Energieeffizienz und Kläranlagensimulation

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Entscheidungen zur Einsparung von Energie sind in jedem Einzelfall unter Berücksichtigung der daraus resultierenden Konsequenzen für Verfahrenssicherheit und Behandlungseffekte der Kläranlage zu treffen.

Ein typisches Beispiel hierfür ist die Einsparung von Energie in der Belüftung. BONGARDS, 2000 hat anhand von Messungen auf einer kommunalen Kläranlage (Belebungsanlage für 8000 EW mit vorgeschalteter Denitrifikation) eine empirische Formel zur Ermittlung der Größe der zu erwartenden Energieeinsparungen bei Senkung des Sauerstoffgehalts im Belebungsbecken abgeleitet:

ΔW = 100% * 0,15 * ΔC_O2

Darin bedeuten

ΔW Energieeinsparung in %, bezogen auf die gesamte Anlage
ΔC_O2 mittlere Sauerstoffkonzentration im Belebungsbecken in mg/l

Nach dieser Beziehung bewirkt z.B. eine Herabsetzung der mittleren Sauerstoffkonzentration von 2,2 mg/l auf 1,8 mg/l eine Energieeinsparung von 6%, bezogen auf die gesamte Anlage.

Eine Absenkung des Sauerstoffgehalts in der Belebungsstufe darf aber nicht dazu führen, dass der Sicherheitsabstand zu gültigen Grenzwerten, z.B. beim CSB, unzulässig verringert wird oder gar ein Überschreiten der Überwachungswerte eintritt. Letzteres wäre beispielsweise dann zu besorgen, wenn aufgrund unzureichender Belüftung leicht abbaubares Substrat in die Nachklärbecken gelangt und dort eine nachträgliche Denitrifikation erlaubt. Dabei ausgasender Stickstoff kann Schlamm auftreiben und diesen in den Klärwerksablauf bringen.

Vergleichbare Zusammenhänge zwischen Energieeinsparung auf der einen und Verfahrenssicherheit auf der anderen Seite bestehen auch bei der Rücklaufschlammförderung oder der Abwassermenge für die interne Rezirkulation. Belüftung, Rücklaufschlammförderung, interne Rezirkulation usw. sind aber technologisch untrennbar verknüpft. Werden diese Probleme jeweils nur für sich allein betrachtet und dementsprechend gesteuert, führt dies weder zu Energieeffizienz noch zu Verfahrenssicherheit, sondern zur Suboptimierung. Folglich muss die Kläranlage als Ganzes betrachtet werden. Dabei kann die dynamische Kläranlagensimulation wichtige Dienste leisten. Die Weiterentwicklung dieser Technik und die Bereitstellung günstiger Online-Messsonden haben neue Möglichkeiten der Regelung biologischer Prozesse und betrieblicher Optimierung ergeben.

Dies wird übrigens auch von HABERKERN et al., 2008 im jüngsten F&E-Bericht des UBA zur Steigerung der Energieeffizienz auf Kläranlagen empfohlen: “Sinnvoll erscheint uns daher die Ableitung eines Optimums auf der Basis betriebsnaher, optimierter Bemessung (und Nachweis über dynamische Simulation)…”