Energetische Optimierung einer mittelgroßen Kläranlage. am Beispiel des Klärwerks Schlitz

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1 Energetische Optimierung einer mittelgroßen Kläranlage im Rahmen des BMUB-Umweltinnovationsprogramms Energieeffiziente Abwasseranlagen EEA am Beispiel des Klärwerks Schlitz Dipl.-Ing. Armin Uhrig Ingenieurgesellschaft Müller mbh Otto-Hahn-Str Schöneck armin.uhrig@igmbh.de Prof. Dr.-Ing. Ulf Theilen Technische Hochschule Mittelhessen Kompetenzzentrum Energie- und Umweltsystemtechnik Wiesenstraße 14, Gießen ulf.theilen@bau.thm.de Dipl.-Ing. Frank Jahn Stadtwerke Schlitz An der Kirche Schlitz frank.jahn@stadtwerke-schlitz.de Gefördert durch:

2 Errichtung Klärwerk Schlitz in 1980 Ausbaugröße GK EW 1-straßige mechanisch-biologische Kläranlage weitergehende Elimination von Kohlenstoffverbindungen teilweise Elimination von Stickstoffverbindungen simultane aerobe Klärschlammstabilisierung Belebungsbeckenvolumen m³ Nachklärbeckenvolumen m³ Prof. Dr.-Ing. Ulf Theilen Status Quo vor Umbau des Klärwerks Nachrüstung in 2006 Solare Klärschlammtrocknungsanlage Nachrüstung in 2008 Ertüchtigung und Erweiterung des Belüftungssystems mit effizienten Plattenbelüftern 2

3 Verfahrenskonzept vor Umbau des Klärwerks Literatur: Gujer, W., Siedlungswasserwirtschaft, Springer Verlag Berlin, Heidelberg, New York, 1999, ISBN X, CD-ROM 3

4 Energetische Optimierung des Klärwerks Veranlassung Kläranlage Schlitz stand exemplarisch für viele Anlagen der Größenklassen 3 und 4, insbesondere für Anlagen mit einem Anschlussgrad zwischen und ohne Faulung und ohne energetische Optimierung Auswertungszeitraum mittlere EW CSB Gesamt- Stromverbrauch E ges davon Energieverbrauch Belüftung E Bel spezifischer Energieverbrauch gesamt e ges spezifischer Energieverbrauch Belüftung e Bel EW 120 kwh/a kwh/a kwh/(ew*a) kwh/(ew*a) EW ,1 31, EW ,3 21,7 Im Mittel 2010 ohne Solartrocknung (incl. Solartrocknung) e ges = ca. 39 kwh/(ew*a) 4

5 Förderantrag - im Rahmen eines vom Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz, Bau- und Reaktorsicherheit im Jahr 2010 ausgerufenen BMUB-UMWELTINNOVATIONSPROGRAMM Förderschwerpunkt Energieeffiziente Abwasseranlagen (EAA) Punkt Realisierung innovativer Konzepte bei kleinen und mittelgroßen Abwasserbehandlungsanlagen am Beispiel der Kläranlage Schlitz-Hutzdorf Gefördert durch: 5

6 -Zielsetzung des Umweltinnovationsprogramms Aktivierung energetischer Umweltentlastungspotenziale mit demonstrativem Modellcharakter Modellhafter Neuheitswert (organisatorische und energetische Innovation) Bei kleinen und mittelgroßen Anlagen sind optimierte Organisationsformen sinnvolle Maßnahmen zur Steigerung der Ressourcen- und Energieeffizienz. 1) Genannt wurden vom UBA u.a. hier die Nutzung von solaren Trocknungsanlagen im Verbund. Hauptziel für Klärwerk Schlitz: Reduzierung des Fremdbezugs elektrischer Energie 1) Gefördert durch: 6

7 Innovatives Konzept mit demonstrativem Modellcharakter- Optimierte Organisationsform Optimierung der Abwasserreinigung Optimierung der Klärschlammbehandlung Errichtung einer Klärgasnutzungsanlage Optimierung der Energie- und Wärmeversorgung Gefördert durch: 7

8 Innovatives Konzept mit demonstrativem Modellcharakter- Optimierte Organisationsform Optimierung der Abwasserreinigung Optimierung der Klärschlammbehandlung Errichtung einer Klärgasnutzungsanlage Optimierung der Energie- und Wärmeversorgung Gefördert durch: 8

9 Optimierte Organisationsform Realisierung eines Klärschlamm-Verbundkonzepts über das Instrument einer Öffentlich-rechtlichen Vereinbarung mit benachbarten kommunalen Kläranlagenbetreibern, den Marktgemeinden Niederaula und Burghaun, und in Kooperation mit der Schlitzer Korn- und Edelobstbrennerei GmbH Niederaula Burghaun Klärschlamm Schlitz Korn und Obstschlempen 9

10 Kläranlage Niederaula Prof. Dr.-Ing. Ulf Theilen Klärschlammverwertung im Verbund ca. 14 km Kläranlage Langenschwarz ca. 5 km Kläranlage Burghaun ca. 14 km 11

11 Optimierte Organisationsform Annahme voreingedickter Klärschlämme aus biologischen Abwasserbehandlungsstufen externer kommunaler Kläranlagenbetreiber Dies erfordert auf Seiten der Vertragspartner eine verfahrenstechnische Umstellung der biologischen Reinigungsstufen hin zu lediglich einer Teilstabilisierung des Klärschlamms. Geplante Fremdschlamm-Annahme: ca. 55 m³/woche / ca. 8 m³/d Trockensubstanzgehalt Fremdschlamm: Antransport ca. 2 3 % ca. 200 kg TR/d / 120 kg otr/d (60 % otr) Geplanter Anlieferungszyklus: Zielwerte Gasertrag Fremdschlamm: geplanter zusätzlicher Energieertrag 3-4 x pro Woche Nl Gas / kg otr ca. 48 Nm³ Gas/d, 65 % CH 4 ca. 5 kw el, ca. 8 kw th 12

12 Optimierte Organisationsform Annahme voreingedickter Klärschlämme aus biologischen Abwasserbehandlungsstufen externer kommunaler Kläranlagenbetreiber Dies erfordert auf Seiten der Vertragspartner eine verfahrenstechnische Umstellung der biologischen Reinigungsstufen hin zu lediglich einer Teilstabilisierung des Klärschlamms. tatsächliche Fremdschlamm-Annahme: ca. 17,5 m³/d Trockensubstanzgehalt Fremdschlamm: Antransport ca. 4,5 % ca. 775 kg TR/d / 500 kg otr/d (65 % otr) Anlieferungszyklus: tatsächlicher Gasertrag Fremdschlamm: tatsächlicher zusätzlicher Energieertrag 3 4x pro Woche 375 Nl Gas / kg otr ca. 187 Nm³ Gas/d ca. 16 kw el, ca. 30 kw th 13

13 Optimierte Organisationsform Annahme der hoch energiereichen Korn- und Obstschlempen der Schlitzer Korn- und Edelobstbrennerei GmbH als sogenanntes Co-Substrat Destillerie 1585 (älteste Brennerei Deutschlands) (Gesellschafter: Stadt Schlitz 90 %, Stadt Hünfeld 10 %) Annahmen: Kornschlempen (Rückstände aus der Destillation) Obstschlempen (Rückstände aus der Herstellung von Obstbränden). Schlempen-Annahme: tatsächlicher Gasertrag Schlempe: tatsächlicher zusätzlicher Energieertrag vornehmlich im Winterhalbjahr Menge: ca. 750 m³/a, Tagescharge 7 m³/d ca. 5,0 10 % TR, 95 % otr Nl Gas / kg otr ca Nm³ Gas/d ca kw el, ca kw th 14

14 Optimierte Organisationsform tatsächlicher zusätzlicher Energieertrag durch Annahme von externen Klärschlämmen und Schlempen: ca kwh/h el, ca kwh/h th 15

15 Innovatives Konzept mit demonstrativem Modellcharakter- Optimierte Organisationsform Optimierung der Abwasserreinigung Optimierung der Klärschlammbehandlung Errichtung einer Klärgasnutzungsanlage Optimierung der Energie- und Wärmeversorgung Gefördert durch: 16

16 Verfahrenskonzept vor Umbau des Klärwerks Literatur: Gujer, W., Siedlungswasserwirtschaft, Springer Verlag Berlin, Heidelberg, New York, 1999, ISBN X, CD-ROM 17

17 Verfahrenskonzept nach Umbau des Klärwerks Literatur: Gujer, W., Siedlungswasserwirtschaft, Springer Verlag Berlin, Heidelberg, New York, 1999, ISBN X, CD-ROM 18

18 Lageplan Klärwerk Schlitz

19 Optimierung der Abwasserreinigung Bau eines Vorklärbeckens zur Abtrennung der hoch energiereichen organischen Abwasserinhaltsstoffe als sogenannter Roh- oder Primärschlamm und damit Entlastung der vorhandenen aeroben biologischen Abwasserreinigungsstufe Reduzierung des Sauerstoffbedarfs im Belebungsbecken Zuführung des energiereichen Primärschlamms direkt der Klärschlammbehandlung in der Faulungsanlage 20

20 Optimierung der Klärschlammbehandlung Bau eines Klärschlamm-Annahmebehälters zur Zwischenspeicherung der extern angelieferten Klärschlämme (voreingedickte Überschussschlämme aus biologischen Abwasserbehandlungsstufen) Durchmischung der externen mit den anlagenspezifischen Überschussschlämmen zur Homogenisierung der verschiedenen Klärschlämme Bau einer Annahmestation für externe Co-Substrate Korn- und Obstschlempen verbessern aufgrund ihres hohen organischen Anteils die Faulgasproduktion wesentlich. 21

21 22

22 Optimierung der Klärschlammbehandlung Bau einer Überschussschlammeindickung (auf ca. 6 %) Bau einer Klärschlammfaulungsanlage zur gemeinsamen Vergärung des anlagenspezifischen Primärschlamms des anlagenspezifischen Überschussschlamms aus der biologischen Reinigungsstufe der anlagenspezifischen Fette und Fettrückstände des Überschussschlamms aus den städtischen Kläranlagen Rimbach und Willofs sowie zur Mitbehandlung extern angelieferter (voreingedickter) Überschussschlämme aus biologischen Behandlungsstufen anderer kommunaler Kläranlagenbetreiber extern angelieferter hoch energiereichen Korn- und Obstschlempen als Co-Substrat 23

23 Burgenstadt Schlitz Prof. Dr.-Ing. Ulf Theilen Energetische Optimierung einer kleinen Kläranlage- Technischer Leiter Dipl.-Ing. 24

24 Burgenstadt Schlitz Prof. Dr.-Ing. Ulf Theilen Energetische Optimierung einer kleinen Kläranlage- Technischer Leiter Dipl.-Ing. 25

25 Errichtung einer Klärgasnutzungsanlage Bau einer Klärgasnutzungsanlage (Faulgasnutzungsanlage) als Blockheizkraftwerk (BHKW) Leistungsdaten des Blockheizkraftwerks (BHKWs) Elektrische Leistung 50 kw el (gegenüber ca kw el eigentlich erforderlich) Thermische Leistung 71 kw therm Ziele: Abdeckung von bis zu 70 % des Gesamtstrombedarfs des Klärwerks Installation eines Nahwärmenetzes 100 %-ige Wärmeversorgung von Faulung und Betriebsgebäuden (bisher kwh/a extern) Unterstützung der Solaren Klärschlammtrocknung durch überschüssige Abwärme (Nachrüstung eines Luft-Wasser-Wärmetauschers ) 26

26 Burgenstadt Schlitz Prof. Dr.-Ing. Ulf Theilen Energetische Optimierung einer kleinen Kläranlage- Technischer Leiter Dipl.-Ing. 27

27 Optimierung der Klärschlammverwertung Reduzierung der zu entsorgenden Klärschlammmengen durch einen optimalen Vergärungsprozess im Faulturm und einen effizienteren Betrieb der solaren Klärschlammtrocknungsanlage und damit einhergehend einer Reduzierung der finanziellen Aufwendungen für den Abtransport und die Entsorgung des endbehandelten Klärschlammprodukts 28

28 Burgenstadt Schlitz Prof. Dr.-Ing. Ulf Theilen Energetische Optimierung einer kleinen Kläranlage- Technischer Leiter Dipl.-Ing. 29

29 Zielsetzungen mit dem Umweltinnovationsprogramm Aktivierung energetischer Umweltentlastungspotenziale mit demonstrativem Modellcharakter 30

30 Begleitendes Messprogramm zur Erfolgskontrolle Dauer des Messprogramms: Anforderungen des Messprogramms: 12 Monate (läuft aktuell) 1. Durchführung eines Haupt-Messprogramms mit 24-h-Mischproben (Zu- und Ablauf) in angemessenen Abständen (je Monat 1 Woche) 2. Durchführung eines Messprogramms zur Ermittlung von Tagesganglinien durch 2-h-Mischproben an jeweils 2 Tagen pro Monat außerhalb und während des Kampagnenbetriebs 3. ergänzende Untersuchungen zur Wirkungsweise der Vorklärung sowie zur Belastung des Schlammwassers nach Umstellung auf Faulung 4. Überprüfung der Effektivität der Faulung (Gasertragsversuche, Bilanzierung) 5. Durchführung eines Energiechecks sowie einer Energieanalyse 31

31 Energiecheck vor Umbau nach DWA-A 216 e ges = 34,0 kwh/(e*a)

32 Energiecheck nach Umbau (voraussichtlich) nach DWA-A 216 Fremdbezug ca. 15kWh/(E*a) e ges = 34,0 kwh/(e*a)

33 Eigenversorgungsgrad nach Umbau (voraussichtlich) EV = ca. 60 % 35

34 Begleitendes Messprogramm zur Erfolgskontrolle - Ablauf BSB5[mg/l] Ablauf CSB [mg/l]

35 Begleitendes Messprogramm zur Erfolgskontrolle erhöhte Stickstofffrachten durch - Rückbelastung aus Faulung, - Annahme externer Klärschlämme und Schlempe - N ges im Zulauf als 85 Percentil mg/l kg/d ca. 20 % 39

36 Begleitendes Messprogramm zur Erfolgskontrolle - Ablauf NH4 -N [mg/l] Ablauf Nges [mg/l]

37 VIELEN DANK FÜR IHRE AUFMERKSAMKEIT VIELEN DANK FÜR IHRE AUFMERKSAMKEIT Verantwortung für Natur und Umwelt 41