Optimale Planung im Anlagenbau sichert die effiziente Abwasseraufbereitung

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

Entscheidend für die ganzheitlich erfolgreiche Arbeit des Klärbetriebs ist, dass alle maßgeblichen Zieldimensionen ausreichende Berücksichtigung finden:

  • Reinigungsleistung
  • Betriebsstabilität
  • Kosten

Die Reinigungsleistung als Maß für die Qualität der Abwasserbehandlung stellt die oberste Priorität bei einer Kläranlage dar. 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.

Im laufenden Betrieb der Abwasseranlage stellen die Energiekosten nahezu den einzigen signifikant beeinflussbaren Kostenfaktor dar. 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 Gestaltung der Anlagenkonfiguration und die Wahl der Betriebsparameter haben daneben Auswirkungen auf weitere wichtige Faktoren wie Beschaffenheit und Menge des Klärschlamms sowie die Möglichkeiten zur Nährstoffrückgewinnung.

Abwasseraufbereitung: Energetische Aspekte

Kläranlagen machen rund 20 Prozent des Energieverbrauchs kommunaler Einrichtungen aus. Das zeigt, welchen wohltuenden Einfluss Energieeinsparungen auf die Finanzen der Kommune haben können. Dass die Abwasserklärung energieintensiv ist und daher ein großes Einsparpotenzial darstellt, gilt aber genauso für gewerbliche Anlagen. Zur finanziellen Perspektive kommt die ökologische: Das Umweltbundesamt stellt in einer Studie fest, dass die Betreiber ohne Investitionen in neue Maschinen im Mittel ein Einsparpotenzial von 30 Prozent realisieren und damit die Emission von rund 900.000 Tonnen CO2 pro Jahr vermeiden können.

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 übrigen Prozessstufen nehmen jeweils verhältnismäßig geringe Anteile am Gesamtenergieverbrauch in Anspruch und haben bei Optimierungsvorhaben am Anlagenbau entsprechend geringere Priorität.

Kläranlagen sind aber nicht nur Energieverbraucher, sondern in vielen Fällen auch Energieerzeuger. Die Kläranlagen der Größenklassen 4 und 5, die in Deutschland den Großteil der Einwohnerzahlen (EW) auf sich vereinen, pumpen den Klärschlamm als Nebenprodukt der Abwasserreinigung in sogenannte Faultürme. Unter Zugabe von Wärmeenergie entsteht dort durch die Zersetzung organischer 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. Daneben birgt die Steigerung der eigenen Strom- und Wärmeausbeute und damit die Verringerung der fremdbezogenen Energie für den Betrieb von Gebläsen, Pumpen und Rührwerken sowie die Beheizung der Faulbehälter großes Potenzial. 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. Bemühungen zur Senkung laufender Betriebskosten sollten also zuerst 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 den Kunden bei der gesamthaften Optimierung der Belüftung zu unterstützen, bietet AERZEN im Rahmen des Portfolios Performance3-Konzepts nicht nur hoch entwickelte Gebläsetechnologie, sondern auch die entsprechende Steuerungssoftware und das Knowhow zur Abstimmung der Anlage. Wir unterstützen 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, also Neubau und Sanierung, ist es daher entscheidend, die optimale Technologie und das passende Modell auszuwählen. 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.

So stehen unterschiedliche Gebläsetechnologien mit individuellen Stärken zu Verfügung und die Aufgabe des Anlagenplaners ist es, sie so zu einem Belüftungssystem zu konfigurieren, dass sich ihre Stärken addieren und alle Lastgänge optimal bedient werden. 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.

Die Basis für die optimale Nutzung dieses Zugewinns an Flexibilität stellt aber eine ausreichende Datengrundlage dar. 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 des Stromverbrauchs der energieintensivsten Anlagenteile  und die Messung von Druckverlusten ist die Voraussetzung für die energetische Optimierung 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. Im Rahmen des AERaudit eines AERaudits erfassen daher die Experten von AERZEN vor Ort die Entwicklung von Volumenstrom, Systemdruck, Temperaturen und Leistungsaufnahme über den 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. Die Verbundsteuerung AERsmart verteilt den Volumenstrom so auf die einzelnen Maschinen, dass deren Wirkungsgrade möglichst optimal sind. 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.

Im Anlagenbau ist Flexibilität gefragt

Die energetische Optimierung der Belüftung erlaubt erheblich Einsparungen bei Energiekosten und Emissionen des Klärbetriebs. 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. Damit alle Kläranlagen ihre Energieeffizienz verbessern können, ist Performance3 von AERZEN daher besonders flexibel. 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.