32. Erfahrungsaustausch der Lehrerinnen und Lehrer norddeutscher Kläranlagennachbarschaften

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1 32. Erfahrungsaustausch der Lehrerinnen und Lehrer norddeutscher Kläranlagennachbarschaften am 03. und 04. November 2009 in Lüneburg Optimierung abwassertechnischer Anlagen (Kläranlagen) - Praxistipps für den Betriebsalltag - Dr.-Ing. habil. Holger Scheer Emscher Gesellschaft für Wassertechnik mbh in Essen Dr.Ing. habil. Holger Scheer Tel.: 0201/36100 Fax: 0201/ scheer@ewlw.de 1

2 Gliederung des Vortrages 1. Einleitung 2. Zulaufsituation bei unterbelasteten Kläranlagen 3. Biologische Klärstufe bei unterbelasteten Kläranlagen 4. Bei gleichen Ablaufergebnissen Belüftungsenergie einsparen 5. Energieeinsparung durch reduzierten TS-Gehalt 6. Auswirkungen auf den Nachklärbecken-Betrieb 7. Verbesserung der Ablaufergebnisse unterbelasteter Kläranlagen 8. Fallbeispiel für Potentialabschätzung eines optimierten Kläranlagenbetriebes 9. Zusammenfassung 2

3 1. Einleitung Aufgrund der Abnahme der Belastungsverhältnisse im Zulauf werden viele Kläranlagen unterbelastet betrieben und bedürfen einer betrieblichen Optimierung. Große Optimierungspotenziale sind nicht nur bei unterbelasteten, sondern auch bei vielen normal belasteten, aber nicht immer optimal gestalteten Kläranlagen zu finden. Im Folgenden wird insbesondere auf Optimierungsvorschläge für den biologischen Teil von Kläranlagen eingegangen sowie praxisorientierte Empfehlungen für den Betriebsalltag gegeben. Zunächst: Untersuchung der Zulaufsituation bei unterbelasteten Kläranlagen 3

4 2. Zulaufsituation bei unterbelasteten Kläranlagen Hydraulische Zulaufbelastung Abwassermenge geringer als berechnet Fremdwassermenge i.a. nur abhängig von Länge Kanalnetz Regenwetterabfluß bei Mischkanälen entspricht Berechnungsabfluß Da der Regenwetterabfluß unverändert hoch bleibt: Alle Klärstufen (z.b. Sandfang, Vorklärung und Nachklärung), die nach der Wassermenge bemessen sind, müssen bei Mischkanalisationen unverändert bleiben. Bei allen Klärstufen (z.b. Belebungsbecken), die nach der Schmutzfracht bemessen werden, können die verminderten Schmutzfrachten voll berücksichtigt werden. 4

5 2. Zulaufsituation bei unterbelasteten Kläranlagen Bemessung für EW (Auslegung) mit Mischsystem Abwassermenge: 140 l/(e d) m³/d Fremdwassermenge: 100 l/(e d) m³/d Max TW-Zufluss Q t : m³/h RW-Zufluss Q m = 2 Q t : m³/h BSB 5 -Fracht: 60 g/(e d) kg/d CSB-Fracht: 120 g/(e d) kg/d TS o -Fracht: 70 g/(e d) kg/d TKN-Fracht: 11 g/(e d) kg/d P-Fracht: 1,8 g/(e d) 180 kg/d Werte für angeschlossene EW (Betrieb) mit Mischsystem Abwassermenge: 140 l/(e d) m³/d Fremdwassermenge: 100 l/(e d) m³/d Max TW-Zufluss Q t : 961 m³/h RW-Zufluss Q m = 2,48 Q t : m³/h BSB 5 -Fracht: 60 g/(e d) kg/d CSB-Fracht: 120 g/(e d) kg/d TS o -Fracht: 70 g/(e d) kg/d TKN-Fracht: 11 g/(e d) 770 kg/d P-Fracht: 1,8 g/(e d) 126 kg/d 5

6 3. Biologische Klärstufe bei unterbelasteten Kläranlagen Den größten Gestaltungsspielraum hat man im Bereich des Belebungsbeckens! Optimierungspotenziale bestehen sowohl auf Seiten der Betriebskosten als auch auf Seiten des Ablaufergebnisses! Somit bestehen grundsätzlich 2 unterschiedliche Möglichkeiten: 1. Bei gleichem Ablaufergebnis Energie einsparen 2. Verbesserung des Ablaufergebnisses 3. Eine Kombination beider Möglichkeiten (1 und 2) ist natürlich auch möglich 6

7 4. Bei gleichen Ablaufergebnissen Belüftungsenergie einsparen TS BB oder V BB interm. Bel. oder V DN Reduktion Abwasserabgabe verbesserte Bio-P Einsparung Belüftungsenergie Bemessungsfrachten unterschritten TS BB = f(t TS ) Nachklärbecken Belebungsbecken Bemessungstemperatur überschritten 7

8 4. Bei gleichen Ablaufergebnissen Belüftungsenergie einsparen zu 1: Belüftungsenergie einsparen durch Beibehalten des berechneten Schlammalters (höheres Schlammalter höherer spezifischer Sauerstoffbedarf) Vielfach liegt das aktuelle Schlammalter signifikant über das bei der Planung festgelegte Schlammalter. Aktuelles Schlammalter >> Erforderliches Schlammalter Optimierung des Betriebes mit der Zielsetzung einer Verringerung der gesamten Schlammmenge im System Diese Schlammreduzierung lässt sich über zwei Möglichkeiten durchführen: Reduzierung des aktuellen Trockensubstanzgehaltes im Belebungsbecken Außerbetriebnahme von Belebungsbeckeneinheiten - soweit möglich - Das Einsparungspotenzial ist proportional zu der geringeren Belastung Voraussetzung hierfür ist, dass die Gebläseleistung entsprechend gedrosselt werden kann, ohne dass der Regelbereich eingeschränkt wird. => Ggf. Gebläsestufen anpassen! 8

9 4. Bei gleichen Ablaufergebnissen Belüftungsenergie einsparen Mechanische Stufe 5% Sonstige 5% Schlammbehandlung 15% Schlammrückführung + Nachklärung 15% Belüftung + Umwälzung im Belebungsbecken 60% Typische Aufteilung des Stromverbrauchs einer Kläranlage nach den unterschiedlichen Verfahrensstufen (ohne Einlaufhebewerk) - nach DWA,

10 4. Bei gleichen Ablaufergebnissen Belüftungsenergie einsparen Phosphatfällung Räumung Vorklärbecken Rechenanlage Entleerung RÜB Räumung Nachklärbecken masch. Faulschlammentwässerung masch. Schlammeindickung interne Rezirkulation Belüftung Sandfang Umwälzung Denitrifikation Denitrifiktion Rücklaufschlammförderung Umwälzung Faulbehälter Einlaufhebewerk Raumfilter Belüftung Belebungsbecken 0,1 0,2 0,2 0,3 0,4 0,9 1,2 1,7 1,8 2,0 2,5 2,7 2,8 4,0 Belebungsanlage mit vorgeschalteteter Denitrifikation und getrennter Schlammbehandlung Stromverbrauch: Summe: 36,8 kwh/(ew a) rot markiert: 19,8 kwh/(ew a) 16,0 0,0 2,0 4,0 6,0 8,0 10,0 12,0 14,0 16,0 18,0 Stromverbrauch kwh/(ew *a) Mittlere Verbrauchswerte einzelner Stromverbrauchsstellen auf Belebungsanlagen der Größenklassen GK 4 ( EW) und GK 5 ( > EW) (DWA, 2008) 10

11 4. Bei gleichen Ablaufergebnissen Belüftungsenergie einsparen Rechenanlage Phosphatfällung Schlammstapelung Entleerung RÜB Räumung Nachklärbecken 0,1 0,1 0,1 0,3 0,7 Belebungsanlage mit aerober Schlammstabilisierung und intermittierender Denitrifikation masch. ÜS-Entwässerung 1,9 Elektroheizung 1,9 Belüftung Sandfang Rückschlammförderung 2,4 3,4 Stromverbrauch: Summe: 38,2 kwh/(ew a) Einlaufhebewerk 3,5 rot markiert: 26,2 kwh/(ew a) Umwälzung intermittierende DN 6,3 Belüftung Belüftung intermittierende internittierende DN 17,5 0,0 2,0 4,0 6,0 8,0 10,0 12,0 14,0 16,0 18,0 20,0 Stromverbrauch kwh/(ew *a) Mittlere Verbrauchswerte einzelner Stromverbrauchsstellen auf Stabilisierungsanlagen der Größenklassen GK 2 und GK 3 ( EW) (DWA, 2008) 11

12 4. Bei gleichen Ablaufergebnissen Belüftungsenergie einsparen Maßgebend für die Bemessung des Belebungsbeckens ist das Schlammalter t TS. Das Schlammalter gibt in etwa die mittlere Aufenthaltszeit einer Schlammflocke im System an. Es ist definiert: t TS = V TS BB BB ÜS d [d] mit V BB = Volumen des Belebungsbeckens [m 3 ] TS BB = Trockensubstanzgehalt im Belebungsbecken [kg TS/m 3 ] ÜS d = tägliche Schlammproduktion (= Q ÜS TS ÜS ) [kg TS/d] Erf. t TS ist von Abwassertemperatur stark abhängig ( Nitrifikation) Achtung: Richtige Werte mit richtigen Bezügen einsetzen! 12

13 4. Bei gleichen Ablaufergebnissen Belüftungsenergie einsparen Mit Nitrifikation Bemessungssch hlammalter [d] d 7 d 5 d Mit Stickstoffelimination VD/VBB V D BB = = 0,3 0,3 Mit Stickstoffelimination VD/VBB V D = = 0,5 0, Abwasser-Temperatur [ C] 2. Bemessungsgrößen 13

14 5. Energieeinsparung durch reduzierten TS-Gehalt Aus dem erforderlichen Schlammalter lassen sich Bedingungen für den erforderlichen Trockensubstanzgehalt TS BB,erf. formulieren: t TS V TS V TS = BB BB = BB BB [d] ÜS Q TS d ÜS ÜS TS BB, erf. = t (f(t)) Q TS TS ÜS ÜS V BB [kg TS/m 3 ] Mit dieser Beziehung lässt sich die Optimierung unterbelasteter Kläranlagen durchführen, wobei folgende Beziehung immer gelten muss: TS BB, IST TS BB, erf. [kg TS/m 3 ] Unnötige erhöhte TS BB -Gehalte führen zu höheren O 2 -Verbräuchen ohne verbesserte Reinigungsleistungen! 14

15 5. Energieeinsparung durch reduzierten TS-Gehalt 100% pro kg TS/m 3 zuviel Strommehrverbrauch von bis zu 10 % Einfluss des Trockensubstanzgehaltes TS BB auf den Sauerstoffverbrauch bei Anlagen mit Nitrifikation und Denitrifikation (Abwassertemperatur 15 C) (DWA, 2008) 15

16 5. Energieeinsparung durch reduzierten TS-Gehalt Zur Optimierung der dynamischen Betriebsweise des Trockensubstanzgehaltes führt die Emscher Wassertechnik zurzeit mit der Firma HACH LANGE ein F- + E- Vorhaben durch. Ziel: Entwicklung eines Messgerätes, dass zum einen den aktuell gemessenen TS-Gehalt im Belebungsbecken (TS BB,IST ) anzeigt. Des Weiteren soll auch der erforderliche TS BB -Gehalt (TS BB,erf. ) am Messgerät angezeigt werden, wozu entsprechende Messerergebnisse aufbereitet und entsprchend eingepflegt werden müssen. Über die bekannte Beziehung TS BB, IST TS BB, erf. erfährt der Betreiber, wie die Kläranlage optimal gefahren werden kann und welches Energie-Einsparpotential ggf. noch realisiert werden kann. 16

17 6. Auswirkungen auf den Nachklärbecken-Betrieb Nachklärbecken Bemessungstemperatur überschritten Belebungsbecken q SV = f(ts BB ) TS BB = f(t TS ) Bemessungsfrachten unterschritten Rücklaufverhältnis Entlastung Nachklärung Einsparung Energie

18 6. Auswirkungen auf den Nachklärbecken-Betrieb Zusammenhang Rücklaufverhältnis - TS BB - TS RS : TS BB RV TS = RS [kg TS/m (1 + RV) 3 ] Mit dieser Beziehung lässt sich das Rücklaufverhältnis überschlägig betrieblich optimieren: Beispiel: RV = TS BB TS - TS RS BB RV = 4,0 = 1, % 8,0-4,0 RV = 3,0 = 0,60 60 % 8,0-3,0 Unnötig erhöhte RV-Verhältnisse führen zu erhöhten hydraulischen Belastungen der Nachklärung und unnötigen Energieverbräuchen! [%]

19 6. Auswirkungen auf den Nachklärbecken-Betrieb Zusammenhang Schlammvolumenbeschickung q SV Nachklärbeckenbetrieb q SV, IST = q A ISV TS BB [l/(m 2 h] Bei horizontal durchströmten NKB: q SV, IST = q ISV TS A BB 500 [l/(m 2 h] q A,IST aus hydraulischer Beschickung: q A, IST = Q A m NKB 1,6 [m/h] Mit folgender Beziehung lässt sich Nachklärbeckenbetrieb betrieblich optimieren: q SV, IST Q = ISV TS 500 A m [l/(m BB 2 h] NKB bei horizontal durchströmten Nachklärbecken 19

20 6. Auswirkungen auf den Nachklärbecken-Betrieb Beispiel zur Überprüfung des Nachklärbeckenbetriebes Horizontal durchströmtes Nachklärbecken Nachklärbeckenoberfläche: A NKB = m 2 Max. Zufluss bei Regen: Q m = m 3 /h ISV = 125 ml/g TS TS BB = 4 kg TS/m 3 durch Betriebsoptimierung wird TS BB auf 3 kg TS/m 3 gesenkt q Q = m 3 /h m = A, IST A m 2 = NKB 1,15 m/h q Q = ISV TS 1, SV, IST A m = = BB > NKB 500 [l/(m 2 h] Achtung: Nachklärbecken überlastet!! Nach TS BB -Optimierung: Q q = SV, IST A m NKB ISV TS BB = 1, = [l/(m 2 h] Achtung: guter Nachklärbecken-Betrieb

21 7. Verbesserung der Ablaufergebnisse bei unterbelasteten Kläranlagen zu 2: Beibehalten des berechneten Belebtschlammgehaltes Reduzierung des aeroben Beckenvolumens, d.h. Denitrifikationskapazität ausweiten Auch hierdurch kann Energie eingespart werden! Zusätzlich wird noch eine Reduzierung der Abwasserabgabe ermöglicht. Des Weiteren erhöht sich das Potential für die BIO-P und damit eine Reduzierung des Fällmittelverbrauchs und des Schlammanfalls. Vergrößerung der Denitrifikationskapazität: durch eine veränderte Aufteilung von belüfteten und unbelüfteten Becken bzw. mittels einer intermittierenden Belüftung Voraussetzung: Installation von Rührwerken in den Nitrifikationsstufen. (Bei simultaner Denitrifikation in Umlaufgräben sind die notwendigen Einrichtungen zumeist ohnehin bereits vorhanden.) 21

22 8. Fallbeispiel für Potentialabschätzung eines optimierten Kläranlagenbetriebes für eine EW-Kläranlage Aus der aktuellen Temperatur, dem Zulaufvolumenstrom und der BSB 5 -Konzentration werden BSB 5 -Tagesfracht und erforderliche BSB 5 -Schlammbelastung berechnet. Die resultierende erforderliche Feststoffmasse wird den Entwurfsdaten (V BB TS BB ) gegenüber gestellt. Entwurfsdaten: Temperatur 10 C kg/d ( EW) B d,bsb,ablauf VKB TS BB 3 g/l V BB,ges m³ V D /V BB 0,3 - B TS,BSB5 0,09 kg/(kg d) Größenordnung der vorhandenen Temperaturen und Belastungen im täglichen Betrieb: B d,bsb5 Temperatur in kg/(kg d) in C Minimum ,0 Maximum ,6 Mittelwert ,7 Feststoffmasse: Erforderliche Feststoffmasse: V BB TS BB = = kg TS B d,bsb B TS = bis kg TS 22

23 8. Fallbeispiel für Potentialabschätzung eines optimierten Kläranlagenbetriebes für eine EW-Kläranlage BSB5-Fra acht [kg/d] BSB 5 -Fracht gemäß Entwurf: kg/d BSB 5 5 -Fracht Abwassertemperatur Abwasser-Temperatur Abwasser-Te emperatur [ C] IST-Belastung und IST-Temperatur (Entwurf: B d,bsb = kg /d, T = 10 C) 23

24 8. Fallbeispiel für Potentialabschätzung eines optimierten Kläranlagenbetriebes für eine EW-Kläranlage Feststoffm masse [kg TS] Feststoffmasse gemäß Entwurf: kg TS Erforderliche Feststoffmasse Erforderliche Feststoffmasse aus aktuellen Messwerten und gemäß Entwurf (Entwurf: V BB = m³, TS BB = 3 g/l) 24

25 8. Fallbeispiel für Potentialabschätzung eines optimierten Kläranlagenbetriebes für eine EW-Kläranlage erforderliches Be eckenvolumen [m³] Beckenvolumen gemäß Entwurf: m³ erforderliches Beckenvolumen Erforderliches Beckenvolumen aus aktuellen Messwerten und gemäß Entwurf (Entwurf: V BB = m³, TS BB = 3 g/l) 25

26 9. Zusammenfassung Die wichtigsten Vorteile einer betrieblichen Optimierung: erhebliche Energieeinsparung in der Belebungsanlage prozessstabilerer Anlagenbetrieb verbesserte Absetzeigenschaften (ISV ) reduzierte Zugabe an sauren Aluminiumsalzen und/oder Flockungsmitteln (Polymeren) hydraulische und stoffliche Entlastung der NKB bei Kläranlagen mit Faulung: Vermeidung einer versteckten aeroben Schlammstabilisierung im Belebungsbecken bei Kläranlagen mit Faulung: deutlich erhöhte Faulgasproduktion und Erhöhung des Eigenstromversorgungsgrades (wenn BHKW vorhanden) 26

27 9. Zusammenfassung Anhand konkreter Ansätze aus der Praxis wird für unterbelastete Kläranlagen aufgezeigt, dass mit einfachen Mitteln die Betriebskosten im großen Umfang reduziert werden können und dass dafür keine baulichen und damit investiven Maßnahmen erforderlich sind. 27

28 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Dr.-Ing. habil. Holger Scheer Emscher Gesellschaft für Wassertechnik mbh Hohenzollernstraße Essen Tel: 0201 / (Sekretariat) Fax: 0201 / scheer@ewlw.de Internet: Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! 28