Projekt 21499/01

Entwicklung von energiesparenden und umweltschonenden Belüftungsstrategien für längsdurchströmte Belebungsbecken unter Berücksichtigung von Industrieabwässern

Projektdurchführung

ifak system GmbH
Oststr. 18
39114 Magdeburg

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Die Belüftung längsdurchströmter Belebungsbecken beeinflusst direkt das lastabhängig zeitlich und räumlich ausgeprägte O2-Profil und bestimmt die biologischen Abwasserreinigungsprozesse, insbeson-dere in Kaskaden mit Denitrifikation/Nitrifikation und wahlweise belüfteten Abschnitten (Steuerstufen). Um das O2-Profil ökologisch und ökonomisch sinnvoll einzustellen, muss die Luftzufuhr in den Becken-abschnitten flexibel dem Bedarf angepasst werden. Das mit der vorhandenen Technik gegebene Poten-zial soll energiesparend und umweltschonend genutzt werden, wobei die Betriebssicherheit und die Ein-haltung der Ablaufwerte Priorität haben. Die Belüftung ist der Ansatzpunkt zur Verfahrensoptimierung sowie zur gezielten dauerhaften Einsparung von Energie und damit zur Umweltentlastung durch Verrin-gerung der CO2-Emission.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenAm detaillierten Simulationsmodell werden geeignete Kombinationen von Betriebseinstellungen (statische Konzepte) für typische Abwasserzulaufsituationen untersucht und darauf aufbauende Regelungen entwickelt, um ein optimales O2-Profil zu finden und einzustellen. Die Ergebnisse werden unter ökologischen und ökonomischen Gesichtspunkten in Abgrenzung zum Stand der Technik bilanziert.
Ausgewählte Einstellungen werden auf einer Kaskadenanlage großtechnisch erprobt.
Die Übertragbarkeit der entwickelten energiesparenden und umweltschonenden Belüftungsstrategie auf vergleichbare kommunale und industrielle Kläranlagen mit Druckbelüftung und längs durchströmten Be-lebungsbecken wird am Beispiel einer Benchmarkanlage mit vorgeschalteter Denitrifikation untersucht.


Ergebnisse und Diskussion

Deutliche ökologische und ökonomische Effekte werden mit statischen Konzepten erzielt:
- eine kontinuierliche aber gedrosselte Belüftung von ausgewählten Steuerstufen bei gleichzeitiger Senkung der O2-Sollwerte der Nitrifikationszonen reduziert den Luftverbrauch der Beispielanlage wirksam um bis zu 15 % (Reduzierung der CO2-Emission um ca. 1 Mio. kg CO2-Äquivalent/Jahr)
- NH4-N im Ablauf der Belebung wird außerdem gesenkt und durch Ausnutzung der simultanen Denitrifikation in den Steuerstufen kann die Denitrifikationsleistung beibehalten werden
Eine zusätzliche Reduzierung des Luftverbrauchs und von NH4-N im Ablauf erzielt eine NH4-Regelung zur lastflexiblen Führung der O2-Sollwerte in Kombination mit gedrosselt belüfteten Steuerstufen:
- lastflexible Regelungen sind effektiv wenn sie auf den gefundenen statischen Konzepten aufsetzen
- eine automatische Umschaltung der Steuerstufen vermindert NO3-N- und Nges-Spitzen im Ablauf der Belebung; eine Kombination mit der NH4-Regelung im Ablauf der Belebung ist sinnvoll

Die hergeleitete Kenngröße Verlustluftmenge eignet sich zur Lokalisierung des Potenzials zur Reduzierung der Luftmengen für die einzelnen belüfteten Abschnitte von Belebungsbecken:
- eine effizientere Belüftung durch Reduzierung der Verlustluftmenge beeinträchtigt die N-Elimination nicht
- der Ansatz zur Einbindung der Kenngröße Verlustluftmenge in ein innovatives MSR-Konzept (Steuerung der Sauerstoffkonzentrationen im Längsprofil) sollte weiter verfolgt werden

Über die Zielsetzung hinaus wurde auch ein aussichtsreiches Konzept zur lastflexiblen Zulaufaufteilung für Kaskadenanlagen zur Reduzierung von NH4-N-Ablaufspitzen bei Frachtstößen untersucht.

Die Übertragung auf das weit verbreitete Abwasserreinigungsverfahren vorgeschaltete Denitrifikation durch dynamische Simulation einer Benchmarkanlage war erfolgreich, Grenzen wurden aufgezeigt:
- nur bedingt anwendbar bei sehr hoher Belastung und deutlich erhöhtem TKN : CSB-Verhältnis sowie bei industriell bzw. gewerblich beeinflusstem Zulauf mit überdurchschnittlicher TKN-Belastung
- anwendbar auf kommunalen Kläranlagen in Deutschland bei üblicher CSB/ TKN-Belastung
- und auch bei Abwasser mit relativ hohem CSB-Gehalt mit ausreichendem leicht abbaubaren Anteil (z. B. bei industriellem oder gewerblichem Einfluss)

Die großtechnische Erprobung ausgewählter Einstellungen auf eine Kaskadenanlage bestätigt, dass die Reduzierung der erforderlichen Luftmengen, die Anlagenstabilität sowie die Ablaufwerte sehr gut sind.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

Zielsetzung, Arbeitsschritte und erste Ergebnisse wurden im Mai 2006 auf dem 13. SIMBA-Anwendertreffen Siedlungswasserwirtschaftlern und Regelungstechnikern präsentiert. Auf der Gemein-schaftstagung Mess- und Regelungstechnik in abwassertechnischen Anlagen der DWA und der VDI/VDE-Gesellschaft Mess- und Automatisierungstechnik (GMA) im November 2007 in Wuppertal wurden wesentliche Ergebnisse in einem Vortrag, im Poster und im Tagungsband vorgestellt. Auch als Aussteller wichtiger Messen im In- und Ausland (z.B. IFAT 2008 in München) werden Ergebnisse vorgestellt.


Fazit

Die Zielsetzung wurde erreicht. Mit optimierten Einstellungen an Kläranlagen kann dauerhaft Energie eingespart und ein Beitrag zur Umweltentlastung erbracht werden. Für Kaskadenanlagen hat sich die Kom-bination einer kontinuierlichen, gedrosselten Belüftung von Steuerstufen bei gleichzeitiger Senkung der O2-Sollwerte in den Nitrifikationszonen als wirksam erwiesen.
Die umfangreichen dynamischen Simulationsuntersuchungen zur Optimierung der Belüftung am detaillierten Modell und die anschließende Erprobung ausgewählter Einstellungen in der Praxis sind ein ver-nünftiger systematischer Weg, auch um Kosten und Risiken zu minimieren. Die Untersuchungen zeigen auch, dass eine sorgfältige Planung der Steuerung/Regelung auf Kläranlagen unter dynamischen Ge-sichtspunkten erfolgen muss.
Die Ergebnisse sind auf andere Kläranlagen übertragbar, sie erfordern aber fundierte Untersuchungen zur genauen Ausprägung des optimalen O2-Profils für jede einzelne Anlage. Um das einzustellen und eine effiziente Belüftung zu gewährleisten, wird für das weitere Vorgehen empfohlen, ein allgemeingültiges Konzept zur lastabhängigen Steuerung der Sauerstoffkonzentrationen zu entwickeln und zu testen.