Energieautarker Kläranlagenbetrieb

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1 Energieautarker Kläranlagenbetrieb Dr.-Ing. P. Hartwig, Dipl.-Ing. D. Gerdes, Dipl.-Ing. N. Schrewe aqua consult Ingenieur GmbH, Mengendamm 16, D Hannover ZUSAMMENFASSUNG Die Energiekosten sind in den letzten Jahren deutlich gestiegen, zudem ist eine zukunftsorientierte Reduktion von klimarelevanten Schadstoffen unerlässlich. Kläranlagen beanspruchen einen erheblichen Anteil an Energie, sodass eine gezielte Analyse für jede Anlage unumgänglich erscheint. Der vorliegende Beitrag zeigt Potentiale und Konzepte auf, mit denen unter Berücksichtigung wirtschaftlicher Gesichtspunkte eine weitgehende Energieautarkie von Abwasseranlagen erreicht werden kann. Auf Basis einer CSB-Bilanzierung wird der Energiefluß während der Abwasserreinigung erläutert und aufgezeigt, unter welchen Randbedingungen ein energieautarker Betrieb erreichbar ist. Ein energieautarker Betrieb ist nur über die vollständige energetische Nutzung des Faulschlammes oder eine Co-Fermentation zu erreichen. Über eine anaerobe Schlammbehandlung ohne Co-Fermentation kann nur ein Anteil der für die Abwasserreinigung erforderlichen elektrischen Energie von ca. 66 % erreicht werden. An einem Fallbeispiel (KA Rheda) wird der energieautarke Betrieb (mittels Co-Fermentation von Flotatschlamm aus Schlachthofabwasser) dargestellt und eine Verfahrenstechnik zur N- Elimination im Schlammwasserteilstrom, die die Energiebilanz wesentlich positiv beeinflusst erläutert. (Nitritation / Denitritation, Deammonifikation). KEYWORDS Kläranlage, Energieoptimierung, Energieautarkie, Stickstoffelimination, Co-Fermentation EINLEITUNG Der Ölpreis und in Folge die Energiekosten sind in den letzten Jahren dramatisch gestiegen. Zudem ist eine zukunftsorientierte Reduktion der klimarelevanten Schadstoffe zu einem wesentlichen Ziel in der nationalen und internationalen Umweltpolitik geworden. Kläranlagen beanspruchen ca. 20 % des gesamten Elektrizitätsbedarfs der öffentlichen Gebäude und Anlagen einer Kommune, bezogen auf den bundesweiten Stromverbrauch ca. 0,7 % und einwohnerspezifisch ca. 35 kwh/e*a. Daraus resultierend machen der Energieverbrauch und die Energiekosten auf Kläranlagen einen erheblichen Anteil aus, sodass eine gezielte Analyse für jede Anlage unumgänglich erscheint. Dipl.-Ing. D. Gerdes et al. 1

2 Der vorliegende Beitrag zeigt Potentiale und Konzepte auf, mit denen unter Berücksichtigung wirtschaftlicher Gesichtspunkte eine weitgehende Energieautarkie von Abwasseranlagen erreicht werden kann. Das Wort Autarkie im allgemeinen Sinn bedeutet, dass Organisationseinheiten oder Ökosysteme alles, was sie ver- oder gebrauchen, aus eigenen Ressourcen selbst erzeugen oder herstellen. Ein energieautarker Kläranlagenbetrieb ist dann gegeben, wenn nach der Durchführung von Maßnahmen zur Energieeinsparung und höherer Energieeffizienz der Energiebedarf möglichst verringert wird und die notwendige Restmenge über Energien vor Ort gewonnen wird. Hierbei können als kläranlagenspezifische Energieträger der Klärschlamm, das Faulgas, die Wasserkraft sowie die Abwasserwärme Berücksichtigung finden. Standortspezifische Energieträger sind zum Beispiel in oberflächennaher Erdwärme, der Sonne oder dem Wind zu sehen. Der Energieverbrauch und daraus resultierend die Energiekosten auf Kläranlagen setzen sich aus einem Anteil an elektrischem und fossilem Energiebedarf (Öl, Gas) zusammen. Die Energiekosten machen einen signifikanten Anteil der Betriebskosten auf Kläranlagen (rund 16%) aus. Grundsätzlich ist auf einer Kläranlage eine energetische Optimierung daher unerlässlich. Es ist davon auszugehen, dass Energieoptimierungsbedarf vorliegt, wenn der spezifische E- nergiebedarf einer Kläranlage deutlich über 25 kwh/(ew*a) - 30 kwh/(ew*a) liegt. Dabei ist zu berücksichtigen, dass dieser Wert größenabhängig ist und kleine Anlagen (< EW) einen deutlich höheren Energiebedarf aufweisen, da es sich bei der Verfahrenstechnik vorwiegend um Anlagen mit aerober Stabilisierung und ohne Eigenstromerzeugung handelt. Zur energetischen Optimierung einzelner Komponenten und insbesondere für die biologische Stufe auf Kläranlagen stehen vielfach erprobte Regelungsstrategien zur Verfügung. Die Energieausbeute kann durch eine gezielte Abstimmung der einzelnen Verfahrensstufen aufeinander optimiert werden. Im Abwasser selbst ist Energie insbesondere in Form von energiereichen Kohlenstoffverbindungen, von Wärme und von potentieller Energie der Lage enthalten. Ein Teil der im kommunalen Abwasser enthaltenen Energie kann bei Kläranlagen mit anaerober Schlammstabilisierung oder bei Kläranlagen mit anaerober Abwasserbehandlung genutzt werden. Hier bieten insbesondere die inzwischen bewährten Verfahren der Stickstoffbehandlung im Teilstrom (Nitritation/ Denitritation, Deammonifikation) neue verfahrenstechnische Möglichkeiten. Darüberhinaus kann durch die Zuführung von Co-Substraten in den Faulbehälter der erforderliche Energiefremdbezug minimiert werden. Bei Verfügbarkeit entsprechender Substrate und geeigneter Verfahrenstechnik ist eine vollständige Abdeckung des Energiebedarfs für die Abwasser- und Schlammbehandlung und fallweise darüber hinaus eine Netzeinspeisung möglich. Bei weitgehender Eigenversorgung ist zu beachten, dass für den Fall einer Störung in der Eigenversorgung eine entsprechende Abdeckung der Stromversorgung abgesichert ist. An einem Fallbeispiel wird der energieautarke Kläranlagenbetrieb vorgestellt. Dipl.-Ing. D. Gerdes et al. 2

3 ENERGIEBEDARF AUF KLÄRANLAGEN Der Energiebedarf auf konventionellen kommunalen Kläranlagen wird im Wesentlichen durch den Betrieb der folgenden Komponenten (soweit vorhanden) erzeugt: Abwasser- und Schlammförderung Betrieb von Rechen-, Sandfang- und Räumerinstallationen Belüftung in der biologischen Stufe Umwälzung (z.b. Denitrifikation, Faulbehälter) Schlammeindickung und -entwässerung Filtration Desinfektion (z.b. bei UV-Anlagen). Der in nachstehender Abbildung 1 dargestellte prozentuale Energieverbrauch einzelner Verfahrensstufen einer Modellanlage zeigt den signifikanten Anteil der biologischen Stufe mit einer Größenordnung von 67%, sodass hier die Energieoptimierung von entscheidender Bedeutung ist. Biologische Reinigung und Nachklärung 67 % Flockungsfiltration 8 % Mechanische Reinigungsstufe 3 % Abwasserhebewerk 5 % Infrastruktur und Sonstige 6 % Schlammbehandlung 11 % Abbildung 1. Beispielhafter Energieverbrauch einer Modellanlage EW (Handbuch, Energie in Kläranlagen, 1999) Energieoptimierung Grundsätzlich sind Möglichkeiten zur Energieoptimierung auf Kläranlagen unter anderem in den Bereichen Verfahrenstechnik, Maschinentechnik und Teilstrombehandlung gegeben. Bezogen auf die wesentlichen Anlagenkomponenten ergeben sich folgende Optimierungsansätze: Der Energiebedarf für die Abwasserförderung wird durch die Höhenanordnung der Komponenten, die Auslegung der Rohrleitungen und Gerinne, die Auslegung von Filtration- oder Membrankomponenten und die Auslegung der Förderaggregate beeinflusst. Somit ist eine Energieoptimierung im Wesentlichen nur zum Zeitpunkt der Planung (optimale Einbindung der Anlagenkomponenten in das Gelände) sowie bei Sanierungsmaßnahmen (Einsatz von Pumpenlaufrädern mit hohem Wirkungsgrad) und Erweiterungsmaßnahmen gegeben. Dipl.-Ing. D. Gerdes et al. 3

4 Für die mechanischen Komponenten sind Einsparungen nur entsprechend der verfahrenstechnischen Randbedingungen möglich, in der Regel ist der gesamte Energiebedarf dieser Komponenten jedoch von untergeordneter Bedeutung. Auch der Energieverbrauch der Vorklärung ist von untergeordneter Bedeutung, der Einfluss des Wirkungsgrades einer Vorklärung ist jedoch energetisch von entscheidender Bedeutung, wie es aus Abbildung 2 deutlich hervorgeht. Eine Verlängerung der Aufenthaltszeit in der Vorklärung, beispielsweise von 0,5 auf 1,5 h, ergibt eine Energieeinsparung von ca. 5 % bezogen auf den Sauerstoffbedarf der biologischen Stufe. Wirkungsgrad der Vorklärung bezogen auf BSB 5 und NH 4 -N [%] 60 Sauerstoffbedarf bezogen auf den Betrieb ohne Vorklärung [%] BSB 5 BSB 5 30 BSB 5 80 O 2 -Bedarf NH 4 -N NH 4 -N NH 4 -N Wirkungsgrade gemäß DWA-A 131 Aufenthaltszeit in der Vorklärung [h] Abbildung 2. Einfluss der Aufenthaltszeit in einer Vorklärung auf die Wirkungsgrade der BSB 5 - und NH 4 -N-Elimination und den Sauerstoffbedarf in der belüfteten Stufe (nach DWA- A 131 und Karl u. Klaus R. Imhoff (1985), Taschenbuch der Stadtentwässerung, verändert) 60 Der erforderliche elektrische Energiebedarf für die biologische Stufe wird im Wesentlichen durch die Belüftung bestimmt. Die dabei wesentlich beeinflussenden Parameter sind neben der Anordnung, Bemessung und Wartung der Belüfterelemente, die energieeffiziente Regelung der Belüftung z.b. über bedarfsgerechte Sauerstoff - Sollwerte. Die Auslegung der Belüftung wird im Wesentlichen durch die abzubauenden Frachten an BSB 5 und NH 4 -N, den Denitrifikationswirkungsgrad, das Schlammalter, die Effizienz des Belüftungssystems und weiteren Betriebsrandbedingungen (z.b. Temperatur, Viskosität) bestimmt. Empfehlenswerte Regelungen des Belüftungssystems wie z.b. die Anwendung einer Gleitdruckregelung sind im Merkblatt DWA-M 268 beschrieben. In der Schlammbehandlung ist das Optimierungspotential im Wesentlichen durch die Steigerung der Gasausbeute und Gasnutzung zu sehen. Entscheidend hierfür sind ausreichende Speichermöglichkeiten der anfallenden Schlämme und des Gases. Eine Möglichkeit der Energieoptimierung ist auch in der Erhöhung anfallender Schlammmengen gegeben. Dipl.-Ing. D. Gerdes et al. 4

5 Zum Beispiel nimmt der Anfall von Primärschlamm durch die Verlängerung der Aufenthaltszeit im Vorklärbecken von 0,5 h auf 1,5 h um ca. 30 % zu und damit der in einem Faulbehälter zu erzielende Biogasertrag. Dieser Mehrertrag lässt sich aus der CSB-Bilanz abschätzen. In der Vorklärung werden durch eine Verlängerung der Vorklärzeit (0,5 auf 1,5 h) ca. 10 g CSB pro Einwohner und Tag zusätzlich im Primärschlamm gebunden. Hieraus können ca. 2,3 kwh Strom pro Einwohner und Jahr gewonnen werden (Annahmen: Abbaugrad in der Faulung auf ots und CSB bezogen 50 %, spezifische CH 4 -Produktion von 320 l CH 4 pro kg CSB-Elimination, Energiegehalt 10 kwh/m 3 CH 4, elektrischer Ausnutzungsgrad des BHKW 40 %). Über eine Verlängerung der Aufenthaltszeit in der Vorklärung von 0,5 auf 1,5 Stunden kann somit ein Ertrag an elektrischer Energie genommen werden, der ca. 11 % des Gesamtbedarfs ausmacht. Häufig wird die Aufenthaltszeit in der Vorklärung jedoch begrenzt, um ein für eine weitgehende Denitrifikation ausreichendes BSB 5 /TKN-Verhältnis im Zulauf zur Biologie zu erreichen. In diesem Fall ist der Einsatz von Verfahrenstechniken zur N-Elimination im Schlammwasser zu prüfen, da damit ein höherer Wirkungsgrad der Vorklärung zugelassen werden kann und zugleich der Sauerstoffbedarf für die Stickstoffelimination in diesem Teilstrom wirksam reduziert werden kann. Der anteilige Sauerstoffbedarf für die Rückbelastung aus dem Schlammwasser beträgt bei weitgehender Denitrifikation ca. 5 % des Gesamtsauerstoffbedarfs. Durch Nutzung der Verfahrenstechnik der Deammonifikation reduziert sich der Sauerstoffbedarf für die Schlammwasserbehandlung um rund 2/3. Des Weiteren sind Optimierungen im Bereich Faulgasnutzung (vollständige Nutzung im BHKW) sowie Vermeidung von Gas-Abfackelung zu sehen. Nach erfolgter Energieoptimierung erreichbare spezifische Energieverbräuche können aus Bestandsaufnahmen bestehender Kläranlagen und aus theoretischen Betrachtungen abgeleitet werden. Entsprechende Werte für unterschiedliche Kläranlagengrößen sind im Handbuch Energie in Kläranlagen (1999) aufgeführt und in nachstehender Tabelle dargestellt. Kläranlagenkapazität BSB EW > Gesamter Elektrizitätsverbrauch pro aktuellen EW BSB5 Richtwerte kwh/ew a Idealwerte kwh/ew a Eigenversorgungsgrad Elektrizität Richtwerte % Idealwerte % Richtwerte = Aus bestehenden Feinanalysen und der Bestandsaufnahme an Kläranlagen über EW in Nordrhein-Westfalen abgeleiteter Wert, der realistisch erreicht werden kann. Idealwerte = Aufgrund theoretischer Berechnungen anhand einer Modellanlage ermittelter Wert, der unter optimalen Voraussetzungen erreicht werden kann. Tabelle 1. Richtwerte und Idealwerte für den spezifischen Elektrizitätsverbrauch und den Eigenversorgungsgrad (Kohlenstoff- und Stickstoffelimination, mit Faulung) (Handbuch, E- nergie in Kläranlagen, 1999) Dipl.-Ing. D. Gerdes et al. 5

6 ENERGIEGEWINN AUF KLÄRANLAGEN Um einen energieautarken Betrieb zu erreichen, ist eine entsprechende Stromproduktion auf der Kläranlage erforderlich. Die energetische Nutzung der in den bei der Abwasserreinigung anfallenden Schlämmen enthaltenen Energie leistet einen wesentlichen Beitrag zur Abdeckung der für die Abwasserreinigung erforderlichen Elektrizität. Aus diesem Grund beziehen sich alle weiteren Ausführungen auf Kläranlagen mit Vorklärung, anaerober Stabilisierung der anfallenden Schlämme und Verstromung des anfallenden Biogases (angesetzter elektrischer Wirkungsgrad pauschaliert mit 40 % angesetzt). Grundsätzlich stellt sich die Frage, welcher maximal mögliche Energiegewinn unter den oben genannten Randbedingungen möglich ist. Grundlage dafür bildet die im Folgenden ausführlich dargestellte CSB-Bilanz für den gesamten Klärprozess, mit der eine Abschätzung der potentiellen Eigenstromversorgung durchgeführt und die Grenzen aufgezeigt werden kann. CSB-Bilanz zur Energieanalyse CSB-Bilanzierungen werden standardmäßig insbesondere in Simulationsmodellen für Belebungsanlagen verwendet, um die Energie- und Stoffströme während des Abwasserreinigungsprozesses verfolgen zu können. Auf der Basis einer CSB-Bilanzierung mit der Annahme eines spezifischen Methangehaltes von 320 l CH 4 pro kg CSB und einem spezifischen Energiegehalt von 10 kwh pro m 3 CH 4 ergibt sich für einen Einwohnerwert mit einer spezifischen Zulauf-Schmutzfracht von 120 g CSB pro Tag, ein Energiegehalt im Abwasser von 0,384 kwh pro Einwohner und Tag, entsprechend 140 kwh/ew a. Der im Abwasser enthaltene CSB verbleibt entweder im Schlamm, wird in der aeroben Stufe abgebaut oder mit dem Ablauf in den Vorfluter ausgetragen. Der inerte CSB durchläuft die Kläranlage, ohne energetisch genutzt werden zu können. Der Anteil kann zu 3 % des im Gesamtzulauf enthaltenen CSB oder 4 kwh/e a abgeschätzt werden (Basis: 150 l/ew d, 25 mg inerter CSB/l im Ablauf der Nachklärung). Bei einem CSB- Gehalt im Ablauf von im Mittel 40 mg/l befinden sich ca. 5 % des im Gesamtzulauf enthaltenen CSB im Ablauf der Nachklärung, entsprechend 7 kwh/ew a. In einer Vorklärung werden bei einer Aufenthaltszeit von 1,5 bis 2,0 Stunden ca. 40 g CSB/EW d eliminiert und als Primärschlamm abgezogen. Dieses entspricht einem Energieäquivalent von 46,5 kwh/e a. Bei der aeroben Behandlung wird der CSB entweder in den Überschussschlamm eingebunden oder unter Sauerstoffzuführung oxidiert. Das Verhältnis hängt vom Schlammalter ab und ergibt bei einem Schlammalter von 14 Tagen einen zu oxidierenden Anteil von ca. 55 % (Hartwig, 1993). Bei einer Belebungsanlage nach einer Vorklärung (Aufenthaltszeit 1,5 h) beträgt dieser zu oxidierende CSB-Anteil ca. 41 g CSB/EW d. Um den entsprechenden Sauerstoff einzutragen, wird ein Energiebedarf von ca. 21 kwh/ew a erforderlich (Richtwert gemäß Handbuch, Energie in Kläranlagen, 1999). Dipl.-Ing. D. Gerdes et al. 6

7 Der verbleibende Anteil des dem Belebungsverfahren zugeführten CSB (45 %) wird in den Überschussschlamm eingebunden und enthält gemäß CSB-Bilanzierung eine Energie von 38 kwh/e a. Damit ergibt sich die CSB-Bilanz wie folgt: Einwohnerspezifische Fracht [g CSB/EW d] Energieäquivalent [kwh/ew a] CSB im Zulauf CSB im Primärschlamm (Aufenthaltszeit der Vorklärung 1,5 h) CSB im Überschussschlamm CSB oxidiert im Belebungsbecken CSB im Ablauf 6 7 Tabelle 2. CSB-Bilanz Nutzungsmöglichkeit der enthaltenen Energie[kWh/EW a] teilweise möglich 85 nicht möglich 55 Aus der Tabelle geht hervor, dass ein Anteil von 55 kwh/ew a, entsprechend ca. 40 % der im Zulauf enthaltenen Energie (Basis: CSB-Bilanz), nicht nutzbar ist. Im Rahmen der Verwertung der Schlämme sind 85 kwh/ew a entsprechend ca. 60 % des im Zulauf enthaltenen CSB, teilweise energetisch verwertbar. Diese Energie ist auf die bei der Abwasserreinigung anfallenden Schlämmen mit einem CSB-Gehalt von 73 g CSB/EW d enthalten. Bei einem angenommenen Abbaugrad von 50 % in der anaeroben Faulung kann aus dieser Schlammmenge mit dem Einsatz eines BHKW, welches einen elektrischen Wirkungsgrad von ca. 40% hat, ein elektrischer Strom von ca. 17 kwh/ew a erzeugt werden (Randbedingungen siehe oben). Im organischen Rückstand im Faulschlamm bleibt ein Energieäquivalent von ca. 40 kwh/ew a gebunden. Energieautarke Kläranlage Wie in der Tabelle 1 dargestellt, liegt der spezifische Energieverbrauch von Kläranlagen mit einer Größenordnung > EW bei 26 kwh/ew a. Mit dem aus dem Klärgas erzeugten Strom von 17 kwh/ew*a (CSB-Bilanz) ergibt sich somit ein möglicher Eigenversorgungsgrad von 66 %. Daraus folgt, dass ein energieautarker Betrieb nur zu erreichen ist, wenn die Ausbeute der im Faulschlamm enthaltenen Energie stärker genutzt wird und/ oder der Klärgasanfall über die Nutzung von Co-Substraten erhöht wird. Über eine Klärschlammvergasung wäre beispielsweise nach thermodynamischer Berechnung und Erfahrungswerten aus dem Betrieb von Klärschlammvergasungsanlagen eine Effizienz im Hinblick auf die erzeugte elektrische Energie von ca. 25 % zu erwarten, entsprechend einem Mehrertrag von 10 kwh/ew a. Ausgehend von einem entwässerten Klärschlamm (TS-Gehalt 30 %) ergibt sich für die Vergasung trotz erforderlicher Trocknung auf 80 % TS eine gering positive Wärmebilanz (13 % der erzeugten Abwärme sind für weitere Zwecke verfügbar). Durch die Installation einer Klärschlammvergasung lässt sich somit die Eigenstromerzeugung auf ca. 27 kwh/ew a steigern und es wäre bei einer energieoptimierten Abwasserbehandlungsanlage ein energieautarker Betrieb theoretisch möglich. Dipl.-Ing. D. Gerdes et al. 7

8 Während eine mehrjährige Bewährung der Vergasungstechnik für die energetische Klärschlammverwertung noch aussteht, liegen mit einer Co-Fermentation zur Erhöhung der Klärgasproduktion bereits vielfältige langjährige Betriebserfahrungen vor. Ein Fallbeispiel wird im Folgenden erläutert. ENERGIEAUTARKER KLÄRANLAGENBETRIEB FALLBEISPIEL KLÄRANLAGE RHEDA-WIEDENBRÜCK Kurzbeschreibung der Kläranlage In Rheda-Wiedenbrück wird auf dem Standort der kommunalen Kläranlage das Abwasser eines Schlachtbetriebes (ca EGW) vorbehandelt und dann gemeinsam mit dem kommunalen Abwasser ( E) gereinigt. Das Schlachthofabwasser wird über eine 2,3 km lange Druckleitung pneumatisch zum Standort der Vorbehandlungsanlage, direkt neben der kommunalen Anlage, gefördert. Über einen Hydrozyklon werden die Druckluftpolster entspannt und das Abwasser einer Siebung zugeführt. Mit einer chemisch-physikalischen Flotationsanlage und nach geschalteter biologischen Stufe für das Schlachthofabwasser werden ca. 80 % der CSB-Fracht und ca. 70 % der N-Fracht aus dem Schlachthofabwasser entfernt, als Co-Substrat (Flotat) in den Faulbehälter gegeben und dort zusammen mit dem Primär- und Überschussschlamm der kommunalen Stufe und dem Überschussschlamm aus der der Flotation nach geschalteten biologischen Stufe der Schlachthofabwasserbehandlung anaerob stabilisiert. Die Anordnung der Vorbehandlungsanlage in direkter Nachbarschaft zur kommunalen Anlage bringt erhebliche Vorteile aufgrund der kurzen Förderwege für den Flotatschlamm zum Faulbehälter. Die gemeinsame biologische Hauptstufe hat eine Kapazität von ca EW und behandelt das kommunale Abwasser und das nach der Flotation und biologischer Behandlung vorbehandelte Schlachthofabwasser mittels biologischer Phosphatelimination, Nitrifikation und Denitrifikation. Das in der Schlammbehandlung produzierte Biogas wird mittels BHKW verstromt, zur Deckung des Eigenenergiebedarfes der Kläranlage (ca. 1,2 MW el ) verwendet und die überschüssige Energie ins Netz eingespeist. Ein Verfahrenschema der Anlage ist in Abbildung 3 dargestellt. Dipl.-Ing. D. Gerdes et al. 8

9 Schlammverwertung Abbildung 3. Vereinfachtes Fließschema KA Rheda Durch den weitgehenden Abbau des Flotatschlammes und der sonstigen Schlämme im Faulbehälter werden erhebliche Stickstofffrachten freigesetzt, die mit dem zur Verfügung stehenden Substrat aus dem kommunalen Abwasser nicht umgesetzt werden können. Die Stickstofffracht im Schlammwasser beträgt derzeit 0,9 1,0 t pro Tag (Auslegung auf 1,4 t pro Tag). Das BSB 5 / TKN-Verhältnis im Zulauf zur Biologie würde ohne weitere Maßnahmen 1,4 betragen, so dass ohne die Dosierung einer externen C-Quelle eine weitgehende Stickstoffelimination nicht möglich wäre. Die Dosierung einer externen C-Quelle ist kostenintensiv und erhöht die zu entsorgende Schlammfracht. Dipl.-Ing. D. Gerdes et al. 9

10 Maßnahmen zur Energieoptimierung Vorab ist anzumerken, dass es sich bei der Kläranlage Rheda-Wiedenbrück um eine besondere Anlage handelt, da die kontinuierliche Erhöhung der Schlachtkapazität des Indirekteinleiters eine fortlaufende Erweiterung einzelner Anlagenkomponenten zwingend erforderlich macht. Grundsätzlich ist anzumerken, dass viele Anlagenteile voll ausgelastet sind und somit energetisch optimal betrieben werden können. Im Bereich der mechanischen Komponenten erfolgte in den letzten Jahren die Anpassung/ Erweiterung an die zunehmende hydraulische Belastung durch den Indirekteinleiter. Die Vorklärung ist auf der Kläranlage von besonderer Bedeutung, da einerseits möglichst viel Primärschlamm durch eine lange Aufenthaltszeit abgezogen werden soll, andererseits die Stickstofffracht des Indirekteinleiters eine hohe organische Fracht im Zulauf zur Biologie erforderlich macht und somit eine möglichst kurze Aufenthaltszeit wünschenswert ist. Unter Berücksichtigung wirtschaftlicher Aspekte wird die Vorklärung derzeit mit einer Aufenthaltszeit von tr > 2,5 h betrieben. Wie bereits erwähnt, besteht bei der biologischen Stufe die Möglichkeit der Energieoptimierung durch Anwendung einer Gleitdruckregelung, welche verfahrenstechnisch auf dieser Anlage ausgelegt ist. Zudem ist in Kürze der Austausch der Belüftungselemente und daraus resultierend die Steigerung der Energieeffizienz geplant. Die Energieoptimierung im Bereich Schlammbehandlung erfolgte über die Erhöhung des Entwässerungsgrades der Schlämme des Indirekteinleiters von statischer Entwässerung (Feststoffgehalt von TSe = 3%) auf maschinelle Entwässerung (Feststoffgehalt TSe = 5,5 %). Daraus resultiert eine Effizienzsteigerung der Zentrifuge mit optimalem Wirkungsgrad. Für die Zukunft ist der Neubau eines Flotatschlammspeichers geplant, der zur Vergleichmäßigung des Schlammanfalls und daraus resultierend des Betriebes der nachgeschalteten Stufen und des Gasertrages führt. Derzeit erfolgt die Schlammwasserbehandlung mit dem PANDA-Verfahren, welches auf der Kläranlage Rheda-Wiedenbrück als 2-stufige Verfahrensvariante realisiert wurde. Abbildung 4. Fließschema der Prozesswasserbehandlung im zweistufigen PANDA- Verfahren auf der KA Rheda (Hartwig, 2007) Dipl.-Ing. D. Gerdes et al. 10

11 Abbildung 5. Kläranlage Rheda-Wiedenbrück, Co-Fermentation Die Teilstromanlage verfügt über ein Nitritationsvolumen von insgesamt m 3 und ein Denitritationsvolumen von m 3. Zur Ausnutzung der durch die Denitritation zurückgewonnenen Säurekapazität verfügt jede Straße über eine Rezirkulation. Darüber hinaus kann ein Teilstrom des Ablaufes in den Zulauf zurückgeführt werden. Als Substrat für die Denitritation wird Essigsäure dosiert. Der mehrjährige Betrieb der Schlammwasserbehandlungsanlage mit dem PANDA-Verfahren zeigt Wirkungsgrade im Hinblick auf die N-Elimination von über 90 %. Um den Energieaufwand für die N-Elimination im Schlammwasserteilstrom und die erforderliche externe C-Dosierung zu mindern, wird die Stickstoffelimination über Nitrit anstelle von Nitrat geführt. Verfahrenstechnisch wird bei diesen Verfahren der Nitritation die Oxydation des Ammoniums nur bis zum Nitrit (NO 2 ) zugelassen und die Nitratbildung (NO 3 ) unterdrückt. Das Nitrit wird dann zu elementarem Stickstoff (N 2 ) abgebaut. Neben der Nitritation/ Denitritation ist in den letzten Jahren mit der Einbindung des Deammonifikationsprozesses in die Abwasserreinigung ein wesentlicher weiterer Entwicklungsschritt zu Energieeinsparungen bei der Stickstoffelimination gelungen. In einem Anwendungsfall für die Behandlung von Schlammwasser aus einer Co- Fermentationsanlage wird zurzeit die Weiterentwicklung des PANDA-Verfahrens zum PAN- DA + -Verfahren unter Nutzung der Deammonifikation in suspendierter Biomasse großtechnisch erprobt (KA Weißenfels). Da bei der Denitritation im Gegensatz zur Denitrifikation nur 2/3 und bei der Deammonifikation gar kein Kohlenstoff zur Umwandlung des Stickstoffs zu N 2 -Gas benötigt wird, bieten sich nicht nur direkte, sondern auch indirekte energetische Vorteile durch die weitgehende Ausnutzung vorhandenen Kohlenstoffs zur Biogasbildung. Dipl.-Ing. D. Gerdes et al. 11

12 Energieautarker Betrieb Auf der Kläranlage Rheda-Wiedenbrück wird der energieautarke Betrieb durch Co- Fermentation mit dem Flotat des Indirekteinleiters ermöglicht. Pro Tag erfolgt der Eintrag von ca. 200 m 3 Flotat/d in die Faulbehälter. Derzeit liegt der spezifischen Energieverbrauch der Kläranlage bezogen auf einen Einwohnerwert von EW ( EW Indirekteinleiter, EW Kommune) im Zulauf zur Vorbehandlungsanlage bzw. kommunalen Anlage bei ca. 13 kwh/ew*a. Dieser vergleichsweise sehr geringe Wert ist auf den Einsatz der Flotation (hohe Frachtentnahme bei niedrigem Energieverbrauch) und den Einsatz der Verfahrenstechnik im Bereich biologische Stufe (Nitrifikation/ Denitrifikation) zurückzuführen. Die aus den behandelten Schlämmen gewonnene elektrische Energie liegt bei ca. 13,25 kwh/ew*a, sodass rechnerisch derzeit ein Energieüberschuss von ca kwh/a vorliegt. Anzumerken dabei ist, dass noch nicht die Gesamtmenge des von dem Indirekteinleiter anfallenden Flotates behandelt werden kann. Wenn dieses nach Anpassungs- und Umbaumaßnahmen der Fall ist, wird sich die positive Energiebilanz deutlich verbessern. AUSBLICK Die im kommunalen Abwasser gebundene Energie reicht für einen energieautarken Betrieb der Abwasserbehandlung aus, wenn die nach einer Faulung noch verbleibenen organischen Reststoffe (Faulschlamm) energetisch vollständig verwertet werden (z.b. Vergasung) und die Anlage weitestgehend energieoptimiert betrieben wird (z. B. gute Wirkungsgrade in der Vorklärung). Als Alternative für die noch wenig erprobte Nutzung des Restenergieanteils aus dem Faulschlamm, kann über die Nutzung von Co-Substraten die Klärgasmenge soweit erhöht werden, dass ein energieautarker Betrieb erreicht wird. Wenn stickstoffhaltige Co-Substrate zum Einsatz kommen, stehen erprobte biologische Verfahrenstechniken zur Verfügung, um die Stickstofffrachten im Schlammwasser aus der Faulschlammentwässerung effizient und wirtschaftlich zu eliminieren. LITERATUR Beier M. and Y. Schneider (2008). Neue Verfahren zur Stickstoffumsetzung Bilanzierung von Nitritation und Deammonifikation. Institut für Siedlungswasserwirtschaft und Abfalltechnik der Leibniz Universität Hannover DWA-M 210 (1997). Belebungsanlagen mit Aufstaubetrieb DWA-A 131 (2000). Bemessung von einstufigen Belebungsanlagen, Hartwig, P. (1993). Beitrag zur Bemessung von Belebungsanlagen mit Stickstoff- und Phosphorelemination, Institut für Siedlungswasserwirtschaft und Abfalltechnik der Universität Hannover, Heft 84 Hartwig, P. (2007). Das PANDA-Verfahren zur Schlammwasserbehandlung - Verfahrenstechnik, Anwendung, Betriebsergebnissse, Kosten -. Wasserwirtschaftliches Kolloqium der Leibniz Universität Hannover. Karl und Klaus R. Imhoff (1985). Taschenbuch der Stadtentwässerung Ministerium für Umwelt, Raumordnung und Landwirtschaft des Landes Nordrhein-Westfalen (1999). Handbuch, Energie in Kläranlagen. Dipl.-Ing. D. Gerdes et al. 12