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Kläranlagen So gelingt der energieeffiziente Betrieb von Abwasseranlagen

| Redakteur: M.A. Manja Wühr

In Deutschland sind rund 9100 kommunale und 3000 industrielle Abwasserbehandlungsanlagen in Betrieb. Im Rahmen eines Förderprogramms des Bundes wurde untersucht, welche Innovationen in Sachen ‚Energieeffizienz‘ realisierbar sind. Ein Blick auf zwei Leuchtturm-Projekte.

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Zielzustand der Kläranlage Lingen
Zielzustand der Kläranlage Lingen
(Bild: Stadt Lingen; ©Artida - stock.adobe.com)

Das Bundesumweltministerium hat im Umweltinnovationsprogramm u.a. die Entwicklung von energieeffizienten Abwasseranlagen gefördert. Unterstützt wurden Projekte, die energetische Ressourcen sowohl bei der Behandlung von Abwasser und Klärschlamm als auch bei der Eigenenergieerzeugung erschließen. Projekte mit Demonstrationscharakter standen im Mittelpunkt – beispielhaft die Kläranlagen Lingen und Blümeltal.

Plus-Energie-Kläranlage mit Phosphor-Rückgewinnung

Am Beispiel der Kläranlage der Stadt Lingen wird im großtechnischen Maßstab demonstriert dass Kläranlagen, die allgemein als die größten Einzelverbraucher an elektrischer Energie von Kommunen gelten, nicht nur in Nullenergie-Kläranlagen, sondern in Plus-Energie-Kläranlagen umgewandelt werden können – in Anlagen mit Strom- und Wärmeüberschuss.

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Gleichzeitig wird eine Rückgewinnung von pflanzenverfügbarem Phosphor in Höhe von 30 Massenprozent des Zulaufes angestrebt. Es soll damit modellhaft gezeigt werden, dass trotz der zusätzlichen Anlagentechnik und des zusätzlichen Energieverbrauchs für die P-Rückgewinnung immer noch eine Stromproduktion und -abgabe durch Kläranlagen an externe Verbraucher möglich ist.

Die Verfahrensumstellung besteht im Wesentlichen aus einer Intensivierung der Faulung durch ein neues thermisches Hydrolyseverfahren der Eliquo Stulz (LysoTherm) und einem neuartigen Verfahren zur Phosphorrückgewinnung aus dem ausgefaulten Überschussschlamm mittels Magnesium-Ammonium-Phosphat (MAP)-FäIIung, das sich zusätzlich positiv auf die Schlammentwässerung auswirkt. Besonderes Merkmal und Voraussetzung für die gleichzeitige Umsetzung von Energieeffizienz, Ressourcenschonung und Leistungssteigerung ist das am CUTEC-Institut gemeinsam mit der P.C.S. entwickelte Verfahren der getrennten Hydrolyse und Faulung von Überschussschlamm (LysoGest). Mit diesem Verfahren werden konzentrierte Phosphat- und Ammoniumlösungen erzeugt, die energieeffizient, chemikalieneffizient und mit kompakter Anlagentechnik (materialeffizient) behandelt werden. Weiterhin wird auch eine betriebliche Optimierung der Abwasser- und Schlammbehandlung durchgeführt: Die Rührwerkstechnik in der biologischen Stufe und die Schlammumwälzung der Faultürme werden u.a. neu berechnet und erneuert sowie die Sauerstoffversorgung und die Rücklaufschlammförderung optimiert.

Ergebnisse: Durch den Mehrgasanfall durch verbesserten oTR-Abbau (organischer Trockenrückstand) und Erhöhung der Co-Substratmengen kann in Verbindung mit den neuen Blockheizkraftwerken die Eigenstromerzeugung von 70 auf größer 100 Prozent gesteigert werden. Die überschüssige Wärme kann über das vorhandene Fernwärmenetz eingespeist werden. Durch den besseren oTR-Abbau im Faulturm und den deutlich gesteigerten Entwässerungsgrad wird die entwässerte Klärschlammmenge um etwa 30 Prozent reduziert, d. h. die Entsorgungskosten verringern sich um 30 Prozent. Zusätzlich kann der Polymerverbrauch (WS Wirksubstanz) um mindestens 6 kg WS/t TR (30 Prozent) reduziert und auf die Eisenlösung verzichtet werden. Die Gesamteinsparungen belaufen sich auf etwa 470 000 Euro pro Jahr.

Demgegenüber stehen die Betriebskosten für die Lysotherm- und die EloPhos-Anlage in Höhe von 120 000 Euro pro Jahr (z.B. Kosten für Chemikalien, Strom, Service, Wartung, Reparaturen und Personal).

Energieoptimierung der Kläranlage Blümeltal / Pirmasens

Die Kläranlage Blümeltal ist eine mechanisch-biologisch reinigende Kläranlage. Die biologische Stufe arbeitet nach dem Belebungsverfahren mit vorgeschalteter Denitrifikation zur Stickstoffelimination. Die Schlammbehandlung wurde bereits in der Vergangenheit intensiv untersucht und optimiert. Zur Verbesserung der stofflichen und energetischen Verwertung der Biomasse wurde eine Thermodruckhydrolyse der anaeroben Behandlungsstufe vorgeschaltet und dadurch die Biogasausbeute erheblich gesteigert.

Der Fokus bei diesem Projekts liegt auf der energetischen Optimierung. Hierzu wurde ein Gesamtkonzept erarbeitet, das die verschiedenen Stoffströme der Kläranlage ganzheitlich betrachtet. Die Verfahrenstechnik wird so gestaltet, dass eine bestmögliche Reinigungsleistung bei minimiertem Betriebs- und Energieaufwand erreicht werden kann.

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Die Neuerung dieses Verfahrens liegt in der Erstellung eines Lastprofils und seiner Nutzung. Die eigentliche Innovation besteht aus dem anlagenübergreifenden Gedanken, das Lastprofil der biologischen Reinigungsstufe als interaktiven Koordinator für den nachfolgenden Betrieb der Anlagenkomponenten zu verwenden.

Das Mess-, Steuer-, und Regelkonzept ist mit der übergeordneten Lastprofil-Erkennung ausgestattet und greift zur Optimierung der Prozesse fracht- und nährstoffoptimierend ein. So kann das Verfahren interaktiv in die Abläufe einer Kläranlage eingreifen und die einzelnen Prozesse ideal aufeinander abstimmen.

Ergebnisse: Die Kläranlage wird ganzheitlich betrachtet. Alle Stufen und ihre Wechselwirkungen werden in das Gesamtkonzept einbezogen. Folgende Ziele konnten durch die Optimierung erreicht werden: Prozessstabilität, bestmögliche Reinigungsleistung, Gewässerentlastung (40 000 kg CSB/a und 24 000 kg N/a geringere Schmutzfracht), hohe Energieeffizienz (Energieeinsparung von 795 000 kWh/a; CO2-äquivalent von 445 000 kg/a), hohe Ressourceneffizienz und nicht zuletzt ein minimierter Betriebsaufwand.

Die Optimierung der Kläranlage Blümeltal zeigt, dass mit genauer Kenntnis der Kläranlage unter Anwendung verfahrenstechnischer Konzepte erhebliche Einsparpotenziale, nicht nur im Energieverbrauch, sondern auch im Betriebsmittelverbrauch und der Schlammproduktion umgesetzt werden können. Große Teile des Konzeptes sind mit gezielter Modifikation auf andere Anlagen übertragbar. Das hat den Betreiber dazu veranlasst, die Kläranlage Felsalbe ebenfalls auf diesen Betrieb umzustellen. Die Werte der Eigenenergieerzeugung konnten analog zu den angestrebten Zielen leider nicht komplett eingehalten werden, da sich dies zu Ungunsten der Ablaufwerte ausgewirkt hätte. Das vorrangige Betriebsziel ist in diesem Fall aber definitiv die Verbesserung der Gewässer. Vor Projektbeginn hatte die Kläranlage eine Eigenenergieerzeugung von etwa 900 000 kWh/a.

Im Zuge der optimierten Abwasserreinigung (C:N:P-Verhältnis) ist diese Menge auf etwa 700 000 kWh/a gesunken, einhergehend aber mit einer deutlichen Verbesserung der Ablaufwerte. Der Fällmittelverbrauch konnte aufgrund der intensivierten und gezielten biologischen Phosphatelimination (Nährstoffoptimierung) und geänderter Dosierstellen um zwei Drittel reduziert werden. Durch die Umsetzung des Verfahrens rückt das Ziel einer ‚energieautonomen Abwasserreinigungsanlage‘ auch ohne Annahme von Co-Substraten in greifbare Nähe und stellt einen Beitrag zur Reduzierung des Energieverbrauches und des CO2-Ausstoßes dar. Es wurde ein spezifischer Energieverbrauch der Biologie von: eBel = 7,8 kWh/EW*a nachgewiesen.

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