49. Tagung des Klärwerkpersonals des Kantons Graubünden. Konzept der Energieautarken Kläranlage von der Vision zur Praxisreife

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1 49. Tagung des Klärwerkpersonals des Kantons Graubünden Churwalden/Chur, Konzept der Energieautarken Kläranlage von der Vision zur Praxisreife Dr. Jürg Kappeler

2 Inhalt Vorstellung der Kappeler Concept AG Motivation Von der Idee zur Realisierung Energieautarke Kläranlage im Betrieb Ausblick

3 Vorstellung der Kappeler Concept AG, Chur Leistungen Bauherren- und Betriebsberatung, Verfahrens- und Energieoptimierung Finanzierungsstrategien und Mehrjahresplanung Kosten- und Leistungskontrolle Wir als Bauherrenberater in der Schweiz 30 Kunden, 56 Mandate, Investitionsvolumen > CHF 400 Mio. (Abwasser) Submissionen Generalplanermandate (Ingenieur als Gesamtleiter, Elektroplaner) Projektwettbewerbe ARA Reinach AG, ARA Richterswil ZH, ARA Altstätten SG aktuelle Projekte in Graubünden: Bauherrenberatung IDA Bregaglia Bauherrenberatung ARA Luzisteig

4 Motivation Ausgangslage Kläranlagen grosser Stromverbraucher (BAFU 2012: ca. 450 GWh/a) Förderprogramme wie «EnergieSchweiz für Infrastrukturanlagen» Eigenversorgungsgrad von Kläranlagen bezgl. Elektrizität 40 bis 60% (ohne Zugabe von Fremdschlämmen, Co-Substraten etc.) Eigenversorgungsgrad von Kläranlagen bezgl. Wärme 100% Nuklearkatastrophe in Fukushima 2011 Energiewende (Ausstieg aus Atomenergie, ) Energiestrategie 2050 Herausforderung signifikante Steigerung des Eigenversorgungsgrads bezgl. Elektrizität Zielsetzung: Energieautarkie ohne Co-Vergärung!

5 Von der Idee zur Realisierung Idee für Energiebilanz Feststoffelimination in Vorklärung (Schlammanfall und O 2 -Bedarf in Biologie) ohne Vorfällung ca. 33% CSB-Elimination (z.b. Eigenversorgungsgrad 50%) mit Vorfällung maximal 50% CSB-Elimination (z.b. Eigenversorgungsgrad 60%) Steigerung nur mit Konzeptänderung möglich hervorragende Adsorptionseigenschaften von Belebtschlamm Abklärungen Substitution der Vorklärung durch Hochlast-Biologie Ausbau ARA Seewis Machbarkeitsstudie Pilotversuch

6 Pilotversuch rel. viele Betriebsstörungen (Provisorien, niedrige Aussentemperaturen) Optimierungspotenzial: Vermeidung Schlammabtrieb aus Zwischenklärung

7 Sanierung und Umbau Bauprojekt Konzept/Dimensionierung Kappeler Concept AG, Projektierung Edy Toscano AG Ausbau auf vollständige Nitrifikation für EW Kostenvoranschlag CHF 7 Mio. (exkl. MWSt.), Kosten nicht höher als für konventionellen Ausbau mit Vorklärung Inbetriebnahme Hochlastbiologie Ende 2015, BHKW Frühjahr 2016 Details Rezirkulation von Nitrat (Nitrat-Sonde im Auslauf Hochlastreaktor) Auslegung auch für A/B-Verfahren (Sicherheit, Geruchsemissionen) Hybrid-Biologie (Biotextil) redundante maschinelle Überschussschlammeindickung

8 Sanierung und Umbau Zulaufhebewerk Sand-/Fettfang Rechen interne Rezirkulation P-Fällung P-Fällung Hochlastbiologie Zwischenklärbecken Schwachlastbiologie Nachklärbecken Voreindickung Überschussschlamm Schlammfaulung Schlammstapel Gasometer Blockheizkraftwerk Schlammentwässerung

9 elektrischer Eigenversorgungsgrad [%] Energieautarke Kläranlage Energieautarke Kläranlage im Betrieb Reinigungsleistung erfüllt (vollständige Nitrifikation) Energieautarkie 70% 60% ohne Berücksichtigung der Annahme von Fremdschlamm 50% 40% 30% 20% 10% 0% vor Umbau, altes BHKW Pilotversuch,altes BHKW nach Umbau mit neuem BHKW und Teillastbetrieb ohne Optimierung Biologie heutiger Bertieb mit neuem BHKW und Vollastbetrieb

10 Stromverbrauch Biologie [kwh/ew*a] Energieautarke Kläranlage Energieautarke Kläranlage im Betrieb Energieverbrauch Biologie Anpassung Gebläsesteuerung Richtwert "Handbuch Energie in ARA" für Belebtschlammanlagen: 29 kwh/ew*a Idealwert "Handbuch Energie in ARA" für Belebtschlammanlagen: 22 kwh/ew*a

11 Energieautarke Kläranlage im Betrieb Energieverbrauch ARA exkl. Biologie

12 spez. Stromverbrauch [kwh/kg O 2 ] Energieautarke Kläranlage Energieautarke Kläranlage im Betrieb Garantieabnahme Belüftung Anpassung Gebläsesteuerung Garantiewert: 0.52 kwh/kg O

13 Energieautarke Kläranlage im Betrieb Steuerungskonzept Biologie Steuerung der Rezirkulation über Nitrat Online-Sonde sofern Nitrat-Konzentration in Hochlast nicht ausreichend hoch (z.b. bei Regenwetter mit geringen Rezirkulationsmengen) intermittierende Belüftung Sauerstoffversorgung der Biologie (Hoch- und Schwachlast) über 3 Gebläse (1 Gebläse als Grundlast, 2 weitere zuschaltbar, Betriebsstundenausgleich) Definition des Sauerstoffsollwerts in Schwachlast über gemessene Ammonium-Konzentration mittels Online-Sonde intermittierende Belüftung der Schwachlast

14 Energieautarke Kläranlage im Betrieb Gasproduktion 1 spez. Gasproduktion Nm 3 /kg TS org Literaturwert: 0.45 Nm 3 /kg TS org

15 spez. Gasproduktion [Nm 3 /kg CSB roh ] Energieautarke Kläranlage Energieautarke Kläranlage im Betrieb spezifische Gasproduktion 0.6 vor Umbau: 0.22 Nm 3 /kg CSB roh nach Umbau: 0.31 Nm 3 /kg CSB roh

16 spez. Schlammproduktion [kg TS org /EW*d] Energieautarke Kläranlage Energieautarke Kläranlage im Betrieb Spezifischer Frischschlammanfall ATV-A 131: 52 g TS org /EW*d vor Ausbau nach Ausbau

17 [kg TS/kg CSB roh ] Energieautarke Kläranlage Die energieautarke Kläranlage im Betrieb Klärschlammanfall TS organisch Abbaugrad Organik in Faulug ca. 56% TS anorganisch Abbaugrad Organik in Faulug ca. 64% Frischschlamm Klärschlamm Frischschlamm Klärschlamm konventionelle konventionelle ARA mit Belebtschlammbiologie Vorfällung, t A,VKB = 2.0 h Adsorptionsverfahren AVVP

18 spez. Gasproduktion [Nm 3 /kg CSB roh ] Energieautarke Kläranlage Energieautarke Kläranlage im Betrieb Schlammalter Hochlastbiologie Schlammalter Hochlast- Biologie ca. 0.5 d Sicherheitsfaktor zwischen vor Umbau: 0.22 Nm 3 /kg CSB roh nach Umbau: 0.31 Nm 3 /kg CSB roh

19 spez. Überschusschlammproduktion Hochlastbiologie [kg TS/kg CSB roh ] Sicherheitsfaktor Hochlastbiologie [-] Energieautarke Kläranlage Die energieautarke Kläranlage im Betrieb Betriebserfahrungen keine unerwünschte Adaptation an Hochlastbedingungen beobachtet Einfluss Temperatur resp. SF auf Betrieb Hochlast resp. Schlammanfall 0.6 Überschussschlammabzug Sicherheitsfaktor Jan 16 Apr 16 Jul 16 Okt 16 Jan 17 Apr 17 0 Belebtschlamm Hochlastbiologie nach ca. 300 Generationen, 100-fache Vergrösserung

20 Ausblick Konzept Energieautarkie möglich! Auslegung aufgrund vorhandener Daten und Erfahrungen präzise möglich Erhöhung N-Elimination durch separate Behandlung der Rückläufe Auswirkungen in grösseren Anlagen mit effizienteren Aggregaten höher (Eigenversorgungsgrad elektrisch bis 150%) Gasaufbereitung und -einspeisung bereits bei kleineren Anlagen wirtschaftlich

21 Dank Sponsoren Amt für Natur und Umwelt Graubünden (ANU) Repower AG Bundesamt für Energie (BFE) Energie Schweiz Infrawatt Hartnäckigkeit, Glaube an das Unmögliche und Unterstützung Abwasserverband Vorderes Prättigau