläche und um ca % reduziertem Bedarf an den Luft-Volumenstrom vorgestellt. Aufgrund der neuen und unvorhersehbaren Erkenntnisse in Bezug auf die Membranbelüftung sowie des zu erwartenden Austausches der Membrankassetten in den nächsten Jahren wurde der Erwerb der Gebläse für die Membranbelüftung als nicht zielführend eingestuft. Für die Zwischenzeit wurde die Nachrüstung der vorhandenen Membranbelüfter mit Frequenzumformen umgesetzt, um die Luftmenge pro Kassette auf den optimalen Wert einzustellen. Mit Frequenzumformer nachgerüstete Gebläse für die Membranbelüftung verbrauchen im Mittel nur noch ca. 41 kw, d.h. über 30 kw weniger als ursprünglich. Durch die Optimierungsmaßnahmen an den Membranstraßen und den Filtrationsprozessen wurde die Betriebszeit der Gebläse für die Membranbelüftung um fast 40 % reduziert. Als Folge des geringeren Sauerstoff- und Energieeintrages der Gebläse für die Membranbelüftung sind die Betriebszeiten der Gebläse für die Nitrifikation gestiegen. Diese Steigerung der Betriebsstunden führte dazu, dass sich die Nitrifikationsgebläse zu den Energiehauptverbrauchern auf der Membrananlage Nordkanal entwickelten. Der Austausch der Drehkolbengebläse für das Nitrifikationsbecken gegen effizientere Gebläse konnte wegen der höheren Einblastiefe im Vergleich zum Austausch des Gebläses für die Membranbelüftung als wesentlich effektiver eingestuft werden. Die Reduzierung des Energieeintrages aus der verminderten grobblasigen Membranbelüftung und der reduzierten Drehfrequenz der Tauchmotorrührwerke bewirkte im strukturviskosen Belebtschlamm tendenziell einen Anstieg der Viskosität des Belebtschlammes und damit einen verminderten Sauerstoffeintrag. Dieses bewirkte letztendlich deutlich erhöhte Energieverbräuche der Nitrifikationsbelüfter. Der Trockensubstanz-Gehalt im Belebungsbecken wurde als Konsequenz aus diesen Beobachtungen auf Werte bis minimal etwa 7 g/l gesenkt. In der ersten Projektphase wurden mehrfach Messungen und Tests zur Verifizierung der Wirtschaftlichkeit der beantragten Maßnahmen und der Zielvorgaben durchgeführt. Dementsprechend wurden im Rahmen des BMU-Umweltinnovationsprogramms mit dem Förderschwerpunkt Energie-effiziente Abwasseranlagen auf der Membranbelebungsanlage Nordkanal in den letzten drei Jahren tatsächlich folgende verfahrenstechnische und investive Optimierungsmaßnahmen umgesetzt: Austausch der Gebläse für die Nitrifikationsbecken Nachrüsten der Rührwerke in der Belebungsstufe und Gebläse für die Cross-Flow Belüftung mit Frequenzumformern 3

4 Nachrüstung der Frequenzumformer mit aktiven elektronischen Filtern zur Netzstabilisierung Nachrüstung des Sand- und Fettfanggebläses mit Frequenzumformer Änderung der Taktung der Air-Cycling-Regelung inklusive Austausch und Nachrüstung der Absperrklappen mit einem Pneumatik-Antrieb Umstellung der Belüftungsregelung Optimierung der Schlammentwässerung und des Schlammmanagements Damit wurden alle anfangs geplanten Maßnahmen in einer an die aktuelle Situation auf der Kläranlage angepassten Form umgesetzt. Im Zusammenhang mit den Maßnahmen im Rahmen des Umweltinnovationsvorhabens wie Nachrüstung wichtiger Aggregate mit den Frequenzumformern sowie neues Steuerungssystem wurden wesentliche verfahrenstechnischen Änderungen vorgenommen. Dazu gehört der frachtabhängige Betrieb der einzelnen Membranbelebungsbecken mit separater Schlammrückführung und Schlammabzug. Die Optierungsmaßnahmen haben den Energieverbrauch der Membranfiltration deutlich reduziert. Für die Erfolgskontrolle der Energieverbräuche auf dem GKW Nordkanal ist u.a. ein Messprogramm im Steuersystem der Anlage erstellt worden. Im Messprogramm wird der Ist- Zustand der einzelnen Verbraucher gemessen und in Hauptverbrauchergruppen zusammengefasst. Durch die Erstellung eines Tages-, Wochen-, Monats und Jahres-Reports im Erfassungssystem der Kläranlage können die aufgenommenen Energieverbräuche in kwh mit Idealwerten nach DWA-A-216 verglichen werden. Das formulierte Ziel im Antrag vom 2011 in Bezug auf dem Energieverbrauch von kwh/a bei einer Abwassermenge von 5,5 Mio. m³/a wurde auf der Membrananlage Nordkanal im Erfolgskontrolljahr mit kwh/a bei der Abwassermenge von 4,9 Mio. m³/a erheblich unterschritten. Durch die auf der Membrananlage installierte PV-Anlage mit einer Stromproduktion von ca kwh/a konnte der externe Strombezug auf ca. 3 GWh im Zeitraum von 1. Oktober 2014 bis 1. Oktober 2015 verringert werden. Durch die umgesetzten Maßnahmen in Verbindung mit der verfahrenstechnischen Optimierung konnten bei der minimalen Zulaufwassermenge die spezifischen Energieverbräuche von 1 bis 2 kwh/m³ auf Werte <1 kwh/m³ und bei maximaler Zulaufwassermenge von 0,37 kwh/m³ auf 0,29 kwh/m³ reduziert werden. 4

5 Nach der durchgeführten Energieanalyse der Membranfiltration wurde festgestellt, dass die Permeatpumpe konstant 0,03 kwh/m³ verbraucht. Der spezifische Energieverbrauch der Membranbelüfter variiert stattdessen zwischen 0,13 0,20 kwh/m³. Die Unterschiede im Energieverbrauch der Membranbelüfter resultieren daraus, dass die Membranbelüftung auch während der Stand-by-Phase notwendig ist. Der Energieverbrauch der Membranbelüfter während der Stand-by-Phase, ist von der Zulaufwassermenge abhängig und beträgt ca. 20 % der Gesamtverbräuche der Membranfiltration. Der Energieverbrauch der Nitrifikationsbelüftung ist deutlich von der Viskosität des Abwassers und damit vom Trockensubstanz-Gehalt des Belebtschlammes und der Abwassertemperatur geprägt. Insgesamt lag der spezifische Energieverbrauch für die Nitrifikationsbelüfter durchschnittlich bei 1 KWh/EW Monat und damit im Idealwertbereich für Anlagen mit aerober Schlammstabilisierung. Seit der Inbetriebnahme der Membranbelebungsanlage Nordkanal (2004) werden quartalmäßig die hygienisch relevanten Parameter im Ablauf der Kläranlage untersucht. Trotz der 11-jährigen Betriebszeit der Membranen zeigt die Membrananlage relativ gute Ablaufwerte, die nach wie vor der EU Richtlinie über die Qualität der Badegewässer entsprechen. Die Untersuchungen der Spurenstoffe im Zulauf und im Ablauf der MBR Nordkanal bei unterschiedlichen Abwassertemperaturen haben die unzureichende Abbauleistung bestätigt. Versuche aus der Schweiz zeigen eine gute Spurenstoffelimination beim Einsatz der Membrantechnik in Kombination mit PAK (Pulver-Aktiv-Kohle). Die Verbreitung der Membrantechnik in Deutschland wird zurzeit durch verschiedene Faktoren gedämpft. Die Vorteile der Technik wie deutlich kleinerer Flächenbedarf, hohe Reinigungsleistung, Keimrückhalt sowie Rückhalt von Mikroplastik können viele Betreiber nicht ausreichend überzeugen. Nachteile wie die ursprünglich kalkulierte Lebensdauer von 5 bis 8 Jahren, sind heute unabhängig von der Membrankonfiguration (Hohlfaser-, Plattenmembranen) nicht mehr relevant. Zu den Vorteilen der Membrantechnik gehören neben der hervorragenden Reinigungsleistung auch die Möglichkeit, diese Technik problemlos auf bestehenden Kläranlagen zu implementieren. Mit der Nachrüstung der Vorbehandlung um die Siebanlage und Einbau der Membranmodule in separaten Filterbecken oder direkt im Nitrifikationsbecken kann rasch auf jeder konventionellen 5

6 Kläranlage ggf. ohne aufwendige Bautechnik und lange Bauzeit die gewünschte Ausbaugröße oder Reinigungsleistung erreicht werden. Im Rahmen der energetischen Optimierung der Membrananlage Nordkanal wurden Änderungen in der Prozesstechnik/Prozessführung durchgeführt. Durch die Einführung der neuen verfahrenstechnischen Konzepte konnte der Flux von den ursprünglich geplanten 22 auf 40 [L/m2 h] fast verdoppelt werden. Auch die Filtrationszeit wurde von 400 s auf 800 bis 900 s bei gleicher Rückspülzeit (50) s verdoppelt. Trotz aller positiven Aspekte stellt sich für viele Betreiber die Frage nach der Praktikabilität der Technik. Die neue Verfahrenstechnik mit oft sehr präventiver Betriebsweise, ständiger Prozesskontrolle, hoher Anzahl an Wartungsstellen fordert von dem Kläranlagenpersonal und den Führungskräften ein hohes Maß an Einsatzbereitschaft und Motivation im Betrieb der Anlage. Die Entwicklung der Membranwerkstoffe durch die Hersteller, die oft nicht ausreichend getestet werden, fordert die Betreiber oft zur Nachrüstung und Optimierung. Eigeninitiative und Kreativität sowie nachhaltige Überprüfung der angedachten Lösungen durch den Anwender/Betreiber der Technologie ist in dem Fall leider zurzeit noch die Voraussetzung für einen effizienten Betrieb. Diese These findet durch die Anzahl der notwendigen Änderungsanträge in dem durchgeführten Projekt Bestätigung. Die Bemessungsgrundlagen der MBR-Anlagen sind nicht eindeutig festgelegt. Viele getroffene Annahmen bei der Bemessung der ersten Membrananlagen wurden inzwischen widerlegt. Die Fortführung der Erweiterung der Membrananlage Nordkanal um eine getrennte Schlammstabilisierung mit entsprechender Biogasproduktion macht die Membrantechnik zu einer wirtschaftlichen und umweltfreundlichen Alternative für den Ausbau vorhandener und neuer Kläranlagen. Die ständig in den Diskussionen angeführten Nachteile, wie hohe Investitionskosten, hohe Membranersatzkosten und niedrige Energieeffizienz konnten in den letzten Jahren widerlegt werden. 6

7 BMUFederal Environment Ministry Final Report Summary MBR Nordkanal

8 Summary Within the framework of the Federal Ministry for the Environment, Nature Conservation, Building and Nuclear Safety (BMUB) Environmental Innovation Program, with its stated emphasis on Energy Efficient Wastewater Treatment Plants, optimization measures in process engineering and in equipment have been implemented at the Nordkanal membrane bioreactor plant (MBR) over the last three years. The federal ministry of environment supported the innovative program with a 30% subsidy in the amount of 146,000. The program for monitoring the success of the project, consisting of the energy analysis, study of hygienically relevant parameters and analysis of trace substances, received an 80% subsidy in the amount of 39,000 from the BMUB Environmental Innovation Program. The prerequisite for optimization measures was replacement of the control system for the entire membrane facility. This measure was carried out independently by the Erftverband. The implemented optimization measures have produced a reduction in energy consumption of 2.3 GW/yr. The specific energy consumption of the Nordkanal MBR plant during the verification year amounted to an average of 0.65 kwh/m³ or approximately 40 kwh/(e yr). With a very good cost/benefit ratio of 0.12 for the measures as a whole, the original objective is far surpassed. Wastewater treatment plants (WTTP) utilizing the membrane bioreactor process achieve the highest wastewater treatment quality and even bring about a reduction in pathogens present in the wastewater. However, this positive aspect is confronted by an energy requirement which is about twice as high as is common in the operation of conventional wastewater treatment plants today. Ever since the Nordkanal plant was put into operation, the Erftverband has continuously strived to improve the sewage treatment process technique so as to diminish the increased energy consumption. The average specific energy consumption of the entire Nordkanal membrane bioreactor ranged from 0.9 to 1.0 kwh/m³ in the years of operation until The measures envisaged under the Environmental Innovation Program should bring about a reduction in energy consumption of at least 20%. The highly dynamic development of membrane technology in recent years has led to necessary adjustments in the project plan to achieve the defined objectives. 8

9 In the course of the project a new generation of membranes was introduced with a larger membrane surface and a 30-50% lower requirement for the volume of membrane aeration. Due to new and unforeseeable findings with respect to membrane aeration and expected replacement of the membrane cartridges in coming years, it was determined that the acquisition of a blower for membrane aeration would not be effective for meeting objectives. In the interim, the retrofitting of existing aeration units was put into effect with frequency converters to adjust the air volume per cartridge to the optimum value. Blowers retrofitted with frequency converters consume only about 41 kw for membrane aeration, which amounts to a reduction from the original consumption of over 30kW. Through the optimization measures carried out on the membrane channels and the filtration processes, the operating time of the blower for membrane aeration was reduced by almost 40%. As a result of the lower oxygen and energy input of this blower, the operating time of the blower for nitrification has risen. This increase in operating hours led to the nitrification blowers developing into the main energy consumers at the Nordkanal plant. The exchange of the blowers for the nitrification tanks with more efficient ones can be considered as much more effective compared to exchanging the blowers for membrane aeration because of the increase of the blow-in depth to 3.75 meters (Immersion depth of the fan). The reduction of the energy input from the reduced coarse-bubble membrane aeration and the reduced rotational frequency of the submersible mixer brought about in shear thinning activated sludge a tendency to increase in viscosity and thereby a reduced oxygen transfer. This ultimately resulted in significantly increased energy consumption by the nitrification aerator. The dry matter content in the aeration tank was reduced as a consequence of these observations to values down to a minimum of about 7 grams per liter. In the first project phase measurements and tests to verify the efficiency of the measures applied and the feasibility of objectives were carried out several times. Accordingly, within the framework of the BMUB Environmental Innovation Program, with its stated emphasis on Energy Efficient Wastewater Treatment Plants, the following measures of optimization in process engineering and in equipment have been implemented at the Nordkanal membrane bioreactor plant over the last three years: Replacement of Blower for the nitrification tank 9

10 Retrofit of submersible mixer in the activation stage and blowers for cross-flow aeration with frequency converters Retrofit of frequency converters with active electronic filters for grid stabilization Retrofit of grit and grease blower with frequency converter Change of timing of air-cycling-intervals including exchange and retrofit of butterfly valves with pneumatic actuator Adjustment of aeration control Optimization of sludge dewatering and sludge management With that, all initially planned measures have been implemented in a form which is adapted to the current situation at the WWTP. In connection with measures in the framework of the Environmental Innovation Program such as retrofit of important units with frequency converters as well as a new control system, essential changes in the process technique have been made. This includes load related operation of the individual membrane bioreactor tanks with separate sludge recycling and sludge removal. The optimization measures have significantly reduced the energy consumption of membrane filtration. For the verification of success regarding energy consumption at the MBR Nordkanal among other things a monitoring program has been established in the control system of the plant. In this program the current situation of the individual consumers is measured and summarized in the main consumer groups. By creating daily, weekly, monthly and annual reports in the data collection system of the plant, the recorded energy consumption in kwh can be compared with ideal values according to DWA-A-216. The stated aim in the proposal of 2011 concerning reduction of the energy consumption of the Nordkanal MBR (at that time 4,359,930 kwh/yr at a wastewater volume of 5.5 million m³/y) has been significantly surpassed, with a value of 3,200,000 kw/yr at a wastewater volume of 4.9 million m³ for the verification year. Through the PV SYSTEM/FACILITY/EQUIPMENT installed at the MBR plant with a power output of around 200,00 kwh/yr, the external electricity requirement was reduced to about 3 GWh in the period from October 1, 2014 to October 1,

11 Through the measures implemented in connection with process engineering optimization, at the minimum feed amount of water the specific energy consumption was reduced from 1-2 kwh/m³ to values of less 1 kwh/m³; at maximum feed quantity of water the reduction was from 0.37 kwh/m³ to 0.29 kwh/m³. After the performance of the energy analysis of membrane filtration, it was determined that the permeate pump consumed at a constant rate of 30 Wh/m³. However, the specific energy consumption of membrane aerators varies between Wh/m³. The differences in energy consumption of membrane aerators results from the necessary ventilation of the membranes during the standby phase. The energy consumption of membrane aerators during the standby phase is dependent on the feed water quantity and amounts to approximately 20% of the total consumption of membrane filtration. The energy consumption of the nitrification aeration is clearly influenced by the viscosity of the wastewater, and thus by the dry matter content of the activated sludge, and by the wastewater temperature. Overall, the specific energy consumption for the nitrification aerators averaged 1 kwh/(ew month), in the ideal value range for plants with aerobic sludge stabilization. Since the commissioning of the Nordkanal MBR (2004), the hygiene-relevant parameters at the plant outlet have been examined on a quarterly basis. Despite the fact that the membranes have been in operation for the entire 11 year period, the plant shows relatively good effluent values which continue to be in compliance with the EU directive on the quality of bathing water. The examinations of trace substances in the influent and in the outflow of the Nordkanal MBR at different wastewater temperatures have confirmed the inadequate removal performance. Tests in Switzerland show good trace substance elimination when membrane technique is applied in combination with PAH (powdered activated carbon). The spread of membrane technique in Germany is currently being dampened by a variety of factors. Advantages such as substantially smaller space requirement, high cleaning performance and removal of pathogens have not sufficiently convinced many WWTP operators, although the assumed disadvantages such as high investment and membrane replacement costs and low energy efficiency 11

12 Disadvantages such as the initially calculated service life of 5 to 8 years, regardless of the membrane type (hollow fiber, flat sheet membranes), are no longer relevant. Among the advantages of membrane technique, along with the outstanding treatment performance, is its ease of implementation at existing plants. By retrofitting the pre-treatment step with a sieve facility and by installing the membrane modules in separate filter basins or directly in nitrification basins, the desired scale or treatment performance can be quickly achieved at any conventional treatment plant without large-scale and lengthy construction measures. As a result of the energy optimization of the Nordkanal MBR, changes in process technique/process engineering were carried out. Through implementation of new process engineering concepts, the achieved filtration rate of 40 (L/m².h) was nearly double the originally planned rate of 22 (L/m².h). The filtration time at equal back pulsing intervals of 50 seconds was also doubled, from 400 to seconds. Despite all the positive aspects, many operators question the practicality of the technique. The new process technology with its often highly prophylactic operation, continuous process control and high number of maintenance points calls for a high degree of commitment and motivation on the part of plant personnel and managers in the operation the plant. Membrane materials newly developed by manufacturers are often not adequately tested, so the operator may be obliged to perform retrofitting and optimization measures. Initiative and creativity as well as careful review of the envisaged solutions by the user/operator of the technology is in this case, unfortunately, still at this time a prerequisite for efficient operation. This thesis finds confirmation in the number of applications for amendments filed during this project. The basis for assessment of MBR plants is not clearly defined. Many assumptions made in the assessment of the first membrane plants have now been disproved. The continuation of the expansion of the Nordkanal membrane facility to establish separate sludge stabilization with corresponding biogas production shows how membrane technology is an economical and environmentally friendly alternative for the expansion of existing as well as the construction of new wastewater treatment plants. Disadvantages constantly brought up in discussions such as high investment costs, high membrane replacement costs and low energy efficiency have been disproved in recent years. 12

13 Erftverband Am Erftverband Bergheim Ansprechpartner/ Reference Person Dr. -Ing. Kinga Drensla Tel.: 02271/ Fax: 02271/ kinga.drensla@erftverband.de 13