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Abwasserbehandlung

Effiziente Belüftungstechnik für die aerobe Belebung – denn Luft ist nicht umsonst

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

Abwassertechnische Anlagen zählen zu den elektrischen Großverbrauchern. Allein die Belüftung „verbraucht“ gut die Hälfte des Stroms. Da muss jedes Stellrad genutzt werden, um weniger Energie einsetzen zu müssen. PROCESS hat sich einige Vorschläge angesehen.

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Die Belüftung erfordert in der Regel den mit Abstand größten Energieaufwand von allen Verfahrensschritten einer Abwasserbehandlungsanlage.
Die Belüftung erfordert in der Regel den mit Abstand größten Energieaufwand von allen Verfahrensschritten einer Abwasserbehandlungsanlage.
(Bild: Klärwerk Westendorf / Tirol)

Neben der richtigen Temperatur und der Einhaltung des pH-Wertes ist insbesondere der Eintrag von Luft-Sauerstoff für die aerobe Belebung in der Abwasserreinigung von zentraler Bedeutung. Eine für den Betreiber kostspielige Sache: Gemessen am gesamten Stromverbrauch von Kläranlagen entfallen 40 bis 60 Prozent auf die Belüftung und Umwälzung des Abwassers. Hier findet sich ein erhebliches Potenzial für Effizienzsteigerungen und Optimierungsmaßnahmen.

Für eine optimale Sauerstoffversorgung der Belebungsbecken müssen die Luftmengen punktgenau eingebracht werden. Zu wenig Luft bzw. Sauerstoff führen zu einer Unterversorgung der Bakterien, zu große Mengen dagegen führen zu einem veränderten Blasenbild, was ein schlechteres Lösungsverhalten des Sauerstoffs im Becken und somit ebenfalls eine Verschlechterung des Reinigungsergebnisses mit sich bringt.

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Eine Drehzahlregelung der zur Belüftung eingesetzten Kompressoren bzw. Pumpen ist dafür die Technik der Wahl. Planer einer neuen Anlagen sollten beachten: Auch die Beckengestaltung verspricht eine höhere Effizienz. Für die optimale Anordnung des technischen Equipments können computergestützte Strömungssimulationsprogramme (CFD) eingesetzt werden, welche die Strömungsverhältnisse im gesamten Becken abbilden.

Kaskadierung vorteilhafter als Einzelverdichter

Auf einer kommunalen Abwasserreinigungsanlage (41.000 Einwohnergleichwerte) wird die Druckluft zentral erzeugt und über eine gemeinsame Rohrleitung mittels Blendenregulierschiebern auf die jeweils zu belüftenden Zonen verteilt. Als der Ersatz des alten Luftverdichters durch Kaeser anstand, waren die Erwartungen des Betreibers hoch gesteckt: Neben der Energieeinsparung sollte der neue Verdichter eine höhere Toleranz gegenüber kurzzeitigen Druckschwankungen aufweisen und einen breiten Regelbereich bieten, um den gesamten Luftbedarf möglichst effizient abzudecken.

In einem ersten Schritt ermittelten die Projektingenieure die erforderlichen Betriebsdaten. Dazu zählen der zeitliche Verlauf des Volumenstroms und des Betriebsdrucks. Anhand der Ergebnisse zeigte sich, dass die größtmögliche Regelbarkeit und Energieeinsparung mit einer Lastverteilung auf mehrere, in Leistung und Antriebsart gestaffelten Maschinen erzielbar wäre. Installiert wurden zwei Drehkolbengebläse des Typs DB 236C-OFC (mit Frequenzumrichter) und zwei DB 236C-STC (mit Y/D-Anlasser). Eine übergeordnete Verdichtersteuerung vom Typ Sigma Air Manager (SAM) koordiniert den Betrieb der einzelnen Maschinen im Verbund bedarfsgerecht. Über die Anbindung an das Prozessleitsystem führt die Steuerung eine Gleitdruckregelung aus.

Auch Aerzen erhielt bei folgendem Projekt (Holzkirchen, 50.000 Einwohnergleichwerte) einen klar formulierten Auftrag: „Wir reinigen unser Abwasser bestmöglich“, so der Auftraggeber. Ergebnis: Es wurde eine Gebläsetechnik in Betrieb genommen, die unter dem Blickwinkel der Energieeffizienz „einen neuen Meilenstein setzt“, wie der Anbieter stolz anmerkt.

Hintergrund: Teillast bringt den Wirkungsgrad nach unten, verschlechtert die Energieeffizienz und treibt damit die Betriebskosten nach oben. Dies wirkt sich in Kläranlagen vor allem in der Biologie gravierend aus. Die elektrische Energie für den Antrieb der Gebläse verursache etwa 80 Prozent der Kosten in diesem Bereich der Abwasserreinigung, kalkuliert Aerzen. Wirkungsgradsteigerungen und eine wirklich passgenaue Auslegung der Gebläse an den tatsächlichen Bedarf rechnen sich also entsprechend schnell. Bleibt die Frage, wie sich der wechselnde Luftbedarf in den Belebungsbecken bestmöglich decken lässt – und dieses eben nicht zum Preis von Überdimensionierungen und ineffizienter Teillast.

Die Lösung: Leistungs-Kaskadierung mit Aggregaten in Reihe sowie die variable Drehzahlsteuerung der Gebläseantriebe sind erste wichtige Ansätze, die Belebungsbecken bedarfsgerecht mit Sauerstoff zu versorgen. Aerzen geht mit seiner Steuerung Aersmart einen weiteren Schritt, indem diese im Teilllastbereich auf Grundlage des benötigten Luftbedarfs unterschiedliche Gebläsetypen miteinander koordiniert – sie verhindert ganz einfach weitgehend Teillast einzelner Aggregate.

Belüftung für hochbelastete Abwässer

Für Anlagen mit hochbelastetem Abwasser empfiehlt Körting den Einsatz von Ejektoren: Der Ejektor entspricht in seinem Aufbau der Strahlpumpe; die von ihm einzutragende Luft wird vorher verdichtet. Aufgrund des hohen Sauerstoffbedarfs organisch belasteter Abwässer und der zunehmenden Bauhöhe moderner biologischer Abwasserreinigungsanlagen sei es energetisch günstiger, Luft auf den hydrostatischen Druck am Einbauort des Ejektors mechanisch vorzuverdichten und dem Sauganschluss zuzuführen, so die Erfahrung des Anbieters.

Dieser Verzicht auf einen nennenswerten Druckgewinn im Ejektor reduziert den nötigen Treibdruck. Zugleich werden günstigere Mischungsverhältnisse (Saug- zu Treibstrom) erzielt. Die Treibdüse des Ejektors wird mit einem verstopfungsfreien Dralleinsatz ausgerüstet. So zerteilt der Treibstrahl bereits bei niedrigem Treibdruck die Luft in feine Blasen, die in der Mischstrecke intensiv mit dem Treibstrom vermischt werden. Ergebnis: Das Luft-Wasser-Gemisch wird mit hoher Turbulenz ins Belebungsbecken eingespeist. Der Ejektor gewährleistet so eine optimale Sauerstoffzufuhr bei vollständiger Durchmischung. Auch bei hoher Biomasse-Konzentration im Abwasser werden Strömungsgeschwindigkeiten erreicht, die Ablagerungen am Boden des Belebungsbeckens verhindern.

Fazit: Das Einbringen von Sauerstoff in Belebungsbecken ist entscheidend für den Erfolg einer Abwasserreinigung. Das „Wie“ bestimmt, wie teuer das für den Betreiber ist. Es lohnt sich, darüber intensiv nachzudenken.

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