Wasseraufbereitung in der Zukunft

Energie im Fokus

Die Wasseraufbereitung befindet sich mitten in einem tiefgreifenden Wandel und gewinnt weltweit an Bedeutung. Wasser ist ein immer knapper werdendes Gut, das vor allem Menschen in ärmeren Ländern nicht in ausreichender Form zur Verfügung steht. 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. Schlüsselrolle kommt beim Thema Wasserverfügbarkeit der Wasseraufbereitung zu. 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.

Potenziale in der Wasseraufbereitung der Zukunft nutzen

Gleichzeitig rückt – vor allem in den Industriestaaten - auch das Thema Energieeffizienz in den Mittelpunkt der Betrachtung. Kläranlagen gelten vor allem aufgrund der energieintensiven Prozesse im Belebungsbecken als wahre Stromfresser. Vor dem Hintergrund ambitionierter Klimaschutzziele und steigender Strompreise wird die Energieeffizienz in der Wasseraufbereitung eines der großen Zukunftsthemen sein.

Gerade im Bereich der Energietechnik in Klärbecken zeigt sich, dass zuverlässige Technologien zur nachhaltigen Senkung des Energieverbrauchs bereits existieren und aus Sicht des Betreibers wirtschaftlich hochattraktiv sind. Investitionen in eine moderne Lüftungstechnik zahlen sich gerade bei älteren Wasseraufbereitungsanlagen sehr schnell aus und verbessern die Wirtschaftlichkeit der Kläranlage ohne großen Aufwand. Die Wasseraufbereitung der Zukunft birgt weitreichende Potenziale zur Entschärfung der Wasserknappheit, zum verantwortungsbewussten Umgang mit Rohstoffen und zur Senkung des Energieverbrauchs. Ein Beispiel mit großem Zukunftspotenzial ist die Energiegewinnung aus Abwässern.

Strom und Wärme aus Abwasser gewinnen

Eines der wichtigsten Zukunftsthemen in der Wasseraufbereitung ist die Energiegewinnung 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. Betreiber von Kläranlagen sehen sich auf der einen Seite mit immer strengeren Umweltvorgaben seitens der Politik konfrontiert und müssen auf der anderen Seite steigenden Strompreisen durch Effizienzmaßnahmen entgegenwirken. Um die Bedeutung der Energieeffizienz in Klärbecken zu verstehen, lohnt sich ein Blick auf die Energiebilanz eines Klärwerks.

In den rund 10.200 installierten Kläranlagen in Deutschland werden insgesamt etwa 4.400 Gigawattstunden (GWh) elektrische Energie pro Jahr verbraucht – das entspricht einem spezifischen Verbrauch von 35 kWh/EW pro Jahr. Kläranlagen nehmen damit immerhin einen Anteil von etwa 0,7 % am Stromverbrauch in Deutschland ein. 

Bei fast allen Kläranlagen mit Belebungsverfahren zeigt sich, dass die Belüftung der mit Abstand wichtigste Verbraucher ist. Während der Anteil am Gesamtstromverbrauch in Anlagen mit aerober Schlammstabilisierung bei 60 bis 80 % liegt, sind es 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:

    • Belüftung Belebungsbecken
    • Raumfilter
    • Einlaufhebewerk
    • Faulbehälterumwälzung
      • Zwischenhebewerk
      • RLS-Förderung
      • Umwälzung Denitrifikation (DN)
      • Sandfangbelüftung
      • Interne Rezirkulation DN
      • Vorentwässerung
      • Nachentwässerung

      Ein Blick auf den mittleren Stromverbrauch dieser Anlagen zeigt, dass die signifikanten Potenziale zur Reduzierung des Energiebedarfs vor allem bei der Belüftung des Belebungsbeckens und bei den kontinuierlich laufenden Pumpwerken wie etwa dem Zulauf, den Zwischenhebewerken oder der internen Kreislaufführung liegen. Vor allem die Belüftung der Belebungsbecken spielt eine bedeutende Rolle, weshalb auf diesen Aspekt später noch einmal im Detail eingegangen wird.

      Energieverbrauch im Fokus – weitere 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. Weitere Potenziale ergeben sich beispielsweise durch die Einbindung erneuerbarer Energien in das Energiesystem der Kläranlage.

      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 energieeffizienten Gestaltung der Wasseraufbereitung in der Zukunft zielen darauf ab, Wasserkraft im Zu- und Ablauf der Kläranlage zu nutzen. Das Potenzial dieses Ansatzes ist jedoch ebenfalls begrenzt, da die verfügbare Absturzhöhe gering ist und die Energieerzeugung in keinem Verhältnis zum Aufwand steht.

      Speziell bei größeren Anlagen mit einer bestehenden Klärschlammverbrennung bietet es sich an, zur weiteren Steigerung der Energieeffizienz das Rechengut als weiteren Brennstoff einzusetzen. Das Potenzial dieser Technologie ist durch den Einsatz von Rechengutwäschern, die den Anfall von Rechengut reduzieren, allerdings begrenzt.

      Bedarfsgerechte Lüftungstechnik - Maßnahme mit hoher Wirtschaftlichkeit

      Maßnahmen im Bereich der biologischen Belüftung stellen aufgrund des hohen Energieverbrauchs eine besonders attraktive Möglichkeit zur Erhöhung der Wirtschaft dar. Da je nach Kläranlage 60 bis 80 % des Gesamtenergiebedarfs auf die Belüftung entfallen, kommt dem Prozess der Belebung eine besonders große Bedeutung bei der Wasseraufbereitung der Zukunft zu.

      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, zum einen eine bedarfsgerechte Belüftung zu implementieren und zum anderen die Teillastbereiche des Lastgangs jeweils mit der bestmöglichen Effizienz zu bedienen.

      Die Firma AERZEN setzt bei der energieeffizienten Versorgung von Belebungsbecken auf ein Produktportfolio, das aus einer oder mehrerer Gebläsetechnologien besteht und je nach individueller Bedarfssituation der jeweiligen Kläranlage eingesetzt wird. Durch diese Vorgehensweise gelingt es, stets die bestmögliche Effizienz zu erreichen und Einsparungspotenziale optimal zu nutzen.

      Das Portfolio setzt sich aus Turbogebläse, Drehkolbengebläse und Drehkolbenverdichter zusammen. 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 Hybrids beispielsweise eine Energiekosten-Einsparung in Höhe von 40.000 Euro realisieren – pro Jahr.