Wasseraufbereitung in der Zukunft
Die Wasseraufbereitung befindet sich mitten in einem tiefgreifenden Wandel und gewinnt weltweit an Bedeutung. Wasser ist ein zunehmend knappes Gut. Vor allem in ärmeren Ländern ist es nicht in ausreichender Menge verfügbar. Durch die steigende Nachfrage seitens Industrie, Landwirtschaft und Energieerzeugung kommt es zu immer gravierenderen Engpässen. Auch wenn hierzulande Probleme wie Wasserknappheit eine geringe Relevanz haben, ist der ressourcenschonende und verantwortungsbewusste Umgang mit Wasser ein bedeutendes Zukunftsthema. Die Wasseraufbereitung spielt beim Thema Wasserverfügbarkeit eine zentrale Rolle. Noch immer werden weltweit etwa 80 Prozent der Abwässer nicht geklärt , obwohl dies in vielen Fällen technisch möglich ist. Langfristig besteht also ein beachtliches Potenzial, den Verbrauch von Wasser in der Industrie signifikant zu senken.
Exploiting the potential of the water treatment of the future
At the same time, the focus is also on energy efficiency, especially in industrialised countries. Waste water treatment plants are considered veritable power guzzlers due to the energy-intensive processes in aeration tanks. Against a background of ambitious climate protection goals and rising energy prices, energy efficiency in water treatment will become one of the major issues for the future.
Particularly in the area of energy technology for waste water treatment tanks, it is clear that reliable technologies for sustainably reducing energy consumption already exist and are highly attractive from the operator’s point of view. Investments in modern ventilation technology pay off very quickly and improve plant efficiency without undue expense, especially in the case of older water treatment plants. The water treatment of the future holds far-reaching potential for mitigating water scarcity, promoting responsible management of raw materials and decreasing energy consumption. An example with major potential for the future is the generation of energy from waste water.
Strom und Wärme aus Abwasser gewinnen
Eines der wichtigsten Zukunftsthemen im Bereich der Wasseraufbereitung ist die Gewinnung von Energie aus Abwässern. In jedem Kubikmeter Abwasser ist die vierfache Menge an Energie enthalten, als die Reinigung dieses Abwassers an Energie kostet – rein theoretisch könnte eine Kläranlage also mehr Energie erzeugen, als sie verbraucht. Das Prinzip hinter dieser Überlegung ist einfach: Die im Abwasser enthaltenen Feststoffe wie Ausscheidungen, Toilettenpapier oder sonstige Partikel lassen sich grundsätzlich in einer Biogasanlage zur Erzeugung von elektrischer Energie und Wärme nutzen. Die Technologien für dieses Verfahren werden bereits erfolgreich angewendet, bieten aber noch ein beachtliches Ausbaupotenzial. Aus diesem Grund werden aktuell neue Technologien zur Steigerung der Klärschlammverbrennung erforscht und in Form von Prototypen getestet – mit vielversprechenden Ergebnissen.
Bis das Potenzial der Energiegewinnung aus Abwasser ausgeschöpft ist, müssen noch mehrere Hürden genommen werden. Eine der Herausforderungen besteht darin, den Anteil der Feststoffe, die bereits vor dem eigentlichen Klärvorgang aus dem Abwasser herausgeholt werden können, signifikant zu steigern. Dies könnte beispielsweise durch den Zusatz von Polymeren gelingen, die ein Verklumpen des Schlamms begünstigen.
Kläranlagen als wahre Stromfresser – hier lässt sich Energie sparen
Für die Wasseraufbereitung in der Zukunft ist vor allem das Thema Energieeffizienz von großer Bedeutung. Einerseits sehen sich die Betreiber von Kläranlagen ständig mit immer strengeren Umweltauflagen seitens der Politik konfrontiert. Zum anderen müssen sie Effizienzmaßnahmen ergreifen, um den steigenden Strompreisen entgegenzuwirken. Um die Bedeutung der Energieeffizienz in Klärbecken zu verstehen, lohnt sich ein Blick auf die Energiebilanz eines Klärwerks.
Die rund 10.200 Kläranlagen in Deutschland verbrauchen insgesamt etwa 4.400 Gigawattstunden (GWh) elektrische Energie pro Jahr. Dies entspricht einem spezifischen Verbrauch von 35 kWh/Einwohnergleichwert pro Jahr. Der Anteil der Kläranlagen am Stromverbrauch in Deutschland beträgt daher immer noch rund 0,7 %.
Es zeigt sich, dass die Belüftung bei fast allen Kläranlagen mit Schlammverfahren der weitaus größte Verbraucher ist; während der Anteil des Stromverbrauchs bei Anlagen mit aerober Schlammstabilisierung zwischen 60 und 80 % liegt, beträgt er bei Anlagen mit Schlammfaulung immer noch rund 50 %. Darüber hinaus gibt es weitere Energieverbraucher, deren Bedeutung aber nicht an die des Belebungsverfahrens heranreicht. Die wichtigsten Stromverbraucher im Überblick:
- Internal recirculation DN
- Pre-dewatering
- Post-dewatering
- Intermediate lifting mechanism
- RLS handling
- Denitrification circulation (DN)
- Grit trap aeration
- Aeration tank ventilation
- Spatial filter
- Inlet lifting mechanism
- Digester circulation
Ein Blick auf den durchschnittlichen Stromverbrauch dieser Anlagen zeigt, dass das größte Potenzial zur Senkung des Energieverbrauchs in der Belüftung der Belebungsbecken und in den ständig laufenden Pumpstationen liegt, z. B. bei Einlauf, Zwischenhebewerk und interner Umwälzung. Vor allem die Belüftung der Belebungsbecken spielt eine bedeutende Rolle, weshalb auf diesen Aspekt später noch einmal im Detail eingegangen wird.
Energieverbrauch im Fokus: zusätzliche Maßnahmen zur Effizienzsteigerung
Die Nutzung von Klärschlamm oder Faulgas zur Energie- und Wärmeerzeugung sowie die Steigerung der Energieeffizienz von Belüftungsbecken sind nicht die einzigen Maßnahmen auf dem Weg zur Wasseraufbereitung der Zukunft. Zusätzliches Potenzial liegt zum Beispiel in der Integration erneuerbarer Energien in die Energiesysteme von Kläranlagen.
So ist es beispielsweise möglich, Solarzellen oder Windkraftanlagen auf dem Gelände von Kläranlagen zu installieren, um den Anteil der Eigenerzeugung am gesamten Stromverbrauch weiter zu erhöhen. Dabei ist natürlich zu beachten, dass diese Maßnahmen denselben Randbedingungen wie an anderen Standorten unterliegen und die Wirtschaftlichkeit der Investition von den vorherrschenden Bedingungen wie der örtlichen Sonneneinstrahlung und den Windverhältnissen abhängt. Speziell bei Anlagen ohne Schlammfaulung ist auch der Einsatz von Solarkollektoren zur Erzeugung von Wärme interessant, dieser wird in der Zukunft aber voraussichtlich eine untergeordnete Rolle spielen. Bei Anlagen mit aerober Schlammstabilisierung ist in der Sommerzeit üblicherweise ohnehin ein Überschuss an Wärme vorhanden, wodurch die Maßnahme für diese Kläranlagen keine Rolle spielt. Weitere Maßnahmen zur Gewährleistung einer energieeffizienten Wasseraufbereitung in der Zukunft zielen auf die Nutzung von Wasserkraft in den Zu- und Abläufen der Kläranlage ab. Das Potenzial dieses Ansatzes ist jedoch ebenfalls begrenzt, da die verfügbare Absturzhöhe gering ist und die Energieerzeugung in keinem Verhältnis zum Aufwand steht.
Insbesondere bei größeren Anlagen mit Schlammverbrennung ist es empfehlenswert, Rechengut aus dem Stabrechen als zusätzlichen Brennstoff zu verwenden, um die Energieeffizienz weiter zu erhöhen. Das Potenzial dieser Technologie ist durch den Einsatz von Rechengutwäschern, die den Anfall von Rechengut reduzieren, allerdings begrenzt.
Bedarfsgerechte Lüftungstechnik – Maßnahmen mit hoher Wirtschaftlichkeit
Was passiert in einem Belebungsbecken?
Um die Ursache für den hohen Energieverbrauch im Belebungsbecken zu verstehen, gehen wir an dieser Stelle kurz auf die Vorgänge in der biologischen Reinigungsanlage ein. Das mechanisch vorgeklärte Abwasser wird im Belebungsbecken von gelösten organischen Stoffen sowie von Phosphaten und Stickstoffverbindungen befreit. Dieser Abbau erfolgt durch Mikroorganismen wie Bakterien, dem belebten Schlamm.
Um im ersten Schritt die biologische Entfernung von Phosphaten aus dem Abwasser zu ermöglichen, wird der erste Teil des Beckens sauerstoffarm gehalten. Im Anschluss daran wird besonders viel Sauerstoff in das Abwasser eingebracht, indem Druckluft eingeblasen wird. Durch den Einsatz von Sauerstoff vermehren sich die Bakterien rasant und fördern bei zusätzlichem Einsatz eines gelösten Fällmittels die Bindung des Phosphats an den biologischen Schlamm. Dieser setzt sich dann im Anschluss im Nachklärbecken ab und kann zurück in das Belebungsbecken gefördert oder der Schlammbehandlung zugeführt werden. Der hohe Energieverbrauch dieses Prozesses hängt mit dem Einbringen großer Mengen an Druckluft zusammen.
Herausforderungen und Optimierungspotenziale in der Belüftungstechnik
Die Herausforderung in der Belüftungstechnik besteht im Wesentlichen darin, starken Schwankungen innerhalb der Lastgänge und wechselnden Verschmutzungsgraden mit einer bedarfsgerechten Luftversorgung zu begegnen. Ältere Kläranlagen sind häufig mit Gebläsetechnologien ausgestattet, die unabhängig von der Bedarfssituation stets die gleiche Menge an Sauerstoff zur Verfügung stellen – obwohl dies nicht immer notwendig ist. Die Herausforderung besteht also darin, einerseits eine bedarfsgerechte Belüftung zu realisieren und andererseits die Teillastbereiche des Lastprofils möglichst effizient zu versorgen.
To efficiently supply energy to aeration tanks, AERZEN relies on a product portfolio that consists of one or more blower technologies implemented in accordance with the individual requirements of each waste water treatment plant. This approach makes it possible to achieve maximum efficiency and fully exploit the potential for savings.
Das Portfolio besteht aus Turbogebläsen, Drehkolbengebläsen und Drehkolbenverdichtern. Der Vorteil liegt auf der Hand: Jede der Technologien hat individuelle Vorteile und Stärken, die jeweils auf die individuellen Anforderungen angepasst werden können. Während das Turbogebläse beispielsweise durch eine sehr hohe Energieeffizienz im Auslegungspunkt besticht, überzeugen Drehkolbenmaschinen durch eine weitgehende Regelbarkeit und eine nahezu gleichbleibende Effizienz im Teillastbereich. Der Drehkolbenverdichter vereint als Hybrid die Vorzüge von Gebläse- und Verdichtertechnologie in einem System. Je nach Anwendungsfall bietet es sich also an, verschiedene Technologien im Zusammenspiel oder die jeweils effizienteste Technologie zu wählen. Dabei können nicht nur unterschiedliche Technologien, sondern auch verschiedene Baugrößen installiert werden. Wenn dieser Ansatz darüber hinaus noch mit einer intelligenten Verbundsteuerung verknüpft wird, ergeben sich weitere Energiesparpotenziale.
Die Praxis zeigt: Die Energieeinsparung durch eine optimierte Belüftung ist beachtlich. So konnte die Kläranlage Rheda-Wiedenbrück durch die Installation eines AERZEN Turbogebläses und eines Delta Hybrid 40.000 Euro Energiekosten einsparen – pro Jahr.
