INIS Statuskonferenz, 20.-21.01. 2015, Hamburg NoNitriNox Planung und Betrieb von ressourcen- und energieeffizienten Kläranlagen mit gezielter Vermeidung umweltgefährdender Emissionen Jens Alex, Angela Boley, Tobias Morck, Barbara Cybulski, Hannes Miehle,... 1
Problemlage Der Betrieb von Kläranlagen zur weitergehenden Abwasserreinigung ist mit erheblichen Kosten und Ressourcenverbrauch verbunden. Energiebedarf (Stromverbrauch) In Zukunft eher verschärft, da die Anforderungen an Kläranlagen weiter zunehmen werden verschärfte Einleitbedingungen zum Schutz der Gewässer im Hinblick auf Ammonium, Phosphat und Gesamtstickstoff sowie die Entfernung von Spurenstoffen. 2
Problemlage Anstrengungen, um den Energiebedarf von Kläranlagen zu minimieren: Flexible Verfahrensgestaltung und Betriebsführung zur Maximierung der Stickstoffelimination (Denitrifikation) Angepasste Regelungskonzepte mit dem Ziel der Minimierung von Belüftungsenergie O 2 -Sollwertabsenkungen optimierte O 2 -Profile ammoniumgeführte Belüftung Nitrat- oder Redoxgeführte intermittierende Belüftung 3
Problemlage All diese Maßnahmen haben ein signifikantes Potenzial zur Verbesserung der Energieeffizienz von Kläranlagen. Es werden jedoch auch Risiken und Nachteile sichtbar: potenziellen Maximierung von NH 4+ -Emissionen, z. B. infolge verminderten Sauerstoffeintrags durch geringere Belüftung, Verschlechterung der Schlammstabilisierung (bei simultaner aerober Stabilisierung) infolge verminderten Sauerstoffeintrags, potenziellen Verschlechterung des Absetzverhaltens des belebten Schlammes und der Entwässerbarkeit des Schlamms Gefahr von erhöhten Emissionen unerwünschter Stoffe 4
Problemlage Gefahr von erhöhten Emissionen Nitritemission (in das Gewässer) durch starke Absenkung der O 2 -Konzentrationen, gezielte oder unbeabsichtigte unvollständige Nitrifikation niedriges, aerobes Schlammalter Lachgasemission (in die Luft) durch Zwischenprodukte wie Nitrit Lachgasemissionen spielen bei einem klassischen Kläranlagenbetrieb normalerweise keine große Rolle (Untersuchungen 90er) aber Maßnahmen zur Energieoptimierung kann zu erhöhten Emissionen führen, Verschlechterung der Umweltbilanz der Kläranlage 5
Vorgehen Gefahr von erhöhten Emissionen bestimmter Stoffen Lösung: energetische Optimierung von Kläranlagen JA, aber Berücksichtigung erhöhter Emissionsrisiken ganzheitliche Betrachtung unter Beachtung von Gasemissionen bzw. von Nebenprodukten der Stickstoffelimination 6
Im Vorhaben sollen zwei wesentliche Ziele erreicht werden: Planungswerkzeuges zur Auslegung und Optimierung von Kläranlagen Einhaltung typischer Anforderungen (Stickstoff-, Phosphor- und Kohlenstoffelimination), Abschätzung des Energieverbrauchs und der Energieerzeugung auch Explizit eine Quantifizierung und Bewertung der Nitrit-, Lachgas- und Methanemissionen berücksichtigt (CO 2 -Emission). Entwicklung von intelligenten Regelungskonzepten, Einhaltung der Ablaufanforderungen und Erreichung einer Energieverbrauchsminimierung auch Reduzierung Risiko von Nitrit-, Lachgas- und Methanemissionen 7
Projektpartner ifak ifak e.v. Magdeburg (Forschungsinstitut) ISWA Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte und Abfallwirtschaft der Universität Stuttgart (Forschungsinstitut) WI ESP Weber-Ingenieure GmbH (Ingenieurbüro) Stadtentwässerung Pforzheim (Kommunaler Betreiber) AVSW Abwasserverband Steinlach-Wiesaz (Kommunaler Betreiber) 8
CSB in mg/l NO 3 - -N in mg/l N 2 O in µmol/l NO 2 - -N- in mg/l NoNitriNox Laborversuche Nitrit und Lachgasbildung Batchversuche Aerob / Anoxisch 3 2 1 0-1 -2 Zugabe NH 4 + -3 0 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 Zeit in h 4 3,5 3 2,5 2 1,5 1 0,5 NO2-N (0.5) NO2-N (1.0) NO2-N (2.0) N2O (l.) (0.5) N2O (l.) (1.0) N2O (l.) (2.0) 25 20 15 10 5 0-5 -10-15 -20-25 Zugabe CSB+NO 3 - Glucose Endogen Na-Acetat Ethanol 0 1 2 3 4 Zeit in h 400 350 300 250 200 150 100 50 9
Halbtechnische, Großtechnische Versuche Nitrit und Lachgasbildung Pilotanlage ISWA Messhauben in Dusslingen 10
Laborversuche auf der Kläranlage Pforzheim Analyse Kohlenstoffquellen zur Denitrifikation CSB, Abbaubarkeit, Nitritbildung 11
Modellbildung Die Entwicklung des Modells basiert auf dem erweiterten ASM3_2step (Kaelin et al. 2009, Wunderlin 2013). Parameter Nitrifikation angepasst an ASMN Systematische Erweiterung auf 3-stufige Denitrifikation Grobabgleich ASM3 und HSG Modellierung der Batchversuche des ISWA, Uni Stuttgart 12
Modellbildung: ASM3extended 13
Modellbildung 2-stufige Nitrifikation: Abstimmung der temperaturabhängigen Wachstumsgeschwindigkeiten der beteiligten Organismen bei der Nitrifikation (Basis ASMN) 14
Modellbildung Abgleich mit ASM3 (HSG): Das erweiterte Modell muss konsistent zu etablierten Modellen sein! 15
Modellbildung Abgleich mit ASM3 (HSG): Das erweiterte Modell muss konsistent zu etablierten Modellen sein! Schlammproduktion Nitrifikation Denitrifikation 16
Modellbildung: Simulation Batchversuche zur Auswertung der Labor-Versuche 17
Großtechnische Anlagen Pforzheim und Dusslingen Modelle mit dem Belebtschlammmodellen ASM3, ASM3extended Betriebsdaten aufbereitet, Versuche vorbereitet, Messungen installiert (März/April) 18
Großtechnische Anlagen Pforzheim und Dusslingen Versuche vorbereitet, Messungen installiert (März/April) 19
Großtechnische Anlagen Pforzheim und Dusslingen Konzepte zur Energieeinsparung: Ammoniumregelung Belüftungsregelung: Luftverteilregelung als Alternative zur Gleitdruckregelung (MOV) 20
Ausblick Großtechnische Versuche / Messungen Modellvalidierung (Labor/Pilot/Großtechnisch) Integration in Planungswerkzeug (Simulationsumgebung) Test unterschiedlicher Regelungskonzepte 21