Optimale Planung im Anlagenbau sorgt für effiziente Abwasserreinigung
Die biologische Reinigung im Belebungsbecken ist nicht nur der zentrale Schritt bei den vorherrschenden Verfahren zur Abwasseraufbereitung, er ist auch der energieintensivste. Wollen Betreiber die energetische Bilanz ihrer Kläranlage verbessern, dann stellt die Optimierung der Belüftung des Belebungsbeckens einen der größten Gestaltungsspielräume dar. Die richtige Dimensionierung der Belüfter, die Auswahl der passenden Technologien und die intelligente datengeführte Steuerung des Betriebs im Belebungsbecken stehen daher im Fokus beim Anlagenbau. Energieverbrauch und Emissionen lassen sich durch eine integrierte Planung bei Neuprojektierung und Sanierung deutlich reduzieren
Faktoren für eine effiziente Abwasserreinigung
Damit der ganzheitliche Prozess der Abwasserreinigung erfolgreich sein kann, müssen alle relevanten Zieldimensionen ausreichend berücksichtigt werden:
- Reinigungsleistung
- Betriebsstabilität
- Kosten
Als Maß für die Qualität der Abwasseraufbereitung hat die Reinigungsleistung bei einer Kläranlage höchste Priorität. Schließlich gilt es, geltende gesetzliche Grenzwerte einzuhalten, die je nach Verwendung des geklärten Wassers noch über die Mindestanforderungen der Abwasserverordnung hinausgehen können. Vor einem ähnlichen Hintergrund ist die Stabilität des Betriebs zu sehen. Die Kläranlage muss die geforderten Leistungsdaten auch bei Stoßbelastungen erreichen. Technik, die ihre Lebensdauer überschritten hat und Fahrweisen mit hohem Materialverschleiß können dies jedoch gefährden.
Die Energiekosten sind beinahe der einzige Kostenfaktor, der im täglichen Betrieb einer Kläranlage maßgeblich beeinflusst werden kann. Weitere Kosten, etwa für das Betriebspersonal oder Wartung, sind als weitestgehend fix anzusehen. Beim Neubau einer Anlage fallen bereits in den frühen Phasen maßgebliche Entscheidungen für den späteren Energiebedarf. Bei einem bundesweiten Bestand von rund 10.000 kommunalen Kläranlagen ist der Neubau allerdings die klare Ausnahme.
Der Austausch von Anlagenteilen ist daher wesentlich häufiger der Fall. In der Praxis geschieht dies meist aber erst, wenn der Ersatz defekter Technik notwendig wird, in den wenigsten Fällen tatsächlich „nur“ zur Optimierung der Kostenstrukturen. Wer die laufenden Kosten des Abwasserbetriebs wirksam senken will, der kann dennoch am Energiebedarf ansetzen, wo sich selbst ohne einen Austausch größerer Anlagenteile deutliche Verbesserungen erzielen lassen.
Die Auslegung der Anlagenkonfiguration und die Wahl der Betriebsparameter wirken sich auch auf andere wichtige Faktoren wie die Art und Menge des Klärschlamms und die Möglichkeiten der Nährstoffrückgewinnung aus.
Abwasseraufbereitung: Energetische Aspekte
Wastewater treatment plants account for around 20 percent of the energy consumption of municipal facilities. This shows what a beneficial impact energy savings can have on a municipality's finances. However, the fact that wastewater treatment is energy-intensive and therefore represents a large savings potential is also true of commercial plants. In addition to the financial perspective, there is the ecological perspective: In a study conducted by the Federal Environment Agency, operators can achieve average savings of 30 percent without investing in new machinery, thus avoiding emissions of around 900,000 tonnes of CO2 per year.
Die Belüftung des Abwassers im Belebungsbecken, wo die biologische Reinigung abläuft, verursacht ca. 50 Prozent des Energieverbrauchs einer Kläranlage. Dazu kommen die ständig laufenden Pumpen und bei Anlagen mit Klärschlammbehandlung kontinuierlich betriebene Rührwerke. Die anderen Prozessstufen haben jeweils einen relativ geringen Anteil am Gesamtenergieverbrauch und haben dementsprechend einen geringeren Stellenwert bei Optimierungsprojekten im Anlagenbau.
Kläranlagen sind aber nicht nur Energieverbraucher, sondern in vielen Fällen auch Energieerzeuger. Die Kläranlagen der Größenklassen 4 und 5, die in Deutschland den größten Teil der Bevölkerung bedienen (EGW), pumpen den Klärschlamm (ein Nebenprodukt der Abwasserreinigung) in sogenannte Faultürme. Unter Zufuhr von Wärmeenergie entsteht bei der Zersetzung der organischen Bestandteile des Schlamms thermisch verwertbares Faulgas.
Blockheizkraftwerke wandeln das Gas in Strom und Wärme um. Die Senkung des Energiebedarfs ist daher nicht der einzige Ansatzpunkt zur Effizienzverbesserung. Darüber hinaus besteht ein großes Potenzial darin, die eigene Strom- und Wärmeausbeute zu erhöhen und damit den externen Zukauf von Energie für den Betrieb von Gebläsen, Pumpen und Rührwerken sowie für die Beheizung des Faulbehälters zu reduzieren. Auch für diesen umfassenden Ansatz beim Anlagenbau bietet AERZEN Lösungen und Konzepte und integriert die Energiegewinnung in die Planung.
Die Belüftung als Schwerpunkt beim Anlagenbau
Die für die biologische Reinigung erforderliche Belüftung des Belebungsbeckens verursacht bei großen Abwasserbetrieben rund 50 Prozent des gesamten Energieverbrauchs, bei kleineren Anlagen liegt der Anteil tendenziell sogar noch höher. Die Bemühungen zur Senkung der Betriebskosten sollten daher hier ansetzen. Egal ob Neuplanung oder Ersatzinvestition: Durch die fachmännische Abstimmung der Anlagenkonfiguration auf die individuellen Erfordernisse der Kläranlage lassen sich deutliche Verbesserungen erzielen. Gebläsetechnologie, Anzahl und Größe der einzelnen Gebläse und deren intelligente Steuerung bieten erhebliche Gestaltungsspielräume. Die Aerzener Maschinenfabrik AERZEN arbeitet seit Jahrzehnten eng mit Betreibern von Kläranlagen zusammen und hat speziell diese Anforderungen in die Produkt- und Lösungsentwicklung aufgenommen.
Um Kunden bei der allgemeinen Optimierung ihrer Belüftung zu unterstützen, bietet AERZEN im Rahmen des Performance3-Konzepts nicht nur hochentwickelte Gebläsetechnik, sondern auch die entsprechende Steuerungssoftware und das Know-how für die Koordination des Systems. AERZEN unterstützt Sie bereits während der Planungsphase und arbeiten arbeitet gemeinsam mit dem Kunden entsprechende Konzepte Entwürfe aus. Die Erfahrung aus vielfältigen Projekten und die eigens ausgearbeiteten Planungshilfen verhelfen dabei zu einer schnellen, umsichtigen und zukunftssicheren Lösungsfindung.
Die Wahl des Belüftungssystems legt den Energiebedarf der biologischen Reinigungsstufe über eine beträchtliche Zeit fest. Denn die Gebläsestationen können oft erst im Rahmen einer Ersatzinvestition erneuert werden. In beiden Planungsfällen, d.h. Neubau und Sanierung, ist es daher entscheidend, die optimale Technologie und das geeignete Modell zu wählen. Verschiedene Gebläsetechnologien weisen technisch bedingt unterschiedliche Betriebscharakteristiken auf und auch die Größe der einzelnen Aggregate spielt eine wichtige Rolle.
AERZEN bietet seinen Kunden das Drehkolbengebläse vom Typ Delta Blower, Drehkolbenverdichter der Reihe Delta Hybrid und das Turbogebläse Aerzen Turbo an. Während die Turbogebläse im Auslegungspunkt besonders energieeffizient arbeiten, ist ihr Lastbereich weniger breit als bei anderen Technologien. Im Gegensatz dazu zeichnet sich die Drehkolbenmaschine durch einen größeren Regelbereich aus. Das System kann deswegen besonders effizient mit wechselnden Lasten umgehen, weil die Effizienz in allen Betriebspunkten nahezu gleich bleibt.
Das bedeutet, dass verschiedene Gebläsetechnologien mit je individuellen Stärken zur Verfügung stehen; die Aufgabe des Anlagenplaners ist es, diese so zu einem Belüftungssystem zu konfigurieren, dass sie ihre Stärken kombinieren und alle Lastprofile optimal bedienen. Die Möglichkeit, Aggregate verschiedener Baugrößen zusammen zu betreiben und verschieden anzuordnen, schafft weitere Planungsfreiheiten. Bei der Analyse der Verbräuche und Lastgänge unterstützen Sie unsere die AERZEN Anwendungsspezialisten, um Ihnen eine Datengrundlage für weitere Planungen zu geben.
Um optimal von diesem Flexibilitätsgewinn profitieren zu können, ist jedoch eine ausreichende Datengrundlage erforderlich. Denn fehlende Informationen über die Betriebszustände der relevanten Anlagenteile und die Lastcharakteristik des Klärbetriebs erschweren die Realisierung der Potenziale der modernen Anlagentechnik.
Ist die Anlagenfahrweise von Klärbetrieben bisher generell stark von Erfahrungswerten des Personals geprägt, so erfordert die Nutzung der bestehenden Effizienzpotenzale ein Umdenken. Das trifft besonders auf die Belebungsstufe zu. Denn wechselnde Lasten und Gebläsestationen, die sich aus Aggregaten verschiedener Charakteristiken zusammensetzen, machen intelligente datenbasierte Steuerungen notwendig. Die Überwachung der Leistungsaufnahme der energieintensivsten Anlagenteile und die Messung von Druckverlusten sind eine Voraussetzung für die Energieoptimierung und die frühzeitige Erkennung von Störungen. Vor allem in kleineren Kläranlagen zählt die Datenerfassung aber noch nicht zum Standard. Die sinkenden Preise für entsprechende Messtechnik erleichtern jedoch die Nachrüstung.
Bei der Neukonfiguration der Gebläsestation und der Festlegung der individuellen Steuerstrategie stellt die Datenerfassung einen integralen Bestandteil des Planungsprozesses dar. Bei einem AERaudit erfassen die Experten von AERZEN die Entwicklung von Volumenstrom, Anlagendruck, Temperaturen und Stromverbrauch im Zeitverlauf. Diese Daten lassen umfassende Analysen des Lastprofils des Belebungsbeckens zu. Davon ausgehend entwickeln die Spezialisten für den Anlagenbau ein optimal auf die individuellen Eigenschaften des Klärbetriebs angepasstes Anlagenkonzept. Das Ziel dabei: Die vorteilhafte Ergänzung der Charakteristiken der unterschiedlichen Gebläsetechnologien und Aggregategrößen.
Welches Gebläse des Verbunds bei gegebener Gesamtlast der Kläranlage in welchem Betriebspunkt arbeiten soll, das gibt die Anlagensteuerung vor. Das integrierte Steuerungssystem AERsmart verteilt den Volumenstrom so auf die einzelnen Maschinen, dass deren Wirkungsgrad möglichst optimal ist. Auf Lastwechsel mit hohem Abwasseraufkommen und hohen Verschmutzungsgraden kann die Steuerung damit frühzeitig reagieren. Bis zu 15 Prozent Energieeinsparung kann die Verbundsteuerung erreichen. Die Belüftungsenergie können Anlagenbetreiber um bis zu 50 Prozent reduzieren, wenn sie dazu auf modernste Gebläsetechnologie setzen. Entscheidend ist jedoch immer die Entwicklung eines stimmigen Gesamtkonzepts durch den Anlagenbauer.
Durch die energetische Optimierung der Belüftung können die Energiekosten und Emissionen einer Kläranlage erheblich gesenkt werden. In der Praxis gestaltet sich vor allem bei kommunalen Einrichtungen die Umsetzung oft schwierig. Denn obwohl sich Investitionen in die Gebläsetechnik aufgrund der hohen Effizienzgewinne schnell amortisieren, stellt die Mittelfreigabe ein Hindernis für die Umsetzung dar.
Die Erneuerung der Gebläsestation können Anlagenbauer oft erst im Rahmen einer ohnehin notwendigen Ersatzbeschaffung durchsetzen. Dies macht Performance3 von AERZEN besonders flexibel, so dass alle Kläranlagen ihre Energieeffizienz verbessern können. In die smarte Verbundsteuerung lassen sich neben den modernsten Gebläsetechnologien aus dem eigenen Portfolio genauso bereits vorhandene Aggregate von Fremdherstellern einbinden. Selbstverständlich kann die Steuerungseinheit auch eine einzelne Maschine verwalten. Selbst Anlagenbetreiber, denen mittelfristig kein vollständiger Ersatz der Belüftungseinheit möglich ist, können so Verbesserungen der Energieeffizienz im zweistelligen Prozentbereich erzielen.
