Beispiele
Energieeinsparungen im Anlagenbetrieb
Die Kläranlage ist meist der größte kommunale Stromverbraucher. SEIBERT-ERLING, 2007 nennt als typischen Anteil 31% am Stromverbrauch einer Kommune, also mehr noch als Straßenbeleuchtung (25%) und Schulen (24%). Durch entsprechende Optimierung lassen sich 40 bis 60% des Strombezugs einer Kläranlage einsparen MITSDOERFFER & CHRIST, 2008.
Die Energieeinsparpotenziale einer Kläranlage liegen vor allem in der aeroben Biologie. Allein auf die Belebungsstufe entfallen 50 bis 70% des Energieverbrauchs in Kläranlagen. Eine tiefere Analyse der Möglichkeiten und Grenzen zur Energieeinsparung durch Verbesserungen der Belüftung und Umwälzung der Belebungsbecken ist daher immer geboten. Grundsätzliche Hinweise zur Belüftung können ATV-DVWK-M 265, 2000 entnommen werden.
Der schnellste Weg zur Verbesserung der Energieeffizienz führt hier über sparsame Gebläse (Sauerstoffertrag ≥ 2,5 kg O2/kWh) und Rührwerke (ausreichende Sohlgeschwindigkeit des Abwassers mit Energieeintrag ≤ 2 W/m³ Beckenvolumen), siehe z.B. WAGNER, 2001, CORNEL et al., 2006, WAGNER et al., 2007. Kommen dabei noch intelligente Regelstrategien zum Einsatz, können deutlich höhere Energieeinsparungen erzielt werden. PATT & SÖHNGEN, 2003 berichten über Energieeinsparungen von bis zu 40%, wobei oft sogar noch eine Verbesserung der Ablaufwerte eintritt (MARTENS et al., 2005).
Auch die Entkopplung des Sauerstoffeintrags und der Umwälzung des belebten Schlamms führt in aller Regel zu Energieeinsparungen. Auf einer untersuchten Kläranlage wird die erforderliche Sohlgeschwindigkeit zur Vermeidung der Belebtschlammabsetzung durch Energieeintrag über die Belüftung aufrechterhalten. Damit müssen die Belüftungseinrichtungen rund um die Uhr, also auch bei zulaufbedingt geringem Sauerstoffbedarf, mit voller Leistung arbeiten. Die Konzentration des Gelöstsauerstoffs im Belebungsbecken steigt weit über den Sollwert; es wird Sauerstoff eingetragen, der von den Mikroorganismen nicht benötigt wird. Weil die Belüftungseinrichtungen von den Herstellern auf optimalen Sauerstoffertrag "getrimmt" sind, wird der belebte Schlamm mit den Belüftern keineswegs mit besonderer Energieeffizienz in der Schwebe gehalten. Werden dagegen Sauerstoffeintrag und Umwälzung des belebten Schlamms entkoppelt, könnten die Belüfter dem realen Sauerstoffbedarf angepasst, d.h. ohne Gefahr des Absetzens des Belebtschlamms abgeschaltet werden. Allein damit wäre eine Energieeinsparung von 30% möglich.
Eigene Energiegewinnung
Nutzung der chemischen Energie des Abwassers
Organisch belastetes Abwasser trägt ein chemisch gebundenes energetisches Potenzial, das mit dem Parameter CSB gemessen werden kann.
"Der CSB kann als Energieparameter gedeutet werden, so dass der Energieerhaltungssatz angewendet werden kann. Über längere Zeiträume, in denen sich der Ablauf-CSB nur wenig geändert hat (keine Änderung des CSB im Anaerobreaktor), muss gelten:
CSB-Abbau = CSB-Gas + CSB-ÜS
Der CSB im Biogas ist bei der Methanisierung (H2-Gehalt sehr gering) ausschließlich im Methan enthalten; CO2 hat keinen CSB. Der CSB des Methans kann auf Grund der Oxidationsreaktion berechnet werden:
CH4 + 2 O2 → CO2 + 2 H2O
d. h. je Mol CH4 (= 22,4 Nl) sind 2 Mol Sauerstoff (= 64 g O2) erforderlich. 1 g CSB entspricht daher 22,4 : 64 = 0,35 Nl CH4. Unter der Annahme, dass ca. 10 % des abgebauten CSB in Biomasse umgewandelt werden, entstehen aus 1 kg abgebautem CSB ca. 320 Nl Methan." ATV-Fachausschuss 7.5, 1993.
Daraus ergibt sich für kommunales Abwasser, unter Annahme einer einwohnerspezifischen CSB-Fracht von 120 g/d und einem Methanbrennwert von 11,1 kWh/m³ ein spezifischer Energiegehalt von rund 140 kWh/EW.*a.
Im industriellen Bereich werden z.T. weitaus höhere CSB-Konzentrationen als im kommunalen Bereich erreicht. Hier kann dieses Potenzial insbesondere durch anaerobe (Vor-) Behandlung von organisch hochbelasteten Abwasserströmen und/oder durch die Klärschlammfaulung erschlossen werden.
Umstellung von aerober Stabilisierung auf Faulung
In nahezu allen Veröffentlichungen, die sich mit der Energieeffizienz in der Abwasserbehandlung auseinandersetzen, wird die Frage „simultane aerobe Schlammstabilisierung vs. getrennte anaerobe Schlammstabilisierung“ thematisiert (GRÄGEL, 2010, DOHMANN & SCHRÖDER, 2011, GRETZSCHEL et al., 2012 usw.).
Galt hier bis vor wenigen Jahren noch der Grundsatz, dass Nassvergärungsanlagen für Klärschlamm mit Biogasverwertung erst ab einer Anlagengröße von 30.000 EW wirtschaftlich zu betreiben sind, kann dies heute auch auf mittleren und kleinen Kläranlagen erwogen werden. Nach DOHMANN & SCHRÖDER, 2011 „… kann generell festgestellt werden, dass Faulanlagen bereits bei Ausbaugrößen ab 10.000 EW oder sogar darunter wirtschaftlich sein können.“
Dass die Umstellung auf Klärschlammfaulung unter entsprechenden Rahmenbedingungen bereits ab einer Ausbaugröße von 10.000 EW wirtschaftlich darstellbar sein kann, wird auch von GRETZSCHEL et al., 2012 bestätigt.
Bei den meisten Kläranlagen geht es aber nicht um einen Neubau. Es stellt sich vielmehr die Frage, ob es sich rechnet, eine nach dem Verfahren der aeroben Stabilisierung gebaute Kläranlage auf Faulung umzurüsten.
Soweit ein Übergang von der simultanen aeroben Schlammstabilisierung zur getrennten anaeroben Schlammstabilisierung geplant ist, betreffen erforderliche Umbauten nicht nur die Schlammbehandlung. Die Umstellung hat auch Konsequenzen für die Abwasserreinigung bis hin zur Wärmebilanz des gesamten Klärwerks. Während bei Anlagen mit simultaner aerober Schlammstabilisierung meist nur eine Schlammspeicherung mit statischer Eindickung und Trübwasserabzug vorhanden ist, wird bei Anlagen mit getrennter anaerober Schlammstabilisierung sinnvollerweise der biologischen Stufe ein Vorklärbecken vorangestellt (SCHREFF, 2010, SCHMITT et al., 2010, SCHMITT et al., 2011, GRETZSCHEL et al., 2012). Das erforderliche spezifische Volumen des Belebungsbeckens ist bei Anlagen mit Faulung geringer als bei Anlagen mit aerober Schlammstabilisierung. Von daher kann in den meisten Fällen freiwerdendes Beckenvolumen zur Einrichtung der erforderlichen Vorklärung umgewidmet werden.
Zu den notwendigen Optimierungsmaßnahmen gehören unter anderem der Bau einer Vorklärung (oftmals durch den Einbau ins Belebungsbecken realisierbar), je nach Belastungssituation die Reduzierung des Belebungsbeckenvolumens und grundsätzlich die Anpassung der Belüftung und des TS-Gehalts in der Belebung (Schlammalter reduzieren). Werden diese Maßnahmen nicht umgesetzt, sinkt die wirtschaftliche Effizienz der Faulung wegen zu geringen Gasertrags. (MÜLLER et al., 2009)
Zum Schutz der zu betreibenden Faulung vor mechanischen Störungen sind auch ein ordnungsgemäß funktionierender Rechen und Sandfang erforderlich, was nicht auf allen Anlagen mit aerober Stabilisierung gegeben ist (SCHMITT et al., 2011).
Bei der getrennten anaeroben Schlammstabilisierung wird der organische Teil des Rohschlamms durch die Prozesse - Hydrolyse, Versäuerung, Acetogenese und Methanogenese - in Faulgas umgewandelt. Dabei wird der eingebaute Stickstoff als Ammonium wieder freigesetzt und gelangt mit dem Zentrat oder Filtrat aus der Schlammentwässerung in den Behandlungskreislauf zurück. Diese Rückbelastung erhöht die N-Zulauffracht i.d.R. um 15 bis 20%, wobei hier oft Spitzenbelastungen auftreten können (SCHREFF, 2010). Bei zweistufigen Kläranlagen oder bei Annahme von Fremdschlämmen oder Co-Substraten kann dieser Faktor sogar auf über 20 % ansteigen. (SCHREFF, 2011)
Das hochbelastete Abwasser aus der Schlammbehandlung fällt unregelmäßig an. Aus diesem Grund ist es sinnvoll eine Speicherung und Vergleichmäßigung vorzusehen. Bei ungünstigen Randbedingungen (z. B. hohes N/BSB5-Verhältnis im Rohabwasser) ist sogar eine getrennte Behandlung im Nebenstrom empfehlenswert. Eine mögliche biologische Behandlungsvariante ist das SBR-Verfahren (z. B. auf der Kläranlage Balingen). Die Behandlung kann aber auch im Wege der Nitritation/Denitritation (Shortcut nitrification-denitrification), Deammonifikation oder auch durch Luft- bzw. Dampfstrippen oder MAP-Verfahren erfolgen (SCHREFF, 2011).
Der spezifische Wärmebedarf von Kläranlagen mit separater Schlammfaulung ist verfahrensbedingt höher als bei simultaner aerober Schlammstabilisierung. Das Aufheizen des Rohschlamms verursacht etwa 70% des gesamten Wärmebedarfs dieser Kläranlagen, ca. 20% entfallen auf den Wärmeverlust des Faulbehälters, und nur rund 10% werden für das Beheizen von Betriebsgebäuden und Werkstätten benötigt. (KOLISCH et al., 2010).
Ein nicht zu unterschätzender Vorteil der Umstellung auf Faulung liegt darin, dass die zu entsorgende Menge an Faulschlamm am Ende der Verfahrenskette bei der Faulung etwa 30% geringer ist als die Schlammenge, die bei aerober Stabilisierung entsorgt werden muss (GRETZSCHEL et al., 2012).
Nutzung der Wärmeenergie des Abwassers
Abwasser enthält wertvolle Energie, die mit Hilfe einer Abwasserwärmenutzung erschlossen werden kann. MERTENS, 2008 berichtet über ein innovatives Konzept der Stadtentwässerung in Ludwigshafen: Die Abwärme des Hauptsammlers heizt das Gebäude der Stadtentwässerung. Installiert wurden ein Wärmetauscher direkt im Abwasserkanal sowie 2 Wärmepumpen und die entsprechende Steuerungstechnik. Den Löwenanteil der Kosten von insgesamt 180.000,00 € machten die Kosten für den Wärmetauscher aus (89.000,00 €). Die Wärmepumpen haben eine Leistungszahl zwischen 3,4 und 4,4; das heißt, dass mit 1 kW elektrischer Leistung jeweils 3,4 bis 4,4 kW Heizleistung erzeugt werden. Die Energiekosteneinsparung wird mit rund 35 Prozent im Vergleich zur Situation vor Errichtung des Wärmepumpensystems angegeben. Die Veröffentlichung von CHRIST & MITSDOERFFER, 2008 enthält ähnliche Ansätze. SCHMID, 2006 zeigt an einem Beispiel in der Schweiz wie Abwasserwärme durch Wärmepumpen auf der Kläranlage genutzt werden kann. Dabei wird rund 70% der für die Klärschlammtrocknung benötigten Energie aus gereinigtem Abwasser gewonnen.
Die Schlammbehandlung ist ohnehin ein wichtiger Ansatzpunkt der Energieeinsparung und -gewinnung auf Kläranlagen. Das Erneuerbare Energien Gesetz (EEG) hat der Vergärungstechnologie einen Schub verliehen. Neben Klärschlamm werden heute auch Speisereste, Flotatfette und andere Stoffe erfolgreich zu Biogas und in BHKW in Elektroenergie umgewandelt. Für die Vergärung von Abwasser des Süßwarenherstellers STORCK gibt z.B. DRABER, 2005 an, dass aus ca. 6 bis 7 t CSB/d im Mittel etwa 3000 m³/d Biogas erzeugt werden, mit denen wiederum täglich etwa 8000 kWh elektrische Energie erzeugt werden. Weitere lesenswerte Beiträge hierzu sind HELM, 2005, DICHTL, 2006, LANGHANS, 2000, NUMRICH, 2006, PANTHER, 2008 oder WEWELER, 2008.
TUVESSON & GUNNARSSON, 2008 berichten über die energetische Ertüchtigung einer Kläranlage in Schweden: Ein Belüfter wurde auf Biogasantrieb umgerüstet, dessen Abwärme zu Heizzwecken genutzt. Der Trockensubstanzgehalt des Rohschlamms wird mittels Zentrifugen von 6% auf 12% verdoppelt, damit halbiert sich der Bedarf an Wärmeenergie zur Heizung der Faulbehälter. Überschüssiges Biogas wird verkauft.
Selbst der Einsatz von Photovoltaik ist inzwischen auf Kläranlagen etabliert: Auf der Kläranlage Dresden-Kaditz wurden Solarzellen mit einer Fläche von 1900 m² auf der Abdeckung von Rückhaltebecken angebracht. Diese Anlage ist mit einer installierten Spitzenleistung von 190 kWp seit April 2004 in Betrieb. Auch auf der Kläranlage Balingen wurde eine Photovoltaikanlage mit einer Spitzenleistung von 20 kW elektrisch installiert (HABERKERN et al., 2008).
In Einzelfällen werden sogar bereits Brennstoffzellen auf Kläranlagen eingesetzt. Mit Brennstoffzellen können deutlich höhere elektrische Wirkungsgrade als mit Blockheizkraftwerken (35 bis 40%) bei etwa vergleichbaren Gesamtwirkungsgraden erreicht werden. Darauf weisen SCHMID-SCHMIEDER, 2008 und SEIBERT-ERLING, 2008 hin. Die chemische Energie des Brennstoffs Biogas kann direkt in elektrische Energie umgewandelt werden, ohne den Umweg über die thermische Energie nehmen zu müssen. Als Vorzugslösung wird nach gegenwärtigem Stand die Phosphorsäurebrennstoffzelle PAFC empfohlen.
Neben der Belüftung und den Abwasser- und Schlammpumpwerken sollten auch die Heizung/Kühlung sowie der Stromliefervertrag und Abrechnung unter die Lupe genommen werden (SEIBERT-ERLING/ETGES, 2007).
Das Thema Energieeffizienz von Kläranlagen bleibt spannend. Ständig werden neue Erkenntnisse und Erfahrungen veröffentlicht, in jüngster Zeit z.B. THÖLE et al., 2011, MITSDOERFFER & CHRIST, 2012, RYGULA & BAUER, 2013. Dies zu verfolgen und auf der eigenen Anlage anzuwenden, lohnt sich nicht nur für die Umwelt, sondern auch für den Geldbeutel.
Auf dem Wege der dynamischen Kläranlagensimulation können verschiedenste Optionen für die die Optimierung der Kläranlage simuliert werden, z.B. die Optimierung der Belüftung im Belebungsbecken.
Literatur
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