Umweltinnovationsprogramm Energieeffiziente Abwasseranlagen

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1 Umweltinnovationsprogramm Energieeffiziente Abwasseranlagen Energetische Optimierung der kommunalen Membrankläranlage am Beispiel des Gruppenklärwerks Nordkanal

2 Erft-Region 2

3 Verbandsgebiet Nordrhein-Westfalen Federal State of North Rhine- Westphalia Berlin Deutschland / Germany Erftverband 3

4 Grundwasserüberwachung Überwachung der Grundwasserentnahme zur Trockenhaltung der Tagebaue Sümpfungswasser 500 Mio. m 3 /a 4

5 Sicherung der Wasserversorgung gesamter Wasserversorgungsbedarf 642 Mio. m 3 /a 143 Mio. m³/a Trinkwasser für 2,1 Millionen Menschen 324 Mio. m³/a Kühlwasser 108 Mio. m³/a Fabrikationswasser 67 Mio. m³/a Sonstiges Wasser

6 Gewässerpflege km Gewässerlauf und 5 Seen 1,249 km of rivers and streams and 5 lakes 6

7 Kläranlagen des Erftverbands 43 kommunale Klärwerke 329 Regenrückhaltebecken 82 Pumpstationen 20 Bodenfilterbecken 3 Kanalnetze

8 Abwasserreinigung Abwasserentsorgung für 1,2 Millionen Einwohner Stickstoffelimination Phosphorelimination > 76 % > 91 %

9 MBR and conventional plants MBR Plant Conventional WWTP 1999

10 Vergleich Verfahrensschritte Konventionelle Kläranlage./. Membrananlage Konventionelle Kläranlage: Rechen Sandfang Belebungsbecken Nachklärung Filtration Membranbelebungsanlage: Rechen Sandfang Feinsieb Belebungsbecken mit Mikrofiltrationseinheit MF 10 Engelhardt Praxisseminar Membrantechnik

11 Main advantages of MBR technology Pore-diameter of the membrane sandfiltration microfiltration reverse osmosis ultrafiltration 0,0001 0,001 0,01 0, mm colloids suspended solids salt viruses bacteria

12 GKW Nordkanal Ansicht Belüfteter Sandfang Membranbelebung Feinstrechen Betriebsgebäude Deni-Becken Schlammentwässerung Abluftfilter Rechengebäude Maschinenhalle 12

13 GKW Nordkanal Verfahrensschema Rechen Sand- Fettfang Siebe FM Denitrifikation/ Variozone Nitrfikation/ Membranfiltration Permeat RZ ÜSS

14 Nordkanal WWTP permeate pipelines

15 GKW Nordkanal Ausrüstung Nitrifikationsbecken Installation der Membrankassetten Blick in das leere Nitrifikationsbecken 15

16 GKW Nordkanal Detail Feinsiebung Trommelsieb 1,5 mm

17 Stromverbrauch [kw/d] Täglicher Stromverbrauch Durchschnittlicher Stromverbrauch ,00 kwh/m³ 0,90 kwh/m³ 0,90 kwh/m³ 0,99 kwh/m³

18 Stromverbrauch Aufteilung auf Verbrauchsgruppen (Gesamtanlage) Membranfiltration ist der Hauptenergieverbraucher

19 Zielwerte Zielwerte für Stromverbrauch Abwasserbehandlungsanlage mit aerobe Schlammstabilisierung e ges = 30 kwh/ew a Belüftung (aerobe Schlammstabilisierung) = 12 kwh/ew a

20 Korrekturwerte für die Berechnung des Stromverbrauchs Besondere Verfahrensstufen / Abwasserzusammensetzung Parameter Kennwert Zuschlag Förderhöhe Zulaufpumpwerk > 3m e ges kwh/ew a + 0,5 Hohe N-Fracht im Zulauf (TKN / BSB5 > 0,25) Hohe N-Fracht im Zulauf (TKN / BSB5 > 0,35) Niedrige N-Fracht im Zulauf (TKN / BSB5 > 0,1) Flockungsfiltration/ Sandfiltration im Ablauf e ges kwh/ew a + 1 e ges kwh/ew a + 2 e ges kwh/ew a - 1 e ges kwh/ew a + 2 Membranfiltration e ges kwh/ew a + 9 Abwasserdesinfektion durch UV- Bestrahlung e ges kwh/ew a + 2,5 Klärschlammtrocknung e ges kwh/ew a + 2 Abluftbehandlung 20 e ges kwh/ew a + 1

21 Zielwerte Ausbaugröße Abwassermenge Energiepreis E m³/a 0,15 /kwh Vorher Nachher Verbrauch kwh/a Verbrauch kwh/a Kosten /a Kosten /a spez. Verbr. 1,00 kwh/m³ spez. Verbr. 0,79 kwh/m³ 68,83 kwh/(e a) 54,50 kwh/(e a)

22 Maßnahmen zur energetischen Optimierung Austausch der Gebläse für die Cross-Flow- Belüftung Umstellung der N-Belüftungsregelung Änderung der Taktung der Cross-Flow- Airregelung Optimierung der Überschussschlammentnahme und der Schlammentwässerung Nachrüsten von Frequenzumformern bei den Rührwerken in der Belebungsstufe Ergänzung von Armaturen in der Permeatleitung Ersatz des Gebläses im Sand- und Fettfang

23 Belebtschlamm Management mit der Wettervorhersage -Eingangsdaten - DWD - Modelle COSMO-DE Auflösung: ca. 2,8 km Prognosezeitraum: 21 Stunden Aktualisierung: alle 3 Stunden COSMO-EU Auflösung: ca. 7 km Prognosezeitraum: ca. 3 Tage (74 Stunden) Aktualisierung: alle 12 (6) Stunden GME Auflösung: ca. 40 km Prognosezeitraum: ca. 1 Woche (172 Stunden) Aktualisierung: alle 12 Stunden 23

24 Stromverbrauch [kw/m³] Spezifischer Stromverbrauch (Jan bis Dez. 2009) 2,5 2 1,5 1 Unwirtschaftlicher Betrieb 1,3 kwh/m³ 0,80 kwh/m³ Energieeffizienter Betrieb 0,58 kwh/m³ 0,46 kwh/m³ 0,5 46,1% der Tage 33 % der Tage 11,2 % der Tage 8 % der Tage 637 Tage 456 Tage 155 Tage 111 Tage 1,7 % 23 Tage der Tage Zufluss [m³/d]

25 Optimierung Abwasserverteilung Betrieb der MBR-Anlagen in Abhängigkeit der Zulauffrachten DN DN DN DN N N N N

26 Membrangebläse Drehkolbenverdichter Gebläseleistung pro Straße: Nm³/h erf. Luftbedarf : Nm³/h 340 Nm³/h pro Kassette 75 kw

27 Betriebsstunden der Gebläsen [h/monat in 1.000] MBR Nordkanal Betriebsstunden der Gebläse 5 4 Betriebsstunden der Membrangebläse Betriebsstunden der Nitrifikationsgebläse

28 Maßnahmen zur energetischen Optimierung Nachrüstung von Frequenzumformern zur Vergleichmäßigung der Luftmenge. Reduktion der Luftmenge von 340 m³/h auf 275 m³/h pro Kassette Drehkolbenverdichter mit FU Energieverbrauch: 41 kw Quelle: Zenon

29 Spezifischer Energieverbrauch der Membrangebläse

30 Korrekturwerte für die Berechnung des Stromverbrauchs JSM m³/a Ausbaugröße EW Membrangebläse : 0,2 kwh/m³ (m³/a) / e spe = 68,7 m³/(ew a) Membranfiltration e ges kwh/ew a + 9 e spe = 0,2 kwh/m³ 68,7 m³/(ew a) = 13,75 kwh/(ew a) e spe = 0,13 kwh/m³ 68,7 m³/(ew a) = 8,94 kwh/(ew a)

31 Stromverbrauch [kwh/m³] 2,5 Spezifischer Stromverbrauch kwh/ew Juni ,5 1 0,5 Juli Juni Zufluss [m³/d]

32 Stromverbrauch [kwh/d in Tausend] Spezifischer Stromverbrauch kwh/d Juni Juli Juni Zufluss [m³/d]

33 Kötti GKW K Frech Bürve Kente Vettw Kaste Herse Greve Bürve Glehn Flerz Weile Rhein Niede Wevel Heime Bornh Auenh Besse Embke Nordk Solle Miel Elsdo Loch Kirsp Anste Meche Secht Wisse Nöthe Villa Froit Nörve Meche Pesch Oberg Rödin Gless Spezifischer Stromverbrauch kwh/ew CSB120g/E*d Einzelanlagen spez. Stromverbrauch kwh/ew CSB MIttel Membrananlage Nordkanal Membrananlage Nordkanal

34 KA Loch KA Pesch KA Nöthen KA Soller KA Froitzheim KA Floisdorf KA Bürvenich KA Dürscheven KA Mechernich-Glehn KA Vettweiss KA Wissersheim KA Rödingen KA Niederembt KA Villau KA Embken KA Glessen KA Hersel KA Heimerzheim KA Anstel KA Miel KA Nörvenich KA Obergartzem-Enzen KA Elsdorf KA Auenheim KA Mechernich KA Bornheim KA Weilerswist KA Wevelinghoven KA Rheinbach KA Kirspenich KA Bessenich KA Sechtem KA Glehn KA Flerzheim KA Bedburg - Kaster KA Frechen KA Erftstadt - Köttingen KA Nordkanal KA Grevenbroich KA Kenten KA Kessenich Spezifischer Betriebskosten /m³jahresabwassermenge Einzelanlagen Spez. Betriebskosten [ /m³] 2,5 2 1,5 Membrananlage Nordkanal 1 0,5 0