08.01.2013
ForschungUmwelt

Optimierung des gekoppelten Systems Klär- / Biogasanlage

Einführung von Energieblöcken in die Simulation

  • Abb. 1: Verbrauch der Kläranlage Emden an elektrischer Energie im Jahr 2010. Die elektrische Energie aus den BHKWs wurde zu ungefähr gleichen Teilen aus Erdgas und Faulgas erzeugt.Abb. 1: Verbrauch der Kläranlage Emden an elektrischer Energie im Jahr 2010. Die elektrische Energie aus den BHKWs wurde zu ungefähr gleichen Teilen aus Erdgas und Faulgas erzeugt.
  • Abb. 1: Verbrauch der Kläranlage Emden an elektrischer Energie im Jahr 2010. Die elektrische Energie aus den BHKWs wurde zu ungefähr gleichen Teilen aus Erdgas und Faulgas erzeugt.
  • Abb. 2: Modellierung des HKW Emden unter SIMBA 6
  • Abb. 3: Vergleich der realen Daten (ausgezogene Linie) mit den simulierten Daten (gestrichelt)
  • Dr. Wolfgang Lindenthal, Hochschule Emden/Leer, EUTEC – Emder Institut für Umwelttechnik

Moderne kommunale Kläranlagen verwenden in der Regel das Belebtschlammverfahren. Hierzu wird Sauerstoff / Luft eingetragen. In der anschließenden anaeroben Schlammfaulung kann ein Teil des Belebtschlamms in Biogas umgesetzt werden. Im Bereich der Kläranlage wird (elektrische) Energie verbraucht, im Bereich der Faulung wird (chemische) Energie zugänglich gemacht. Die Betriebs- und Steuerungsparameter werden meist konstant gehalten, um die vorgegebenen Ablaufwerte sicherzustellen. Der vorliegende Beitrag stellt ein verbessertes und erweitertes Konzept zur modellgestützten Prozessführung vor.

Einleitung

Beim Belebtschlammverfahren wird im Belebungsbecken der Großteil der organischen Kohlenstoffverbindungen zu CO2 und H2O abgebaut, während Ammonium im belüfteten Bereich zu Nitrat oxidiert und im nachfolgenden unbelüfteten Schritt zu gasförmigem Stickstoff abgebaut wird. Vor allem größere Kläranlagen (> 10.000 Einwohner-Werte) setzen den anfallenden Klärschlamm anschließend in Faultürmen um. Hierbei entstehen aus den organischen Bestandteilen im Wesentlichen Kohlendioxid (CO2) und Methan (CH4).

Dieses Faulgas kann in einem Blockheizkraftwerk (BHKW) zur Gewinnung von elektrischer und thermischer Energie verwendet werden. Ziel des vorgestellten Projektes ist es, anhand einer Simulation von Kläranlage und Faulung den Fremdenergiebezug zu minimieren, d. h. der interne Energiebedarf soll bei maximaler Faulgasausbeute minimiert werden. Hierzu müssen in das Simulationsmodell Energieblöcke integriert werden, die den tatsächlichen Verbrauch der verschiedenen Aggregate widerspiegeln.

Bisherige Arbeiten

Die im Folgenden beschriebenen Arbeiten wurden für das HKW Emden (Hauptklärwerk der Stadt Emden) durchgeführt. Das HKW Emden dient zur Behandlung kommunaler Abwässer der Stadt Emden. Es ist für 90.000 EW ausgelegt; z. Zt. sind 75.000 EW angeschlossen. Zu Beginn des Projekts erfolgte die Erfassung der baulichen Gegebenheiten (Becken-Volumina, Durchflüsse, Frachten). Die vorhandene Mess-, Steuerund Regeltechnik sowie alle Verbraucher mit ihren Leistungsdaten wurden ebenfalls erfasst.

Energiebilanz

Der Energieverbrauch des HKW Emden wird z.

T. durch selbst erzeugten Strom aus einem Blockheizkraftwerk gedeckt. Bei Verbrauchsspitzen wird zusätzlich Strom der Stadtwerke Emden benötigt. Die beiden Module des BHKWs werden mit Faulgas oder mit Erdgas betrieben (Abb. 1). Die dabei anfallende Wärmeenergie wird zum Beheizen der beiden Faultürme verwendet.

Im Sommer, wenn die Wärme nicht in vollem Umfang verwendet werden kann, läuft daher meist nur ein Modul. Das HKW Emden verbrauchte im Jahr 2010 über 2,2 Millionen kWh an elektrischer Energie. Bei 75.000 EW ergibt das mit rund 29 kWh pro Einwohner und Jahr einen recht günstigen spezifischen Energiebedarf, der nur knapp über dem Zielwert liegt [1]. Der elektrische Energiebedarf wird zu 2/3 mit dem Blockheizkraftwerk gedeckt, der Rest wird von den Stadtwerken Emden geliefert.

Das BHKW wiederum wird zu ungefähr gleichen Teilen mit Faulgas und Erdgas betrieben. Demnach kann der Strombedarf zu etwa 33 % aus dem Faulgas gedeckt werden. Ein Überschuss an elektrischer Energie wird in das Netz eingespeist. Der Anteil an selbst erzeugter elektrischer Energie könnte jedoch noch höher sein, wenn die ebenfalls erzeugte Wärmeenergie, die im Klärwerk nicht sinnvoll eingesetzt werden kann, an Verbraucher in der benachbarten Wohnsiedlung verkauft werden könnte.

Verfahrensschema/Simulation

Zur Bestimmung des Energiebedarfs wurden in die Simulationssoftware SIMBA 6 Energieblöcke implementiert, mit denen der Stromverbrauch (bzw. im Falle des BHKW die Stromerzeugung) einzelner Aggregate bzw. Anlagenteile abgebildet werden kann. Die Daten hierfür wurden sowohl anhand mittlerer Volumenströme auf Grundlage der Leistungskennlinie bestimmt als auch mit Hilfe von Stromzangen-Amperemeter- Messungen untersucht.

Für die Simulation wurden Daten zum Abwasser an verschiedenen Stellen der Abwasserbehandlung in Labormessungen ermittelt (Daten zum Tagesgang: Durchflussmenge Q; TKN, NH4 +, NO3 -, O2, CSB). Weiterhin wurden die Daten der online-Messung in den Belebungsbecken (Redox- Potenzial, NH4 +, O2) und die entsprechende Gebläse-Leistung zur Simulation herangezogen.

Abbildung 2 zeigt den Aufbau des Modells (Version in größerer Auflösung unter www.gitlabor. de): Zu Beginn der Modellierung wird der Tagesgang mit Durchfluss-Werten und Konzentration der verschiedenen Parameter eingegeben. In einem Konverter-Block werden die erfassten Daten in die 13 Datensätze für die Stoffgruppen des ASM3 (Activated Sludge Model No. 3) [2] sowie den Volumenstrom umgerechnet.

Das Abwasser aus der Kanalisation wird im Hauptpumpwerk um 13 m angehoben; der Energieverbrauch der Pumpen des Hebewerks abhängig vom Tagesgang berechnet und ausgegeben. Zur Kontrolle werden die Zugangsdaten ausgegeben. Anschließend fließt das Rohabwasser im Gefälle durch die Anlage. Das Abwasser gelangt zunächst in die mechanische Reinigungsstufe.

Danach wird der Abwasserstrom auf zwei identische Straßen aufgeteilt. Das Vorklärbecken (1094 m3) schließt sich an. Es folgt die biologische Reinigungsstufe, die aus jeweils einem Becken mit den Belebungszonen I (1940 m3) und II (2460 m3) besteht. Beide Zonen sind mit online-Sensoren zur Messung von Nitrat- (bzw. Redoxpotenzial), Ammonium- und Sauerstoffgehalt ausgestattet.

Bei Belüftung läuft hier die Nitrifikation unter oxischen Bedingungen ab. Wird nicht belüftet, findet die Denitrifikation unter anoxischen Bedingungen statt. Über eine Zeitschaltuhr werden im Modell zwei verschiedene Belüftungsintervalle für den oxischen und anoxischen Betrieb in Belebungszone I eingegeben. Über den Ziel-Sauerstoffgehalt werden die benötigte Luftmenge pro Zeit und der dadurch erhaltene Sauerstoff-Gehalt berechnet. Es folgt Belebungszone II analog zur Zone I.

Ausgegeben werden jeweils der Energieverbrauch der Gebläse und Rührwerke sowie die Konzentrationen aller Stoffgruppen und der Volumenstrom. Das gereinigte Abwasser gelangt in ein Nachklärbecken (2922 m3), in dem sich das Klarwasser durch Sedimentation vom Belebtschlamm trennt. Dieser wird größtenteils als Rücklaufschlamm in die Belebungszone I zurückgeführt. Ein Teilstrom von 70 m³ / d wird als Überschussschlamm mit dem Primärschlamm aus der Vorklärung an die Faultürme weitergegeben.

Über das Hauptpumpwerk wird das gereinigte Abwasser in die Ems als Vorfluter geleitet. Alle drei Tage wird der Klärschlamm (300 m3) aus dem Voreindicker in die beiden Faultürme gepumpt. Die Schlamm-Daten müssen vom ASM3 zum ADM1 (Anaerobic Digestion Model No. 1 [3]) mit insgesamt 33 Stoffgruppen und Q (Durchflussmenge) konvertiert werden.

Hiermit wird die Umsetzung des Klärschlamms im Faulturm simuliert. Der elektrische Energieverbrauch durch die Rührwerke, der thermische zum Einhalten einer konstanten Temperatur und die Menge und Zusammensetzung des zu erwartenden Faulgases (CH4, CO2 und H2) werden berechnet. Anschließend kann noch die Umsetzung des Klärgases im Blockheizkraftwerk simuliert und die zu erwartende elektrische und thermische Energie berechnet werden.

Der ausgefaulte Schlamm (300 m3 in drei Tagen) wird in einem Nacheindicker gesammelt und dann in Vererdungsbeete gepumpt. Für alle Zonen der Kläranlage können die jeweiligen Daten der Simulation (gestrichelt in Abbildung 3 dargestellt) ausgegeben und mit den realen Daten der online-Messung verglichen werden.

Analyse der Ergebnisse

Über die Zeitschaltuhr gelang es sehr gut, die simulierten Sauerstoffgehalte mit den realen in Übereinstimmung zu bringen. Auch der Verlauf der Ammonium-Konzentration weist eine recht gute Übereinstimmung auf, besonders der Ablauf der Minima und Maxima der Kurven. Die Unterschiede zwischen den Minima und Maximasind in der Messung allerdings wesentlich deutlicher ausgeprägt als in der Simulation und die Absolutwerte der NH4 +-Konzentration liegen in der Realität deutlich niedriger als in der Simulation.

Der Vergleich der simulierten Nitrat-Werte mit den gemessenen Redox-Werten zeigt eine gute Übereinstimmung der jeweiligen Minima. Weiterhin ist gut zu erkennen, wann die Nitrifizierung stattfindet und wann denitrifiziert wird. Die Simulation zeigte weiterhin mit berechneten 540.000 m3 Faulgas eine recht gute Übereinstimmung mit den tatsächlich im Jahr 2010 an das BHKW übergebenen 560.000 m3 Faulgas [4].

Aus diesen Voruntersuchungen ergibt sich ein großes Potenzial zur Optimierung der Energieeffizienz der untersuchten Kläranlage. Das Projekt wurde von der Deutschen Bundesstiftung Umwelt finanziert und in Zusammenarbeit mit der Fachhochschule Lübeck durchgeführt.

Literatur

[1] Energieeffizienz auf kommunalen Kläranlagen. Herausgegeben vom Umweltbundesamt, 2009.

[2] Gujer W. et al.: The activated sludge model No.3. IAWQ Task Group on Mathematical for Design and Operation of Biological Wastewater Treatment Processes. Kollekolle Seminar on activated Sludge Modelling, Modelling and Microbiology of Activated Sludge Process, Copenhagen, 1998

[3] Batstone D. J. et al.: Anaerobic Digestion Model No.1, IAWQ Scientific and Technical Report No. 13. IWA Publishing, London 2001

[4] Lindenthal W. et al.: Entwicklung eines Konzeptes zur Steigerung der Energieeffizienz und Betriebssicherheit sowie zur Optimierung des gekoppelten Systems Klär-/Biogasanlage, SIMBA-Anwendertreffen, Magdeburg, 2011

Autor(en)

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Constantiaplatz 4
26723 Emden

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