Druckbelüftungssysteme: Optimierung von Bemessung und Betrieb. Kitzbüheler Wassersymposium Dr.-Ing. Tobias Günkel-Lange 13.

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1 Druckbelüftungssysteme: Optimierung von Bemessung und Betrieb Kitzbüheler Wassersymposium Dr.-Ing. Tobias Günkel-Lange 13. November 2013

2 Überblick Einleitung Stromverbrauch des Belebungsverfahrens und des Belüftungssystems Belüftungssystem als Hauptkomponente des Belebungsverfahrens Maßnahmen zur Optimierung des Belüftungssystems Möglichkeiten bei der Bemessung Möglichkeiten im Betrieb Zusammenfassung 2

3 Stromverbrauch Anteil Belebungsverfahren % DWA-A 216 (2013) DWA BW (2008) Handbuch NRW (1999) Daten BE 3

4 Stromverbrauch Anteil Belüftung 45 % - 50 % stetige Überwachung und Optimierung des Belüftungssystems notwendig DWA-A 216 (2013) DWA BW (2008) Handbuch NRW (1999) Daten BE 4

5 Belüftungssystem Hauptkomponente des Belebungsverfahrens Behandlungsstufen Vorklärung Belebung (Nachklärung) Komponenten Belüftungssystem Durchmischungsaggregate Rezirkulationspumpen Rücklaufschlammpumpen Vorklärung Belebung Nachklärung Primärschlamm Überschussschlamm Durchmischung + Belüftung Rezirkulation Rücklaufschlamm (nach Gujer, 2007) Ablauf Maßnahmen zur Optimierung während der Bemessung und im Betrieb betreffen alle Behandlungsstufen und Komponenten 5

6 Optimierung von Druckbelüftungssystemen bei der Bemessung Grundvoraussetzung für die optimale Bemessung eines energieeffizienten Belüftungssystems sorgfältige Ermittlung der Dimensionierungsgrundlage sorgfältige Bemessung und Planung des Belüftungssystems Es gibt nicht das beste, sondern nur das an die jeweilige Situation am besten angepasste Belüftungssystem DWA-Regelwerk A 198 (2003) (Herleitung von Bemessungswerten) A 131 (2000) (Bemessung Belebungsanlagen) M (2013) Systeme zur Belüftung und Durchmischung von Belebungsanlagen Teil 1: Planung, Ausschreibung und Ausführung 6

7 Optimierung von Druckbelüftungssystemen bei der Bemessung Grundlage des Belebungsverfahrens: Sauerstoffversorgung der Mikroorganismen Sicherstellung der Sauerstoffversorgung durch die Sauerstoffzufuhr über Belüftungssysteme Ziel der Bemessung Ermittlung des Sauerstoffverbrauchs (OV) - in Abhängigkeit bemessungsrelevanter Lastfälle - (DWA-A 131, 2000; DWA-M 229-1, 2013) Bemessung der erforderlichen Sauerstoffzufuhr (erf.sotr) - in Abhängigkeit des lastfallabhängigen Sauerstoffverbrauchs - (DWA-M 229-1, 2013) - maßgebender Bemessungsparameter zur Dimensionierung von Belüftungssystemen (Drucklufterzeuger, Belüfterelemente ) 7

8 Lastfallabhängiger Sauerstoffverbrauch nach DWA-M (2013) Lastfall 1 mittlererlastfall Sauerstoffverbrauch: im Jahresmittel mittlere Schmutzfracht mittlere Jahrestemperatur Zweck: Ermittlung des Jahresenergiebedarfs der Belüftung (Abschätzung des häufigsten Bedarfsfall für einen Variantenvergleich) Lastfall 4 Sonderlastfall siehe DWA-M (2013) Lastfall 2 maximaler Lastfall maximale Belastung maximaleschmutzfracht maximale Jahrestemperatur 1) Dimensionierung der Belüftungseinrichtung auf den maximalen Lastfall 1) bei saisonalen Frachtschwankungen evtl. niedrige Temperatur maßgebend Lastfall 3 minimaler Lastfall minimale Belastung minimale Schmutzfracht 2,3) minimalejahrestemperatur Dimensionierung der Belüftungseinrichtung auf den minimalen Lastfall Abstufung der Drucklufterzeuger, Mindestbeaufschlagung der Belüfterelemente, Kombination mit zusätzlichen Rührwerken 2) ohne signifikanten Frachtanteilin den Nachtstunden über endogene Atmung 3) mit signifikantem Frachtanteilin den Nachtstunden auch Substratatmung 8

9 Lastfallabhängige erf. Sauerstoffzufuhr nach DWA-M (2013) Lastfall 1 mittlererlastfall Lastfall 2 maximaler Lastfall Lastfall 3 minimaler Lastfall erforderliche Sauerstoffzufuhr: vereinfachte Gleichung:,,. ( ) erf.sotr mittel erf.sotr max erf.sotr min mit OV h,mittel ; α mittel ;k mittel mit OV h,max ; α min ;k max mit OV h,min ; α max ;k min OV nach DWA-M (2013); α-werte nach Günkel-Lange (2013) Maßgebenden Einfluss auf die Bemessung der erf. Sauerstoffzufuhr Ermittlung des lastfallabhängigen Sauerstoffverbrauchs Annahme des α-wertes in Abhängigkeit des jeweiligen Lastfalls 9

10 Erforderliche Sauerstoffzufuhr Sensitivität erf.sotr = f C, f C, C θ ( ) Parameter Einheit 100 %-Wert +10 % -10 % Sauerstoffverbrauch OV h kg/h α-wert - 0,60 0,66 0,54 Wassertemperatur T W C 15 16,5 13,5 Sauerstoffkonzentration C X mg/l 2 2,2 1,8 Einblastiefe h D m 5 5,5 4,5 Günkel-Lange (2013) 10

11 α-wert Definition und Abhängigkeit Unterschied der Sauerzufuhr zwischen Belebtschlamm und Reinwasser, α-wert abhängig von Abwasserinhaltsstoffe freier Wasseranteil Reinigungsziel, Verfahrensvariante Belüftungskoeffizienten k L a 20 und αk L a 20 (1/h) zu bestimmen unter absolut gleichen Bedingungen: Becken, Belüftungssystem, Einblastiefe, Belüftungsintensität etc. Abwassertechnische Parameter Schlammbelastung Schlammalter Trockensubstanzgehalt α-wert bei Druckbelüftung: nicht abhängig von Art oder Material des Belüftungselementes 11

12 α-werte in Abhängigkeit der organischen Schlammbelastung Relativ gute Abhängigkeit des α-wertes von der org. Schlammbelastung, aber zu große Streuung innerhalb der Reinigungsziele. S: simultane aerobe Stabilisierung N: Stickstoffelimination C: Kohlenstoffelimination Günkel-Lange (2013) 12

13 α-werte in Abhängigkeit der organischen Schlammbelastung organische Schlammbelastung: spezifische organische Schlammbelastung:,,,,,,,, B d,csb (kg CSB/d) B d,csb,spezifisch (kg CSB/h) 13

14 α-werte in Abhängigkeit der spezifischen organischen Schlammbelastung Die spezifische organische Schlammbelastung begründet die Abhängigkeit des α-wertes, lässt aber keine konkrete Voraussage zu. S: simultane aerobe Stabilisierung N: Stickstoffelimination C: Kohlenstoffelimination Günkel-Lange (2013) 14

15 Bemessungsα-Werte Bemessungs-α-Werte für den maximalen, minimalen und mittleren Lastfall - u.a. begründet über die Abhängigkeit des α-wertes von der spez. org. Schlammbelastung α max =0,85 α mittel =0,75 α max =0,9 α mittel =0,8 α min =0,7 α max =0,6 α min =0,6 α mittel =0,5 α min =0,35 Schlammalter < 5 d ~ 7-18 d > 25 d Günkel-Lange (2013) 15

16 Bemessungsα-Werte Verfahrensvariante Bemessungs-α-Werten (Vorschläge!) -für den maximalen, minimalen und mittleren Lastfall -für jeden Anwendungsfall/Einzelfall zu prüfen! α min α mittel α max (für maximalen Lastfall) (für mittleren Lastfall) (für minimalen Lastfall) kontinuierlich betriebene Denitrifikation (sim., interm., altern., vorg.) kontinuierlich betriebene vorg. Denitrifikation (bspw. mit großem VKB und V D /V BB ~0,5) 0,60 0,75 0,85 0,65 0,75 0,85 SBR-Verfahren zur Stickstoffelimination 0,50 0,65 0,80 MBR-Verfahren (TS ~12 g/l, t TS =25 d) 0,50 0,60 0,70 simultane aerobe Stabilisierung 0,70 0,80 0,90 Kohlenstoffelimination 0,35 0,50 0,60 Günkel-Lange (2013) 16

17 Lastfallabhängige erf. Sauerstoffzufuhr nach DWA-M (2013) Lastfall 1 mittlererlastfall Lastfall 2 maximaler Lastfall Lastfall 3 minimaler Lastfall erforderliche Sauerstoffzufuhr:,, ( ) erf.sotr mittel erf.sotr max erf.sotr min OV h,mittel ; α mittel ;k mittel OV h,max ; α min ;k max OV h,min ; α max ;k min OV nach DWA-M (2013); α-werte nach Günkel-Lange (2013) erforderlicher Luftvolumenstrom:.. erf.q L,mittel erf.q L,max erf.q L,min mögliche Abstufung der Drucklufterzeuger: 8:1 bis 12:1 (15:1) Sauerstoffausnutzung SSOTE je höher, desto geringer der erforderliche Luftvolumenstrom (erf.q L ) u.a. abhängig von Qualität des Belüftungselementes oder Anordnung der Belüfterelemente 17

18 erf. Luftvolumenstrom Sensitivität., = h erf.sotr = f C, f C, C θ ( ) Parameter Einheit 100 %-Wert +10 % -10 % Sauerstoffverbrauch OV h kg/h α-wert - 0,60 0,66 0,54 Wassertemperatur T W C 15 16,5 13,5 Sauerstoffkonzentration C X mg/l 2 2,2 1,8 Einblastiefe h D m 5 5,5 4,5 Günkel-Lange (2013) 18

19 Optimierung von Druckbelüftungssystemen bei der Bemessung sorgfältige Grundlagenermittlung flexible Auslegung des Belüftungssystems Dimensionierung auf maximalen und minimalen Lastfall Überprüfung der Durchmischung im minimalen Lastfall Kombination von Belüftung und Rührwerke Detaillierte und präzise Bemessung realistische, sinnvolle und begründete Wahl des α-wertes Beachtung scheinbar nicht stark relevanter Parameter (Bsp. Sauerstoffausnutzung (SSOTE); Einblastiefe (h D )) frühzeitige Abstimmung - ganzheitliche Betrachtung der Verfahrenstechnik, Maschinentechnik und EMSR (Belüfterfläche, Verdichter, Luftverteilung, Regelarmaturen, Automatisierung) 19

20 Optimierung von Druckbelüftungssystemen im Betrieb Verlust der Leistungsfähigkeit meist sehr langsam und wenig auffällig wenn auffällig, dann kein akuter Handlungsbedarf aufgrund großzügiger Auslegung der Belüftungssysteme Folge: geringe Aufmerksamkeit Empfehlung: Überwachung der Leistungsaufnahme (Energiecheck) Überwachung des Druckverlustes regelmäßige Kontrolle des Basenbildes DWA-Merkblatt 229 Teil 2 Systeme zur Belüftung und Durchmischung von Belebungsanlagen Teil 2: Betrieb derzeit in Bearbeitung geplante Veröffentlichung Mitte/Ende

21 Optimierung von Druckbelüftungssystemen im Betrieb Überwachung der Leistungsaufnahme Leistungsaufnahme und Betriebsstunden der Drucklufterzeuger erfassen und kontinuierlich über PLS aufzeichnen für einzelne Becken oder einzelne Drucklufterzeuger zumindest als Gesamtgröße Überwachung des Druckverlustes der Belüfterelemente Druckmessung in der Luftleitung einmal monatlich immer unter gleichen Bedingungen (gleicher Luftvolumenstrom) Auswerten, Bewerten und Handeln! 21

22 Optimierung von Druckbelüftungssystemen im Betrieb Überwachung des Blasenbildes regelmäßig großflächige langsame Bewegungen Wagner et al. (2011) 22

23 Optimierung von Druckbelüftungssystemen im Betrieb Überwachung des Blasenbildes lokal abgegrenzte schnelle Bewegungen Verschlechterung des Belüftungssystems Wagner et al. (2011) 23

24 Optimierung von Druckbelüftungssystemen im Betrieb - Beispiel Vorklärung Optimierung / Umbau der Vorklärung (Bsp. Bypassführung) BSB 5 /N 4,0 im Zulauf Biologie ist optimal größere BSB 5 /N-Verhältnisse führen zu Sauerstoffmehrverbrauch kleinere BSB 5 /N-Verhältnisse führen zu unzureichendem Denitrifikationsergebnis Bedeutung der ganzheitlichen Betrachtung einer Kläranlage Vorklärung hat Einfluss auf Primärschlammanfall Faulung Gasertrag Vorklärung Primärschlamm Belebung Durchmischung + Belüftung Rezirkulation Rücklaufschlamm Überschussschlamm (nach Gujer, 2007) 24

25 Optimierung von Druckbelüftungssystemen im Betrieb - Beispiel ganzheitliche Optimierung Beispiel Optimierungskonzept VKW Erdinger Moos Ausbaugröße: EW (Winter) / Auslastung: EW Umgesetzte Maßnahmen nach sorgfältiger Grundlagenermittlung: Tausch der Belüfterelemente Erneuerung der Drucklufterzeuger Änderung der Regelung der Drucklufterzeuger Optimierung der Vorklärung Errichtung einer Zehrungszone Anpassung der Rezirkulation Energieeinsparung Gesamtanlage rd. 25 % vorher 35 kwh/(ew a) nachher 24 kwh/(ew a) Ermel und Fricke (2011) 25

26 Optimierung von Druckbelüftungssystemen im Betrieb - Beispiel ganzheitliche Betrachtung Einsparung Gesamtanlage: 2009: 35 kwh/(ew a) => 2011: 24 kwh/(ew a) DWA-A 216 (2013) 26

27 Optimierung von Druckbelüftungssystemen im Betrieb - Beispiel ganzheitliche Betrachtung Einsparung bei der Belüftung: 2009: 12,7 kwh/(ew a) => 2011: 9,1 kwh/(ew a) DWA-A 216 (2013) 27

28 Zusammenfassung Druckbelüftungssysteme: Optimierung von Bemessung und Betrieb Stromverbrauch (Anteil von der Gesamtanlage) Belebungsverfahren % Belüftungssystem: % besondere Beachtung des Belüftungssystems Grundvoraussetzung für die optimale Bemessung sorgfältige Ermittlung der Dimensionierungsgrundlage sorgfältige Bemessung und Planung des Belüftungssystems flexible Auslegung des Belüftungssystems Dimensionierung auf maximalen und minimalen Lastfall Detaillierte und präzise Bemessung Bsp.: lastfallabhängige und begründete Wahl des α-wertes frühzeitige Abstimmung aller Komponenten 28

29 Zusammenfassung Druckbelüftungssysteme: Optimierung von Bemessung und Betrieb Grundvoraussetzung für die Betriebsoptimierung sorgfältige Datenerhebung und Grundlagenermittlung Verlust der Leistungsfähigkeit - meist wenig auffällig Empfehlung: Überwachung der Leistungsaufnahme Überwachung des Druckverlustes regelmäßige Kontrolle des Basenbildes Optimierung der Belüftung: kontinuierlicher Prozess energetische Optimierung = verfahrenstechnische Optimierung ganzheitliche Betrachtung beachten Primärziel einer Kläranlage: Abwasserbehandlung! 29

30 Druckbelüftungssysteme: Optimierung von Bemessung und Betrieb Dr.-Ing. Tobias Günkel-Lange Dr. Born - Dr. Ermel GmbH - Ingenieure Büro Rhein-Main Hahnstraße Frankfurt am Main tgl@born-ermel.de

31 Literatur DWA-Merkblatt (2013): Systeme zur Belüftung und Durchmischung von Belebungsanlagen; Teil 1: Planung, Ausschreibung und Ausführung; (Mai 2013) DWA-Merkblatt 229-2; Systeme zur Belüftung und Durchmischung von Belebungsanlagen; Teil 2: Betrieb; (In Bearbeitung, geplante Veröffentlichung: Mitte/Ende 2014 (?)) Ermel, Fricke (2011): Ermel, G., Fricke, O.; Energieeffiziente Planung von Belüftungssystemen; in: Biologische Abwasserbehandlung im Spannungsfeld zwischen Belüftungseffizienz und Energieverbrauch; 3. Infotag IWAR Abwassertechnik am in Darmstadt Günkel-Lange (2013): Günkel-Lange, T.; Sauerstoffzufuhr und α-werte feinblasiger Belüftungssysteme beim Belebungsverfahren -Abhängigkeiten und Bemessungsempfehlungen; Dissertation; IWAR-Schriftenreihe 221; TU Darmstadt Wagner (2011): Wagner, M., Sander, S., Günkel-Lange, T., Spannungsfeld Belüftung und Energie; in: Biologische Abwasserbehandlung im Spannungsfeld zwischen Belüftungseffizienz und Energieverbrauch; 3. Infotag IWAR Abwassertechnik am in Darmstadt 31

32 Wir planen Zukunft 40 Jahre Erfahrung 160 qualifizierte Mitarbeiter Interdisziplinäre Teamarbeit Regionale Präsenz 6Standorte Beratung Planung Bauleitung Projektsteuerung 32