Energy Efficiency in Waste Water Treatment An Overview

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1 Energy Efficiency in Waste Water Treatment An Overview Dipl.-Ing. Bernd Haberkern IAT Consultant for Waste Water Treatment Darmstadt, Germany

2 Overview Belüftung Steuerung Spezifische Beaufschlagung der Belüfter und Anordnung Pumpen Pumpentyp/Laufrad Verschleiß/Wartung Umwälzung Art des Rührwerks (Schnell/ Langsamläufer) Schlammanfall Vorklärung Voreindicker Fällung Faulturm Betrieb Faulgasverwertung BHKW Heizung Kofermentation Klärschlammverbrennung Definition der Parameter EW, m³/d, kg CSB Spezifische Werte kwh/einheit 2

3 Comparison of Electricity Consumption Orientierungswerte der jeweiligen Größenklasse % der Angaben Percentage % der Anlagen kwh/ew*a 27 kwh/ew*a 40 kwh/ew*a 49 kwh/ew*a 71 kwh/ew*a Größenklasse 1 1, Größenklasse 2 2, Größenklasse 3 3, Größenklasse 4 4, Größenklasse 5 5, < 0,12t COD/d 0,12 0,6t COD/d 0,6 1,2t COD/d 1,2 12t COD/d > 12t COD/d Stromverbrauch [kwh/(ew in kwh/(ew*a) * a)] Electricity Consumption [kwh/(pe*y)] [DWA, Germany] 3

4 Electricity Consumption according to Size of WWTP GWh/a GWh/a specific electricity consumption Σ energy consumption (10 GWh/y) 4

5 Electricity Consumption for different Technologies and Sizes 2,50 2,00 < 1,000 PE 2,32 ~ 5,000 PE ~ 10,000 PE ~ 100,000 PE 1,50 1,50 1,29 1,30 1,17 1,21 0,93 0,93 1,00 0,90 0,89 0,84 0,77 0,79 0,50 0,56 0,46 0,50 0,00 Belüftete Teiche, aerated lagoons Scheibentauchkörper, rotating biological contactor Tropfkörper, trickling filter Stabilisierung, activated sludge with stabilisation Belebtschlamm, activated sludge with anaerobic sludge treatment [kwh/kg COD] Demoulin 2003, nach Daten von Roth

6 Potential for Optimization Electricity Consumption Sewage Slugde Efficiency Standards Activated sludge with sludge digestion Return sludge pumps Quelle: Agis

7 Effect of the Pump Maintenance Energie [ /a] Energy [ /y] Wartungsintervalle Zusätzliche Energiekosten Besserer Wirkungsgrad Betriebsstunden Hours of operation

8 Example Energy Efficiency WWTP Aleppo/Syria: Aerated lagoons, 3 Mio PE / 700,000 m³/d without aeration Hauptergebnis der anaeroben Betriebsweise von CM 2: Reinigungsleistung entspricht der von CM1 Energieverbrauch wurde um ca. 15 MWh/d reduziert, 5,475 MWh/a 8 changes in operation of the WWTP Aleppo

9 Reduction of Electricity for different Scenarios [GWh/a] [GWh/y] kwh/(ew*a) Effizientere Pumpen, efficient pumps Austausch Belüfter und Optimierung, exchange of aerators and optimization MAX. (GWh/a) REAL. (GWh/a) MIN. (GWh/a) 9

10 Sludge Treatment and Biogas in WWTPs 1. Klärschlammanfall in China 1) : Derzeit 3 Mio. t TSS/a, bei Behandlung des gesamten Abwassers: 8,4 Mio. t TSS/a 2010: 6,6 Mio. t TSS/a 2050: 26 Mio. t TSS/a 2. Klärschlammentsorgung und Verwertung in China 1) : 67% Landschaftsbau 20% Landwirtschaftliche Verwertung 4% Verbrennung 3. Klärschlammbehandlung in China 1) : Klärschlammfaulung und trockung wird selten realisiert 4. Verstärkte Faulgasnutzung Erhöhter Einsatz der Schlammfaulung Leistungsfähige BHKWs für gesamten Faulgasanfall 5. Thermische Klärschlammverwertung 1) Tao Liu et al. 10

11 Production and Use of Biogas in German WWTPs Schlammanfall: 2,3 Mio.t/a TSS MWh Anzahl Kläranlage, Anzahl Betriebe (rechte Achse) Number of WWTPs Anzahl Kläranlage, number Anzahl der of WWTPs Betriebe Klärgasgewinnung, Klärgasgewinnung Production of Biogas Eigenverbrauch, own consumption davon für für Stromerzeugung therefrom for electricity generation davon für FT-Beheizung davon für FT-Beheizung therefrom for digester heating

12 Specific Biogas Amount in Germany Specific gas yield [l/(pe*d] GK 4, 10,000 < 100,000 PE GK 5, > 100,000 PE WWTP Anstieg: Faulturm-Betrieb Menge Primärschlamm Aufenthaltszeit Kofermentation Increase: Digester operation modus Quantityof primary sludge SRT Cofermentation [Keicher, Universität Stuttgart, 2006] 12

13 Energy Balance of the Sludge Incineration Verbrennung Verbrennung Filterkuchen Filterkuchen in Kraftwerken (Entfernung ca km) km) Incinaration of the filter cake in power plants Incineration of the filter cake in (distance ca. 550 km) power plants (distance ca. 550 km) Solare solare Klärschlammtrocknung auf auf Kläranlage, Verbrennung Trockengut nahe nähe Anfallort solar sludge drying onsite WWTP, Solar sludge drying onsite WWTP, incineration of the dry sludge near the WWTP incineration of the dry sludge near the WWTP 10,00 [Kg CO2-Äquivalente / (EW*a)] [kg CO 2 -Äquivalente/(EW*a)] [kg CO2 [kg equivalent/(pe*y)] CO2 5,00 0,00-5,00-10,00-15,00-20,00-25,00-30, Transport, transport 6,25 0,53 Strom Trocknung, electricity drying 0,00 0,93 Erdgas Trocknung, natural gas drying 0,00 0,00 KS-Verbrennung, sludge incineration -9,99-26,35 Summe, sum -3,74-24,89 13

14 Sludge Drying and Incineration 1. Mitverbrennung von entwässertem Schlamm bringt (kleine) CO 2 -Gutschrift 2. Klärschlammtrocknung ohne fossile Energie erhöht die CO 2 - Gutschrift: Solare Klärschlammtrocknung ist eine gute Lösung, wenn Zementwerke oder Heizkraftwerke Schlamm mit einem TR von 60-70% akzeptieren Wenn Schlamm mit TR>90% notwendig ist, sollte Abwärme für die Trocknung verwendet werden 14

15 Recommendation for Regulation/Standards 1. Schwerpunkt: Große Kläranlagen 2. Transparenz her- und sicherstellen: Jahresstromverbrauch systematisch erfassen und spezifische Energiekenngrößen (= Ist-Werte in kwh/(ew*a), kwh/m³; kwh/csb) ermitteln Erfassung der Großverbraucher (mind. 70% des Verbrauchs) Nach wichtigen Aggregategruppen differenzieren (Belüftung, Pumpwerke) 3. Flexibilität und Anreize statt starrer Grenzwerte: Benchmarking mit Ziel und Toleranzwerten Zielwerte bilden ein Optimum ab Toleranzwerte beschreiben den durchschnittlichen Stand der Energieeffizienz, der i.d.r. mit vertretbarem Aufwand übertroffen werden kann Toleranzbereich Optimum Tolerance Range 4. Ermittlung des kurz- bis mittelfristigen Handlungsbedarfs Feinanalyse zur Einzelfallbetrachtung Längerfristig Toleranzbereich einengen 15

16 Target Value and Tolerance Value for Energy Consumption Consumption of electricity Sewage slugde Efficiency Standards Kennwert Nr. Specific Value no Anlage/ Anlagenteil Plant/plant component Parameter Parameter Einheit Unit Zielwert Target Value Toleranzwerte Tolerance Value GK 3-5 GK 3 GK 4/5 1 Kläranlage insgesamt Stromverbrauch kwh/(ew*a) 18,0 35,0 30,0 2 Kläranlage mit Faulung Eigenversorgungsgrad Strom % 100,0-60,0 3 Kläranlage mit Faulung externer Wärmebezug kwh/(ew*a) 0,0-3,0 4 Faulung Menge Faulgas 1) (bei Normbedingung) l/(ew*d) (Nm³/(EW*a)) 30,0 (11) - 20,0 (7,3) 5 Belüftung Belebung Stromverbrauch kwh/(ew*a) 10,0 18,0 16,0 6 Pumpwerke Stromverbrauch Wh/m³.m 4,0-6,0 1) Die Menge an Faulgas aus der Kofermentation (Richtwert 500 l/kg otr) darf voll auf die gesamte Faulgasmenge angerechnet werden. 16

17 Conclusion Consumption of electricity Sewage slugde Efficiency Standards 1. Aktueller Stromverbrauch KA: 35 kwh/(ew*a) 2. CO 2 -Minderungspotenzial durch: % Stromeinsparung Erhöhung der Stromerzeugung aus Faulgas Thermische Verwertung KS mit Abwärmenutzung 3. Regelung der Energieeffizienz im Dreierschritt: Transparenz durch Energie-Kennwerte, Benchmarking mit Optimum und Toleranzbereich, Handlungsbedarf ermitteln in Feinanalysen 4. Energieeffizienz nur durch jahrelange Optimierungsprozesse: Energieautarkie ist visionär, aber nicht illusionär! 17

18 Vielen Dank für ihre Aufmerksamkeit! Thank you for your Attention! 18