Belüftungstechnik für Kläranlagen Denn Luft ist nicht umsonst – Belüftungstechnik für die aerobe Belebung

Autor / Redakteur: Hans-Jürgen Bittermann / Dr. Jörg Kempf

Abwassertechnische Anlagen zählen zu den elektrischen Großverbrauchern. Allein die Belüftung verbraucht gut die Hälfte davon. Da gilt es, jedes Stellrad zu nutzen, um weniger Energie einsetzen zu müssen.

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Delta-Flex-Membranen minimieren den Druckverlust bei der Belüftung.
Delta-Flex-Membranen minimieren den Druckverlust bei der Belüftung.
(Bild: Bilfinger Water Technologies)

Druckbelüftungssysteme leiten während der Hauptreinigungsstufe (Belebungsbecken) von Kläranlagen Luftsauerstoff ein, um das Wachstum von aeroben Mikroorganismen zu ermöglichen und zu fördern. Diese Belüftung erfordert in der Regel den mit Abstand größten Energieaufwand von allen Verfahrensschritten einer kommunalen Abwasserbehandlungsanlage.

In Anlagen mit anaerober Schlammstabilisierung, d.h. mit nachgeschalteter Klärschlammfaulung und Biogasgewinnung (betrifft etwa 76 % Prozent aller Einwohnerwerte) liegt der Stromverbrauch für die Belüftung im Durchschnitt bei etwa 50 % des gesamten Strombedarfs. Bei kleineren Anlagen mit aerober Schlammstabilisierung erfordert die Belüftung zwischen 60 und 80 % des Gesamtstrombedarfs der Kläranlage, so das Umweltbundesamt (UBA).

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Stellräder, um den Energiebedarf wirksam zu senken, sind laut UBA der Austausch der Belüfter sowie die Optimierung der Belüfteranordnung und Regelung der Belüftung über eine Online-Erfassung der Ammoniumkonzentration (im Ablauf der biologischen Stufe).

Membranbelebung mit kombinierter Faulung

Membranbelebungsanlagen in Klärwerken reinigen Abwasser besonders gut. Manko bisher: ein höherer Energiebedarf. Das muss nicht sein, wie ein Projekt des Erftverbands zeigen soll. Es geht dabei um das Gruppenklärwerk Kaarst-Nordkanal, mit einer Ausbaugröße von 80.000 Einwohnerwerten die größte Membranbelebungsanlage in Europa.

Eine Membranbelebungsanlage erfüllt zwei Funktionen: Bakterien und Kleinstlebewesen reinigen das Wasser wie in einem konventionellen Belebungsbecken. Indem das Wasser durch Membranen strömt, wird es zusätzlich mechanisch von Mikrokunststoffteilchen, Bakterien und anderen potenziell pathogenen Mikroorganismen sowie von feinsten Schmutzpartikeln und Schwimmschlamm befreit. Mit dem Vorhaben will der Erftverband erstmalig eine Membranbelebungsanlage mit einer Faulung kombinieren. Das Abwasser wird vorgeklärt, das Fließverhalten durch Steuerung des Feststoffgehaltes verbessert, und durch die Verstromung des Faulgases aus der anaeroben Stabilisierung des Überschussschlamms können künftig in einem Blockheizkraftwerk fast 900 MWh Strom pro Jahr gewonnen werden. Das Projekt läuft noch bis April 2018.

Bemessung und Regelung der Belüftung

Ein echter Vergleich verschiedener Belüftungssysteme muss über die Investitionskosten und den Sauerstoffertragswert hinausgehen und den kompletten Lebenszyklus einer Anlage betrachten. Mit Aqua Aero (Bilfinger Water Technologies) kann die komplette Belüftungstechnik geplant werden, inklusive Ermittlung des Sauerstoffertragswerts, der Investitions- und Betriebskosten und des Projektkostenbarwerts.

TAT-Intelliclean ist ein patentiertes Regelsystem von Envicon zur Optimierung der Belüftung und der Ablaufqualität einer Kläranlage. Anders als herkömmliche Belüftungsregelungen schaltet es die Belüftung auf der Basis eines Fuzzy-Pattern-Mustererkennungsverfahrens lastabhängig und prozessoptimal ohne Überlüftung (Energieverschwendung) oder Unterlüftung (Ablaufverschlechterung) – das spart Kosten für Belüftungsenergie und für Fällmittel.

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Drucklufterzeugung und -verteilung

Die ABS-Produktpalette von Sulzer Pumps für die Drucklufterzeugung und -verteilung umfasst energieeffiziente Turboverdichter und Belüfter sowie ein optimiertes Steuerungssystem. Der HST-Turboverdichter bietet einen Luftdurchsatz von 1000 bis 16 000 mN3/h und einen Druckbereich von 30 bis 120 kPa. Er zeichnet sich durch eine hohe Gesamteffizienz, einen geringen Wartungsbedarf und einen stabilen Wirkungsgrad dank reibungslosem Magnetlager aus, so der Hersteller.

Zu den weltweit am häufigsten eingesetzten feinblasigen Belüftungssystemen zählt das Tellerbelüftungssystem von Sulzer. Es ist in fünf vormontierten Belüftermodellen erhältlich, die schnell und einfach installiert werden können. Nachrüstlösungen steigern die Belüftungseffizienz von älteren Abwasserreinigungsanlagen. Durch den Austausch eines alten Luftverteilungssystems gegen das feinblasige Nopon-Tellerbelüftungssystem könne die Energieeffizienz um bis zu 25 % verbessert werden – durch einen geringeren Gegendruck und eine optimierte Sauerstoffausnutzung, heißt es. Werde zudem das Steuerungssystem modernisiert, sodass dem Prozess genau die benötigte Luftmenge zugeführt wird, ließen sich zusätzlich bis zu 10 % der Gesamtenergiekosten einer Anlage einsparen.

Dank eines Schraubengebläses von Kaeser arbeitet die Kläranlage Treis Karden jetzt noch effizienter und schont dabei die Umwelt. Die Kläranlage ist eine Sequencing Batch Reactor (SBR)-Anlage, d.h. das Abwasser wird chargenweise bearbeitet. Ein Zyklus in einem Becken dauert rund 300 Minuten. Bisher waren Drehkolbengebläse im Einsatz, mit denen der Betreiber auch sehr zufrieden war. Die Kläranlage weist mit 6 m Beckentiefe eine relativ durchschnittliche Wassertiefe auf (die optimalen Einblastiefen in Deutschland liegen bei maximal 5 m). Bei dieser Wassertiefe ist der Lufteintrag optimal.

Unter diesen Bedingungen versprachen die neu installierten Schraubengebläse des Typs FBS aufgrund der neuartigen Konstruktion und Technik eine deutliche Einsparung im Energiekostenbereich und reduzierte Schall-Emissionswerte gegenüber der vorherigen Lösung. Im Vergleich zu herkömmlichen Drehkolbengebläsen sind sie, abhängig von den Betriebsbedingungen, um bis zu 35 % effizienter und bieten auch im Vergleich zu vielen auf dem Markt befindlichen Schrauben- und Turbogebläsen deutliche energetische Vorteile, so Kaeser. Zu verdanken sei dieser Energiespareffekt u.a. dem vorverdichteten internen Druck des Gebläses, der bereits nah am Druck des Systems liege.

Ausreichend Luft im Festbettreaktor

Die Stadt Luxemburg stand bei der im Stadtteil Beggen installierten Kläranlage zunächst durch EU-weit vorgeschriebene engere Grenzwerte vor allem bei Stickstoff und Phosphor vor der Aufgabe, die Altanlage zu modernisieren. Eine reine Kapazitätsausweitung war aufgrund des stark begrenzten Platzes in unmittelbarer Nachbarschaft zur Wohnbebauung nicht möglich. „Deshalb nutzen wir heute Festbettreaktoren“, erklärt Betriebsleiter Luc Ley. Das Verfahren funktioniere zwar exzellent, erfordere aber für den Stickstoffabbau deutlich mehr Luft. Der hohe Sauerstoffbedarf resultiert aus dem besonderen Reinigungsverfahren in den Festbettreaktoren.

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Im Rahmen einer umfangreichen Modernisierung der Belüftungstechnik hat der Abwasserbetrieb jetzt leistungsstärkere Drehkolbenverdichter auslegen und einbauen lassen. Die Aggregate aus der Reihe Delta Hybrid D62 S von Aerzen haben eine Anschlussleistung von 75 kW, werden aber über die Frequenzumrichter nur mit einer Nennleistung von 40 kW betrieben. Für die Delta-Hybrid-Systeme folgt daraus, dass sie mit rund 5000 Umdrehungen pro Minute das geforderte Volumen erzeugen – und nicht mit 9000. „Die Aggregate sind heute so dimensioniert, dass sie sich vom Verschleiß her eigentlich langweilen“, merkt Ley an.

Diese auf den ersten Blick widersprüchlich erscheinende Überdimensionierung bringt für den Abwasserbetrieb handfeste Vorteile mit sich – vor allem bei der Langlebigkeit und den Wartungsintervallen. Waren bei der ursprünglichen Ausrüstung Wartungszyklen von drei Jahren vorgesehen, sind es bei den Delta-Hybrid-Systemen fünf Jahre.

Ein weiterer positiver Effekt der neuen Anlagen sind die sinkenden Energiekosten durch das besondere Wirkprinzip der Delta-Hybrid-Aggregate. Hierbei verbindet Aerzen die Arbeitsweisen von Drehkolbengebläse und Schraubenverdichter zu einer effizienten Einheit – dem weltweit ersten Drehkolbenverdichter. Der sparsame Umgang mit der Ressource Strom resultiert daraus, dass die Baureihe in niedrigen Druckbereichen das Roots-Prinzip der Volldruckverdichtung nutzt und in höheren Druckbereichen auf das Schraubenverdichter-Prinzip mit innerer Verdichtung setzt. Der Hersteller hat errechnet, dass der Drehkolbenverdichter im Vergleich zu herkömmlichen Kompressoren 15 % weniger Strom benötigt. Die Luftförderung erfolgt zudem absolut ölfrei.

Fazit: Luft zur Belüftung der Belebungsbecken im Klärwerk ist in der Tat nicht umsonst. Doch es gibt ausreichend Stellräder, um diesen Kostenblock im Griff zu behalten. Auf der Ifat sind weitere Optimierungslösungen zu sehen.

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