Energetische Optimierung von Kläranlagen durch gezielte Strömungsführung im Belebtschlammbecken

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1 Energetische Optimierung von Kläranlagen durch gezielte Strömungsführung im Belebtschlammbecken S. Reinecke, M. Meier, U. Hampel, P. Ehrhard, M. Stachowske November 2015

2 GLIEDERUNG Einleitung Projektpartner, Kläranlage, Optimierungspotenzial, Projektziel Simulationsmodell dreiphasige Strömung - Abwasser/Belebtschlamm/Luft Avtivated Sludge Model No.1 Verifizierende Experimente tomographische Messungen in mehrphasigen Strömungen Parameter der aufsteigenden Blasen großtechnische Simulationen KA Schwerte, Verifizierung durch Feldmessungen Fazit und Ausblick 2

3 PROJEKTPARTNER IWEB Institut für Wasser & Energie Bochum GmbH Antragsteller, Projektkoordination, neuartige Belüfter Helmholtz Zentrum Dresden Rossendorf innovative Sensoren, Experimente zur Verifizierung TU Dortmund Simulationsmodell, Verifizierung Ruhrverband (ass.) KA Schwerte, Feldexperimente SOWAG Süd-Oberlausitzer Wasserversorgung und Abwasserentsorgungsgesellschaft mbh. (ass.) KA Ebersbach, Technikumsanlage 3

4 AUFBAU EINER KLÄRANLAGE Abwasserzulauf Hebewerk Rechen Sand- / Fettfang Vorklärbecken Belebungsbecken Nachklärbecken Ablauf Primärschlamm Rücklaufschlamm Faulgas Faulschlamm Quelle: Landesagentur für Umwelt Südtirol (2011) 4

5 BELEBUNGSBECKEN Belüftete Zonen u. a. Nitrifikation Bakterielle Oxidation von Ammonium NH Sauerstoff NO - 3 Unbelüftete Zonen u. a. Denitrifikation Bakterielle Reduktion von Nitrat zu Stickstoff NO org. Kohlenstoff N 2 + CO 2 Quelle: maps.bing.com Quelle: Google größter Teil des gesamten Energiebedarfs wird zur Belüftung des Belebungsbeckens verwendet! großes Optimierungspotenzial in diesem Bereich! 5

6 OPTIMIERUNGSMÖGLICHKEITEN Ansatzpunkt die drei größten Energieverbraucher im Belebungsbecken Druckluftverdichter nur so viel Luft eintragen, wie zur Nährstoffelimination nötig bessere Ausnutzung des zugeführten O 2 Quelle: Flygt Rührwerke Synergie-Effekte nutzen: Impuls der eingetragen Luft auch zur Durchmischung nutzen Quelle: Flygt Rezirkulationspumpen bessere Ausnutzung des Reaktionsraums durch optimale Verschaltung von Beckenkompartimenten Quelle: Xylem 6

7 ZIELSETZUNG DES PROJEKTS substantielle Reduktion des Energieverbrauchs im Belebungsbecken hierzu: Entwicklung eines verifizierten Simulationsmodells zur Darstellung der wichtigsten Prozesse im Belebungsbecken, dreidimensional und zeitabhängig, grundlegende Experimente zur Verifizierung, Anpassung und Kalibrierung der Modellbausteine, Verifizierung der Simulationen anhand von Daten aus Technikumsanlagen und realen Belebungsbecken. 7

8 SIMULATIONSMODELL rechenzeiteffizientes CFD-Mehrphasenmodell auf Basis finiter Volumen (FVM), Belebtschlamm (dreiphasig: Wasser, Luft, Schlamm) als zweiphasige Strömung (Euler-Euler), mit gelöstem Schlamm, Modell für Absetzverhalten des Belebtschlamms aus eigenen Laborexperimenten als Funkion (TS-Gehalt), nicht-newtonsche Rheologie als Funktion (TS-Gehalts), Turbulenz mit SST-Turbulenzmodell, Stoffübergang Luftblasen/Wasser nach Higbie als Funktion (dyn. Viskosität, Blasendurchmesser), biochemisches Reaktionsmodell: Activated Sludge Modell No. 1, beschreibt die acht wesentlichen biochemischen Prozesse, bei Berücksichtigung von 13 Größen, zusätzlich Transportgleichungen für die relevanten Größen im ASM 1; 8

9 VERIFIZIERENDE EXPERIMENTE z.b. röntgentomographische Messung in zwei- bzw. dreiphasiger Strömung (Wasser, Luft, Schlamm) 9

10 VERIFIZIERENDE EXPERIMENTE prinzipieller Aufbau Kamin Messsäule 3 Messebenen, DN 100 Fluid: deionisiertes Wasser, deionisiertes Wasser mit Na 2 SO 4, Belebtschlamm, Belüfter: Plattenbelüfter, Tellerbelüfter, Kanülenbelüfter; Luftzufuhr Belüfter 10

11 VERIFIZIERENDE EXPERIMENTE Bauformen der Belüfter Plattenbelüfter (Supratec) Tellerbelüfter (Sanitaire) Kanülenbelüfter (IWEB) 11

12 VERIFIZIERENDE EXPERIMENTE Ergebnis der tomographischen Messungen aufsteigende Luftblasen im Belebtschlamm 12

13 VERIFIZIERENDE EXPERIMENTE pseudo-dreidimensionale Rekonstruktion der Gasblasen Kanülenbelüfter Q = 0.7 sl/min Tellerbelüfter Q = 6.3 sl/min Plattenbelüfter Q = 50 sl/min 13

14 VERIFIZIERENDE EXPERIMENTE Sauter-Durchmesser d 32 in mm Disc diffuser Cannula diffuser Plate diffuser Deionized water Salty water Activated Sludge Liquid Phase Sauter mean diameter d 32 dd 32 = AA SS,gggggg VV gggggg = NN 3 ii ii dd ii 2 ii NN ii dd ii 14

15 VERIFIZIERENDE EXPERIMENTE Blasen-Aufstiegsgeschwindigkeit u in m/s Disc diffuser Cannula diffuser Plate diffuser Deionized water Salty water Liquid Phase Activated Sludge 15

16 GROßTECHNISCHE SIMULATIONEN Belebungsbecken der KA Schwerte 16

17 DISKRETISIERUNG Rechengitter feinstes Gitter, ca. 7 cm Auflösung, ca. 10 Mio. Gitterzellen; 17

18 SIMULATIONSERGEBNISSE Simulation der Hydrodynamik Geschwindigkeit der Flüssigphase (m/s) 0,7 0,5 0,3 0,1 0 Schnitt in der x-z-ebene in 2 m Wassertiefe (Beckendraufsicht) Z X 18

19 SEDIMENTATION IM BELEBUNGSBECKEN Trockensubstanz (TS)-Gehalt intransparente Bereiche: TS-Gehalte > 7g/l, keine Sedimentation in belüfteten Bereichen feststellbar, Sedimentation setzt bei Bodengeschwindigkeiten < 5 cm/s ein; 19

20 KONZENTRATIONSPROFILE IM BELEBUNGSBECKEN Amonium und Nitrat in horizontalem Schnitt in 2 m Beckentiefe gute Wiedergabe der gemessener Konzentrationsprofile! 20

21 FAZIT Kopplung von CFD (ANSYS CFX) und biochemischen Prozessen (ASM1), Modelle für Belebtschlamm-Sedimentation und Belebtschlamm-Viskosität erscheinen verifiziert, Modelle für Blasenaufstieg und Sauerstoffeintrag im Belebtschlamm werden derzeit verifiziert und gegebenenfalls verbessert, großtechnische Simulationen zeigen gute Übereinstimmung mit Sondenmessung und Online-Messungen an KA Schwerte, Vergleich mit SIMBA-Simulationsergebnissen zeigt deutlich bessere Übereinstimmung bei Ablaufwerten; 21

22 AUSBLICK erweiterte mikrobiologische Untersuchungen zur Kalibrierung des ASM1, CO 2 -Entstehung berücksichtigen ( Inhibition), Aufzeigen von Optimierungsmaßnahmen. 22

23 ENDE vielen Dank für die Aufmerksamkeit und für die Förderung durch die 23