04.01.2018
ForschungUmwelt

Effizienzsteigerung von Kläranlagen

Vorstellung von Mess- und Simulationstechnischen Methoden

  • Abb. 1: (links) DN100-Messrohr mit Belebtschlamm im Elektronenstrahl-Röntgentomografen ROFEX. (mitte) Rekonstruierter Blasenschwarm in Belebtschlamm mit visualisierten Phasengrenzflächen der Gasblasen. (rechts) Aus den Tomografiedaten extrahierte Gasblasengrößenverteilungen für einen Tellerbelüfter.Abb. 1: (links) DN100-Messrohr mit Belebtschlamm im Elektronenstrahl-Röntgentomografen ROFEX. (mitte) Rekonstruierter Blasenschwarm in Belebtschlamm mit visualisierten Phasengrenzflächen der Gasblasen. (rechts) Aus den Tomografiedaten extrahierte Gasblasengrößenverteilungen für einen Tellerbelüfter.
  • Abb. 1: (links) DN100-Messrohr mit Belebtschlamm im Elektronenstrahl-Röntgentomografen ROFEX. (mitte) Rekonstruierter Blasenschwarm in Belebtschlamm mit visualisierten Phasengrenzflächen der Gasblasen. (rechts) Aus den Tomografiedaten extrahierte Gasblasengrößenverteilungen für einen Tellerbelüfter.
  • Abb. 2: (links) Technikumsanlage während des Anfahrens mit Tellermembranbelüfter (TB) und Plattenmembranbelüfter (PB) in Wasser. (rechts) Gelöstsauerstoffkonzentration DO in Belebtschlamm, Reinigungseffizienz REN und Druckverlust p am Belüfter (ohne hydrostatischen Anteil) für Edelstahlmembranbelüfter (EB) und PB in der Technikumsanlage in Abhängigkeit vom normierten Luftdurchsatz.
  • Abb. 3: (oben) Einsatz von Sensorpartikeln in einem Belebungsbecken einer Abwasseraufbereitungsanlage, (unten) Zeitreihe der Bewegungsdaten vertikale Position  z, vertikale Geschwindigkeit vz, Beschleunigung a und Drehrate w eines Sensorpartikels mit einem detektierten lokalen Strömungswirbel im Belebungsbecken und (rechts) Phasenportrait der vertikalen Bewegung eines Sensorpartikels z(vz).
  • Abb. 4: Simulation der Ammoniumverteilung mit Geschwindigkeitsfeld in einem Schnitt durch ein Belebungsbecken der KA Schwerte. Die Pfeile geben die Hauptfließrichtung des Abwassers an.
  • Tab. 1: Energieverbrauch einer Strasse der KA Schwerte für den Referenzbetrieb 2005 und die beiden simulierten Optimierungsvarianten A und B sowie die daraus resultierenden Energie-­Einsparungen der Gesamtanlage mit zwei Strassen ggü. dem Referenzbetrieb.

Für den Großteil der in Deutschland betriebenen Kläranlagen besteht durch den hohen Anteil des Energieverbrauches bei der Belüftung und Durchmischung des Abwassers in Belebungsbecken von 50% bis 80% am Gesamtenergiebedarf [1] ein  großes Einsparpotenzial.

Ziel dieses Vorhabens ist die Entwicklung einer Methodik, mit welcher basierend auf numerischen Simulationen die Optimierungspotenziale der jeweiligen Anlage aufgedeckt und optimierte Anlagenkonfigurationen und Betriebsweisen bestimmt bzw. bewertet werden können. Dies entspricht einer virtuellen Anlagenoptimierung durch numerische Experimente. Weiterhin werden die Maßnahmen nach ihrer Umsetzung an der konkreten Anlage mit Hilfe innovativer Sensorik messtechnisch validiert.

Damit soll eine grundlegende Verbesserung der Hydrodynamik und des Stofftransportes in Belebungsbecken in Verbindung mit der Effizienzsteigerung der Anlage basierend auf numerischen Simulationen und innovativen Sensortechnologien möglich werden.

Messtechnische Methoden
Für die Methodenentwicklung sind die Qualifizierung und die Anwendung innovativer Messverfahren im Rahmen gezielter Experimente ein wesentlicher Bestandteil. Dabei wird ein skalenübergreifender Ansatz mit Untersuchungen in der Labor-, Technikums- und Realskale verfolgt. Mit der Mehrphasenmesstechnik des HZDR werden relevante Strömungs- und Prozessparameter erfasst. Zudem werden unmittelbar Erkenntnisse über Optimierungspotenziale realer Anlagen gewonnen. Weiterhin dienen die Daten zur Validierung und Optimierung der Simulationsmodelle. In Laborstudien wird mit ultraschneller Elektronenstrahl-Röntgentomografie bei einer hohen raum-zeitlichen Auflösung das Strömungsverhalten von Gasblasenschwärmen in Abhängigkeit vom Gasvolumenstrom, des Belüftertyps und der Beschaffenheit der Flüssigphase (Abb. 1) untersucht [2]. In einer Technikumsanlage (2x14 m3) werden Langzeitversuche zum Vergleich von Belüfterelementen und Betriebsregimen durchgeführt (Abb. 2).

Zur Erfassung räumlich verteilter Prozessparameter in realen Belebungsbecken werden strömungsfolgende Sensorpartikel eingesetzt (Abb. 3). Diese Sensortechnologie wurde am HZDR entwickelt und befindet sich in der Weiterentwicklung zu einem smarten, verteilten Sensorsystem für große Reaktionsbehälter [3].

Numerische Methoden
Die im Vorhaben zu entwickelnde Optimierungsmethodik für Belebungsbecken basiert auf fortgeschrittenen numerischen Simulationen, bei denen die enge Kopplung zwischen den komplexen biochemischen Vorgängen, der Rheologie, dem Stofftransport und der Hydrodynamik im Prozess berücksichtigt wird.
Für die Simulationen wird ein rechenzeiteffizientes (3D,t) CFD-Mehrphasenmodell genutzt.

Darin werden der Belebtschlamm, dessen Absetzverhalten und die nicht-Newtonsche Rheologie abgebildet. Weiterhin werden das SST-Turbulenzmodell und das Stoffübergangsmodell nach Higbie genutzt. Die Strömungssimulationen sind an ein biochemisches Reaktionsmodell in Form des Activated Sludge Modell No. 1 gekoppelt.

Ausgewählte Ergebnisse
Ergebnisse der Laborstudien
Durch die hohe raum-zeitliche Auflösung der Elektronenstrahl-Röntgentomografie am ROFEX werden die Einzelblasen im Blasenschwarm und deren Bewegung in den rekonstruierten Datensätzen abgebildet. Daraus werden über eigens entwickelte Algorithmen Durchmesser und Aufstiegsgeschwindigkeiten der Gasblasen sowie Gasgehalte bestimmt. Dies erfolgte am Versuchsstand in einem DN100-Messrohr mit Reinstwasser, Salzlösung und Belebtschlamm für verschiedene Belüftertypen und Luftdurchsätze sowie über der Rohrhöhe von 3,5 m.

Ergebnisse der Technikumsanlage
In der Vergleichsstudie zeigte ein neuartiger Edelstahlmembranbelüfter (EB) ggü. einem Plattenmembranbelüfter (PB) einen deutlichen Vorteil im Sauerstoffeintrag. Für den typischen Regelbereich der Sauerstoffkonzentration von 1-2 mg/L ergibt sich bei dem Einsatz der EB ein um ca. 25% geringerer Luftverbrauch gegenüber PB bei vergleichbaren Abgasungsflächen und Reinigungseffizienzen.

Ergebnisse mit Sensorpartikeln
Es wurden erstmals instrumentierte Sensorpartikel in einem als Rundbecken ausgeführten Belebungsreaktor mit intermittierender Betriebsweise (Großschweidnitz, SOWAG mbH) zur biologischen Abwasseraufbereitung (Füllhöhe H0 = 5 m und Durchmesser D = 23,4 m) eingesetzt. Es sind zwei gegenüberliegende Rührwerke mit horizontaler Förderrichtung und 21 Plattenbelüfter am Boden des Behälters installiert.
Nach der automatischen Auftriebsanpassung der Sensorpartikel wurden diese in der Nitrifikationsphase im Belebungsreaktor eingesetzt und sind dann eigenständig aufgetrieben. Nach der Rückgewinnung wurden die Messdaten ausgelesen und hinsichtlich der ablaufenden Strömungsprozesse und der Homogenität der Vermischung im Becken analysiert. Anhand überhöhter Aufstiegsgeschwindigkeiten der Sensorpartikel ist eine ungünstige Überlagerung der Rührerstrahlen mit den Gasblasenfahnen zu erkennen, welche potenziell zu einer verkürzten Verweilzeit der Luftblasen und damit zu einer suboptimalen Sauerstoffausnutzung beitragen. Die Messgrößen Beschleunigung a und Drehrate w liefern weitere Informationen über die Strömungsbewegung der Sensorpartikel. Hierzu werden geeignete Algorithmen zur Bahnrekonstruktion entwickelt.

Ergebnisse der Simulation
Die Ergebnisse der Validierung anhand der Röntgentomografie-Untersuchungen zeigen deutlich das Potenzial der entwickelten Simulationsmethode auf [4]. Basierend auf Referenzwerten der KA Schwerte (Ruhrverband KöR) wurden Simulationen mit veränderten Betriebsweisen der Anlage durchgeführt. Dabei wurden Energie-Einsparungen von bis zu 23% gegenüber dem Referenzbetrieb der Kläranlage ermittelt (Tab. 1). Mit Hilfe der entwickelten Strömungsfolger und Konzentrationsprofilmessungen lassen sich die Simulationsergebnisse im Weiteren verifizieren.

Fazit
Die skalenübergreifende Betrachtung der experimentellen und numerischen Studien liefert wesentliche Beiträge für die Effizienzsteigerung von Kläranlagen. Die von der TU Dortmund entwickelten gekoppelten Simulationsmodelle bilden die Hydrodynamik der Mehrphasenströmung, die biologischen Reaktionen und den Stofftransport und deren Wechselwirkung im Belebungsbecken realitätsnah ab. Die darauf aufbauende Simulationsmethode zeigt ein hohes Potenzial, die Wirkung neuer Vermischungs- und Belüftungsstrategien schnell und effektiv auszutesten und diese zu analysieren. Es wurde damit am Beispiel der KA Schwerte durch die Kombination einer optimierten Vermischungs- und Belüftungsstrategie mit dem Einsatz effizienter Lufteintragssysteme wie die Edelstahlmembranbelüfter eine Energieeffizienzsteigerung bei der biologischen Abwasserreinigung von bis zu 35% ermittelt. Damit ist eine wirksame Auslegungsmethode zur Optimierung vorhanden, welche aussagekräftige Ergebnisse liefert.

Danksagung
In diesem Beitrag sind die Ergebnisse von Untersuchungen im Rahmen des von der DBU geförderten Vorhabens LEOBEL (AZ30799) dargestellt.

Autoren
Sebastian Felix Reinecke1, Ann Kathrin Höffmann2, Martin Stachowske3, Uwe Hampel1,4, Peter Ehrhard2

Zugehörigkeit
1 Experimentelle Thermofluiddynamik, Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf e.V., Dresden, Deutschland
2 Lehrstuhl für Strömungsmechanik, Technische Universität Dortmund, Deutschland
3 IWEB Institut für Wasser & Energie Bochum GmbH, Bochum, Deutschland
4 AREVA-Stiftungsprofessur für Bildgebende Messverfahren für die Energie- und Verfahrenstechnik, Technische Universität Dresden Deutschland

Kontakt
Dr. Sebastian Felix Reinecke

Experimentelle Thermofluiddynamik
Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf
Dresden, Deutschland
s.reinecke@hzdr.de

Referenzen
[1] Fricke, K., Energieeffizienz kommunaler Kläranlagen, Umweltbundesamt, Dessau-Roßlau, 2009.
[2] Sommer, A.-E., Wagner, M., Reinecke, S.F., Bieberle, B., Barthel, F., Hampel, U., Analysis of activated sludge aerated by membrane and monolithic spargers with ultrafast X-ray tomography, Flow Measurement and Instrumentation 53, 2017, 18–27.
[3] Reinecke, S. F., Hampel, U., Instrumented flow following sensor particles with magnetic position detection and buoyancy control, J Sens Sens Syst 5 (2016), 213–220.
[4] Höffmann, A. K., Ehrhard, P., Numerical investigations of bubbles rising in water, Proceedings in Applied Mathematics and Mechanics 17, 2017.

Wasser Wissen: http://www.wasser-wissen.de/

Kontaktieren

Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf
Bautzner Landstraße 400
01328 Dresden
Deutschland

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