DWA Praxisseminar Obere Lutter. Energiebedarf und Kosten der Spurenstoffelimination. 03. Juli Dipl.-Ing. Klaus Alt Dipl.-Ing.

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1 DWA Praxisseminar Obere Lutter Energiebedarf und Kosten der Spurenstoffelimination 03. Juli 2013 Dipl.-Ing. Klaus Alt Dipl.-Ing. Silke Kuhlmann

2 Gliederung Einleitung und Kostenübersicht PAK Adsorptionsanlage auf der Kläranlage Dülmen Kurzvorstellung Energiebedarf Spurenstoffprojekt auf der Kläranlage Bad Oeynhausen Kurzvorstellung Investitions-, Betriebs- und Jahreskosten Sensitivitätsanalyse und Bewertung Zusammenfassung und Kostenübersicht Kosten des Einsatzes von Aktivkohle in besteh. Flockungsfiltrationsanlagen

3 Anlagen zur Spurenstoffelimination in BW Folie 3

4 Anlagen zur Spurenstoffelimination in NRW Folie 4

5 Vorgehensweise zur Ermittlung von Jahreskosten a) Datenauswertung von realisierten Großprojekten in NRW: Bad Sassendorf, Duisburg-Vierlinden, Schwerte, Obere Lutter in Baden Württemberg: Steinhäule-Ulm, Böblingen-Sindelfingen, Stockacher Aach, Kressbronn-Langenargen, Langwiese-Ravensburg in der Schweiz: Regensdorf von in Planung und baubefindlichen Projekten aus NRW: KA Dülmen aus der Baden-Württemberg: Lahr, Karlsruhe, Stuttgart von Studien, FuE-Berichten aus NRW: Lage, Neuss Ost aus der Schweiz: Studie Maßnahmen in ARA zur weitergehenden Elimination von Mikroverunreinigungen; Kostenstudie 2008 (Kostenstand 2008) 4. Berichten zu Versuchsanlagen im großtechnischen Maßstab NRW Kläranlagen: Düren-Merken, Wuppertal-Buchenhofen Literaturangaben Kosten der Elimination von Spurenstoffen auf kommunalen Kläranlagen, Viktor Mertsch, Heinrich Herbst, Klaus Alt (2013) Folie 5 5

6 Investitionskosten netto [Mio. ] gesamt Investitionskosten für Aktivkohle-Behandlung und Ozonierung II Investitionskosten für Aktivkohle-Behandlung und Ozonierung (Schweiz, Baden-Württemberg und NRW) Kostenfunktion aus realisierten Anlagen und Studien ohne GAK-Anlagen y = -2E-10x 2 + 0,2208x + 2E+06 R² = 0, y = 2152,3x 0,4468 R² = 0, Jahresabwassermenge [Mio. m³/a] PAK Anlagen NRW O3 Duisburg-Vierlinden NRW Schwerte BaWü PAK Böblingen Sindelfingen BaWü PAK Kressbronn GAK KA Lage Poly. (PAK Anlagen) Ozonanlagen NRW O3 Bad Sassendorf BaWü PAK Mannheim Schweiz O3 Regensdorf BaWü PAK Stockacher Aach GAK KA Obere Lutter Pot.(Ozonanlagen) Folie 6

7 spezifische Jahreskosten netto [ /m³ Frischwasser] Spezifische. Jahreskosten je m³ Frischwasser für die Verfahren mit Aktivkohle und Abwasserozon. 0,70 spezifische Jahreskosten je m³ Frischwasser für Aktivkohle-Behandlung und Ozonierung (Schweiz, Baden-Württemberg und NRW) Kostenfunktion aus realisierten Anlagen und Studien ohne GAK-Anlagen 0,60 0,50 y = 30,645x -0,456 R² = 0,7761 0,40 0,30 y = 10,981x -0,403 R² = 0,9655 0,20 0,10 0, angeschlossene Einwohnerwerte [EW] PAK Anlagen NRW O3 Duisburg-Vierlinden BaWü PAK Mannheim Schweiz O3 Regensdorf GAK KA Obere Lutter Pot.(Ozonanlagen) Ozonanlagen NRW O3 Bad Sassendorf BaWü PAK Böblingen Sindelfingen GAK KA Lage Pot.(PAK Anlagen) Folie 7 7

8 Spurenstoffelimination Aktivkohlefiltration Kläranlage Dülmen Folie 8

9 Spurenstoffelimination Aktivkohlefiltration KA Dülmen - Screening Tiberbach Dülmen KA Dülmen Kaskadiertes Messprogramm Messung vor und hinter der Kläranlage Bestimmung relevanter Parameter Sedimentbewohner werden mit Stressmarkern beobachtet Biologische Bewertung Tiberbach Folie 9

10 Spurenstoffelimination Aktivkohlefiltration KA Dülmen Auslegung der Anlage auf 200 l/s Trockenwetterabfluss Investition 4,0 Mio. (Förderquote > 90 %) Umbau von zwei Filterkammern 330 m³ Bau eines Sedimentationsbeckens m³ Nutzung des vorhandenen Sandfilters Folie 10

11 Spurenstoffelimination Aktivkohlefiltration KA Dülmen Rechen Sandfang Vorklärung Aktivkohlesilo Sedimentation Belebung Nutzung Sandfilter Kontaktbecken Nachklärung Folie 11

12 Spurenstoffelimination Aktivkohlefiltration KA Dülmen Februar 2013 Entwurfsplanung Juli 2013 Genehmigung November 2013 Ausschreibung Februar 2014 Baubeginn September 2014 Inbetriebnahme Folie 12

13 Ausgangssituation Variantenuntersuchung in der Vorplanung Variante Umbau VK Variante Rechteckbecken Kombibecken Variante Umbau Filter Folie 13

14 Weitere Lösungsansätze der Vorplanung Einsatz PAK in Überstand Filtration Lamella statt Sedimentation DynaSand/Tuchfilter statt Filtration 2-straßige Sedimentation Rechteck- statt Rundklärbecken Nutzung vorhandener NKB FAZIT : keine wirtschaftlichen Vorteile / Betriebssicherheit erkennbar Folie 14

15 PAK-Adsorption KA Dülmen anteiliger Betriebsaufwand Personal 5% FHM < 1% Instandhaltung 14% Strom 10% Schlammverwertung 1% Aktivkohle 12% Kapitalkosten 58% Folie 15

16 PAK-Adsorption KA Dülmen Strombedarf Pos. Anlagenkomponente Strombedarf Prozentualer Anteil 1 Rücklaufkohleförderung (kwh/a) 19 % 2 Einmischung FHM/FM (kwh/a) 15 % 3 Umwälzung Kontaktbecken (kwh/a) 14 % 4 PAK-Dosieranlage (kwh/a) 13 % 5 Hebewerk Anteil PAK (kwh/a) 13 % 6 Schlammbehandlung Anteil PAK (kwh/a) 12 % 7 Treibstrahlpumpe (kwh/a) 8 % 8 Räumer Absetzbecken (kwh/a) 5 % 9 ÜS-Kohleabzug (kwh/a) < 1 % 10 Summe PAK-Anlage (kwh/a) 100 % Folie 16

17 PAK-Anlage KA Dülmen Stromverbrauch in kwh/(e*a) 0,60 0,50 0,40 0,56 0,47 0,44 Bezugsgrößen: 10 g PAK/m³, 5,2 Mio. m³/a, EW 0,40 0,40 Summe Stromverbrauch = 3,05 kwh/(e*a) 0,36 0,30 0,24 0,20 0,16 0,10-0,02 Folie 17

18 PAK-Adsorption KA Dülmen spezifischer Strombedarf Spezifischer Strombedarf PAK-Adsorption: Spezifischer Strombedarf Filtration (Annahme): Summe: 3,1 kwh/(e*a) 3,5 kwh/(e*a) 6,6 kwh/(e*a) bzw. 0,07 kwh/m³ KA Böblingen-Sindelfingen: 5,6 kwh/(e*a) 0,05 kwh/m³ Folie 18

19 Spurenstoffelimination KA Bad Oeynhausen Ausbaugröße EW Nachklärbecken Filter Trockenwetter 308 l/s Mischwasser 616 l/s mech. Reinigungsstufe Belebungsanlage mit 12 Nachklärbecken Flockungsfiltration Schlammfaulung Belebungsbecken Folie 19

20 Spurenstoffelimination KA Bad Oeynhausen Übersicht Verfahrenstechnik Variante 0a: PAK ins BB Variante 0b: PAK im Flockungsraum des Filters Variante 1: PAK mit Kontakt- & Absetzbecken Variante 2: GAK Nachgeschaltete Adsorber (1-stufig) BB NK Ozonreaktor Sandfilter O 3 zum VKB Bypass Variante 3: Ozonung Folie 20 Variante 4: GAK vorhandener Filter (1-stufig)

21 Spurenstoffelimination KA Bad Oeynhausen Zulauf Kläranlage Folie 21

22 Spurenstoffelimination KA Bad Oeynhausen Variante 1 PAK mit Kontakt- & Absetzbecken Bemessungsgrundlagen Kontaktzeit 30 min. Energieeintrag 8 W/m 3 Sedimentationszeit < 1,5 h PAK-Dosierung 5 20 mg/l Polymerdosierung 0,15 0,3 mg/l Fällmitteldosierung 2 8 mg/l Folie 22

23 Spurenstoffelimination KA Bad Oeynhausen Variante 2 - GAK in nachgeschalteten Druckkesseln 6 Reaktoren Durchmesser 4,1 m Festbetthöhe 2,50 m Aufenthaltszeit ca. 20 Min. Folie 23

24 Spurenstoffelimination KA Bad Oeynhausen Variante 3 - Ozonung 2-straßige Auslegung Reaktoren 7,6 x 3,5 x 4,5 m Aufenthaltszeit min (inkl. Ausgangszone) Ozondosierung 2 10 mg O 3 /l Folie 24

25 Spurenstoffelimination KA Bad Oeynhausen Variante 4 - GAK im vorhandenen Filter (1-stufig) 3 vorhandene Filter als GAK-Filter (1-stufig) Folie 25

26 Spurenstoffelimination KA Bad Oeynhausen Variante 4 - GAK im vorhandenen Filter (1-stufig) Verfahrenstechnik GAK (1-stufig) Filterdimension 3-Filter 7,65 x 4,8 m Filterhöhe 2,15 m q 3-9 m/h Aufenthaltszeit min Sanierung Filtration 5 Filterzellen q (n Zellen) = 13,7 m/h q(n-1) = 17,2 m/h ATV / DWA 203 = 15,0 m/h 3 vorhandene Filter als GAK-Filter (1-stufig) Folie 26

27 Spurenstoffelimination KA Bad Oeynhausen Kostengrundlagen Pulveraktivkohle Granulierte Aktivkohle /t /t (regenerierte Kohle) /t (frische Kohle bei Erstbefüllung) Energiekosten Facharbeiter Wartung / Versicherung 0,15 /kwh /a 1,0 bzw. 2,5 % der Investitionskosten? Folie 27

28 Spurenstoffelimination KA Bad Oeynhausen Übersicht Investkosten Pos. Kurztext Variante 1 PAK mit Kontakt- und Absetzbecken Variante 2 Nachgeschaltete Druckkessel Variante 3 Ozonanlage Variante 4 GAK im vorhandenen Filter 1 Bau , , , ,00 2 Maschinentechnik , , , ,65 3 EMSR-Technik , , , ,00 Investkosten netto , , , , % MwSt , , , ,96 Investkosten brutto , , , ,61 Prozente 100% 121% 54% 47% Folie 28

29 Spurenstoffelimination KA Bad Oeynhausen Übersicht Betriebskosten Pos. Kurztext Variante 1 PAK mit Kontakt- und Absetzbecken Variante 2 Nachgeschaltete Druckkessel Variante 3 Ozonanlage Variante 4 GAK im vorhandenen Filter 1 Personal , , , ,00 2 Energie , , , ,87 3 Chemikalien , , , ,00 4 Schlammentsorgung ,75 0,00 0,00 0,00 5 Wartung/ Versicherungen , , , ,59 6 Abwasserabgabe 0,00 0,00 0,00 0,00 Betriebskosten netto , , , , % MwSt , , , ,38 Betriebskosten brutto , , , ,83 Prozente 100% 140% 118% 128% Folie 29

30 Spurenstoffelimination KA Bad Oeynhausen Übersicht Jahreskosten Kurztext Variante 1 PAK mit Kontakt- und Absetzbecken Variante 2 Nachgeschaltete Druckkessel Variante 3 Ozonanlage Variante 4 GAK im vorhandenen Filter Kapitalkosten 49% /a 39% /a 28% /a 23% /a Betriebskosten 51% /a 61% /a 72% /a 77% /a Jahreskosten (netto) /a /a /a /a + 19 % MwSt /a /a /a /a Jahreskosten (brutto) /a /a /a /a Prozente 100% 143% 89% 91% Fazit: Variante 2 weniger wirtschaftlich Jahreskosten der sonstigen Varianten etwa gleichwertig Folie 30

31 Spurenstoffelimination KA Bad Oeynhausen Variante 4 Auswirkungen auf Gebühren Jahreskosten brutto (ohne Planungskosten, Sanierung Filtration etc.) Jahresschmutzwassermenge /a m³/a 0,07 /m³ Folie 31

32 Sensitivitätsanalyse: Dosierraten / Standzeiten Folie 32

33 Spurenstoffelimination KA Bad Oeynhausen Bewertung der Varianten Gewichtung Wertung Kriterium (%) Variante 1: PAK mit Kontakt- und Absetzbecken Variante 2: GAK in nachgeschalteten Druckkesseln Variante 3: Ozonanlage Variante 4: GAK im vorhandenen Filter Punkte gewichtet Punkte gewichtet Punkte gewichtet Punkte gewichtet Höhe der Projektkostenbarwert Reinigungsleistung Spurenstoffe 40 4,5 1,80 3,5 1,40 5 2,00 5 2, ,20 4 1,20 4 1,20 4 1,20 Transformationsprodukte ,50 5 0,50 3 0,30 5 0,50 Planungssicherheit / Referenzen Wartungsarbeiten / Betriebsaufwand 5 5 0,25 2 0,10 5 0,25 3 0, ,15 5 0,25 4 0,20 5 0,25 Redundanzen / Betriebssicherheit Nachhaltigkeit / CO 2 - Emission 5 5 0,25 5 0,25 3 0,15 4 0, ,20 4 0,20 4 0,20 4 0,20 Summe ,5 4,35 28,5 3, , ,50 Punktwertung: 1 - schlecht, 2 - ausreichend, 3 - befriedigend, 4 - gut, 5 - sehr gut Folie 33

34 Spurenstoffelimination KA Bad Oeynhausen Fazit der Bewertung Drei Varianten liegen bei den Kosten / der Bewertung sehr nah beieinander Höchste Punktzahl für Variante 4 (GAK in vorhandenen Filtern) Pilotversuch empfohlen, befindet sich bereits in Umsetzung wenig großtechnischen Erfahrungen bei Standzeit, GAK-Verbrauch Überprüfung der Filtergeschwindigkeiten im Betrieb der Flockungsfiltration bei 15 17,2 m/h vorgesehen Folie 34

35 Spurenstoffelimination KA Bad Oeynhausen Kostenvergleich mit anderen Projekten Kläranlage EW Spez. Jahreskosten bezogen auf Schmutzwasser (Cent/m³) 1 Spez. Jahreskosten bezogen auf Frischwasser (Cent/m³) 1 Status quo (Stand 05/2013) KA Mannheim In Betrieb KW Steinhäule (Ulm) (2) 2,3 19 (13) 2,3 Im Bau KA Böblingen-Sindelfingen (3) 2 7 (6) 2 In Betrieb KA Stockacher Aach In Betrieb KA Kressbronn- Langenargen In Betrieb KA Schwerte In Betrieb KA Obere Lutter In Betrieb KA Bad Oeynhausen Ausschreibung KA Dülmen In Genehmigung 1 Ohne Berücksichtigung der Förderung der Investkosten und Reduzierung der Abwasserabgabe 2 Werte in Klammern unter Berücksichtigung der Reduzierung der Abwasserabgabe 3 Unter Berücksichtigung der Förderung der Investitionskosten Kosten des Einsatzes von Aktivkohle in besteh. Flockungsfiltrationsanlagen

36 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Hydro-Ingenieure Planungsgesellschaft für Siedlungswasserwirtschaft mbh Stockkampstraße Düsseldorf

37 Jahreskosten netto [Mio. /a] Gesamt Jahreskosten für die Verfahren Aktivkohle und Abwasserozonierung II Jahreskosten für Aktivkohle-Behandlung und Ozonierung (Schweiz, Baden-Württemberg und NRW) Kostenfunktion aus realisierten Anlagen und Studien ohne GAK-Anlagen 4,50 4,00 y = 3E-09x 2 + 0,0344x R² = 0,887 3,50 3,00 2,50 2,00 1,50 1,00 0,50 y = 45,141x 0,6089 R² = 0,9833 0,00 0,00 5,00 10,00 15,00 20,00 25,00 30,00 Jahresfrischwassermenge [Mio. m³/a] PAK Anlagen NRW O3 Duisburg-Vierlinden NRW Schwerte BaWü PAK Böblingen Sindelfingen GAK KA Lage Poly. (PAK Anlagen) Ozonanlagen NRW O3 Bad Sassendorf BaWü PAK Mannheim Schweiz O3 Regensdorf GAK KA Obere Lutter Pot.(Ozonanlagen) Folie 37

38 Betriebskosten Personal mit /a Energie mit 0,15 /kwh PAK mit /Mg PAK Reinsauerstoff mit 0,10 /m³ O 2 Spezifische Ozonmenge je kg Sauerstoff 0,1 Kg O 3 /kg O 2 Bettvolumina GAK Bettvolumina/a (Standzeit ca. 1 Jahr) Kosten GAK /Mg GAK (für Erstbefüllung) Kosten regenerierte GAK 900 /Mg GAK (für Wiederbefüllung) Schlammentsorgung und Flockungshilfsmittel Wartung Instandhaltung prozentual vom Invest: Bau 1%, Elektrotechnik 2%, Maschinentechnik 4% Folie 38

39 Betriebskosten netto [Mio. /a] Gesamt Betriebskosten für die Verfahren Aktivkohle und Betriebskosten für Aktivkohle-Behandlung und Ozonierung (Schweiz, Baden-Württemberg und NRW) Abwasserozonierung Kostenfunktion aus II realisierten Anlagen und Studien ohne GAK-Anlagen 3,00 y = 0,036x R² = 0,988 2,50 2,00 1,50 1,00 y = 0,0147x R² = 0,9949 0,50 0,00 0,00 10,00 20,00 30,00 40,00 50,00 60,00 70,00 80,00 Jahresabwassermenge [Mio. m³/a] PAK Anlagen NRW O3 Duisburg-Vierlinden BaWü PAK Mannheim Schweiz O3 Regensdorf GAK KA Obere Lutter Linear (Ozonanlagen) Ozonanlagen NRW O3 Bad Sassendorf BaWü PAK Böblingen Sindelfingen GAK KA Lage Linear (PAK Anlagen) Folie 39