Effizienzsteigerung in der kommunalen Abwasserreinigung

Das Tochterunternehmen Wilo EMU GmbH produziert am Standort Hof unter anderem Lösungen für die kommunale Trinkwasserver- und Abwasserentsorgung. Themenschwerpunkte der Veranstaltung bildeten Effizienzsteigerungen und Energieeinsparungen durch die optimierte Auslegung von Belebungsbecken. Vor allem die Belüftungs- und Rührwerkstechnik entscheidet dabei über die Wirtschaftlichkeit des Gesamtsystems Belebungsbecken. Der Veranstalter Wilo informierte vor diesem Hintergrund über die neueste, besonders energieeffiziente Generation bei Tauchmotorrührwerken.

Rund 50 Planer, Ingenieure und Betreiber von Kläranlagen informierten sich im historischen Ambiente der Hamburger Kaffeebörse über die Planung von Belebungstechnologien in der kommunalen Abwasseraufbereitung und die Ermittlung ihrer Lebenszykluskosten. Mario Hübner (Wilo EMU GmbH) erläuterte beispielsweise, wie sich diese durch Verwendung von Rührwerken und Abwassertauchmotorpumpen der neuesten Generation optimieren lassen. Als weitere Referenten hatte Wilo führende Experten aus Wirtschaft und Forschung gewinnen können.

´Optimierungsstrategien für das Abwassermanagement

„Kommunale Betriebe sind als Vorbilder und Multiplikatoren gefragt, wenn es um die Senkung des Energieverbrauchs und des CO2-Ausstoßes geht. Hamburg Wasser hat es sich zum Ziel gesetzt, die Anlagentechnik energieautark zu betreiben. Dies soll durch den Einsatz energieeffizienter Technik realisiert werden“, formulierte Dr. Michael Beckereit, Geschäftsführer des Hamburger Wasserver- und -entsorgers, das ehrgeizige Vorhaben seines Unternehmens. Durch sein ökologisches Engagement unterstütze Hamburg Wasser aktiv die Klimaschutzziele der Hansestadt. So hat sich der Hamburger Senat zu einer Reduzierung des CO2-Ausstoßes bis 2050 um 80% gegenüber 1990 verpflichtet. Vor diesem Hintergrund wurde die Stadt 2009 von der Europäischen Kommission als „Grüne Hauptstadt Europas 2011“ ausgezeichnet.

Speziell für die Abwasserentsorgung bedeute dies, dass man zum einen die Eigenenergieerzeugung forciere, zum anderen den Energieverbrauch weiter senken werde, führte Beckereit weiter aus. Durch die Abwärmenutzung beim anfallenden Klärschlamm und die Stromerzeugung aus Faulgas könne der städtische Klärwerksverbund bereits heute 60% seines jährlichen Strombedarfs und 100% seines jährlichen Wärmebedarfs selber erzeugen. Um den Energiebedarf der Abwasserreinigung zu senken, werde man in Kürze die Belebungsbecken-Technik von Kreiselbelüftung auf Druckbelüftung umrüsten. Diese Art der Belüftung sei wesentlich effizienter in Hinblick auf Energieverbrauch und Reinigungsleistung als die Oberflächenbelüftung. So erwarte man eine Stromeinsparung von rund 18.000 MWh pro Jahr. Das entspreche einer jährlichen CO2-Reduktion von etwa 11.000 Tonnen, schloss Beckereit.

Optimale Auslegung von Belebungsbecken-Technik

Wie wichtig Auswahl und Positionierung beispielsweise der Belüftungs- und Rührwerkstechnik für die Wirtschaftlichkeit von Belebungsbecken ist, vertiefte anschließend Dipl.-Ing. Dr. techn. Wilhelm Peter Frey. Der Lehrbeauftragte am Institut für Wassergüte, Ressourcenmanagement und Abfallwirtschaft der Technischen Universität Wien stellte Strategien vor, mit denen unter Berücksichtigung verschiedener Einflussfaktoren eine möglichst effiziente Abwasserreinigung geplant werden könne. „Entscheidend ist, dass die Reinigungswirkung von Belebungsbecken jederzeit durch eine bedarfsgerechte Sauerstoffzufuhr gewährleistet bleibt“, umriss Frey die zentrale Herausforderung bei der Auswahl der einzusetzenden Komponenten. Im Mittelpunkt standen dabei Druckbelüftung und Tauchmotorrührwerke.

Wenn Belebungsbecken-Technik in der Praxis ineffizient und unwirtschaftlich arbeite, liege dies in der Regel daran, dass die einzelnen Komponenten unzureichend aufeinander abgestimmt sind. So sei die Effizienz von Rührwerken und Belüftern maßgeblich von den durch sie bewirkten Strömungsverhältnissen und der daraus resultierenden Reinigungsleistung abhängig. In Belebungsbecken gelte es Toträume, Kurzschlussströmungen und Ablagerungen zu vermeiden. In diesem Zusammenhang zeigte Frey anhand von Kennwerten, Mindestströmungsgeschwindigkeit und Schubkraft das geeignete Vorgehen bei der Auswahl der optimalen Rührwerkstechnik auf. Für die richtige Positionierung des Rührwerks innerhalb des Beckens seien Durchmesser, Drehzahl und Konstruktionseigenschaften maßgeblich.

Zuverlässige Simulation von Strömungsverhältnissen

„Präzise Aussagen über die realen Strömungsverhältnisse im Belebungsbecken lassen sich trotz genauer Kenntnis aller Einflussfaktoren und -größen während der Planungsphase bisher nur schwer treffen.“ Mit dieser Feststellung verwies Dr.-Ing. habil. Michaela Hunze auf die Tatsache, dass die Ergebnisse einer theoretischen Auslegung von Belebungsbecken in der Praxis oftmals hinter den Erwartungen zurückblieben. „Die Lücke zwischen Theorie und Praxis kann jedoch geschlossen werden“, versprach Hunze. Als Lösung stellte die Geschäftsführerin der FlowConcept GmbH die Strömungssimulation „Computational Fluid Dynamics“ (CFD) vor.

Ursächlich für verfahrenstechnisch problematische Strömungsverhältnisse in Belebungsbecken sei meist eine ungünstige Positionierung der einzelnen technischen Komponenten zueinander, erläuterte sie. Mit der Software könnten hingegen Strömungsverhältnisse schon in der Planungsphase erheblich genauer berechnet und somit optimiert werden. Das Computermodell berücksichtige neben der Beckengeometrie, alle technischen Komponenten sowie alle relevanten Betriebsparameter. Wie die Modellierung umzusetzen sei, zeigte Hunze einerseits am Beispiel von Rührwerken und andererseits an Hand von Beckenuntersuchungen. „Die Simulation hilft dabei, die Transparenz der Systeme zu erhöhen und im Vorfeld verfahrenstechnische Probleme zu erkennen“, fasste die Referentin den Nutzen der Software zusammen. Der besondere Vorteil bestehe darin, bereits in der Planungsphase Energiesparpotenziale durch eine Optimierung von Auslegung und/oder Betrieb aufzeigen und so Amortisationszeiten besser prognostizieren zu können.

Hocheffiziente Rührwerkstechnik

Wie sich aber auch durch den Einsatz entsprechend effizienter Technologien Energiespar- und -optimierungspotenziale erschließen lassen, erläuterte Mario Hübner, Produktmanager der Wilo EMU GmbH. „Die neueste Generation langsamlaufender Tauchmotorrührwerke erreicht eine Verbesserung des Wirkungsgrades um circa 10 %“, so Hübner. Da die Energiekosten den größten Teil der Lebenszykluskosten von Rührwerken ausmachten, sei es im Klärprozess entscheidend, eine leistungsstarke und zugleich effiziente Durchmischung zu erreichen. Einen objektiven Vergleich gleichartiger Tauchmotorrührwerke ermögliche die sogenannte Schubleistungsziffer (Rührwerksschub / aufgenommene Leistung) auf Grundlage der Norm ISO 21630. Je größer die errechnete Zahl, umso effizienter arbeite das Rührwerk. Die Baureihen „Wilo EMU Maxiprop“ und „Wilo EMU Megaprop“ erzielten hier durch ihre bedarfsabhängige Anpassung der Propellerdrehzahl besonders hohe Werte. Ihre verschleißarme, selbstreinigende und strömungsoptimierte Ausführung sorge zusätzlich für eine deutliche Verringerung der Lebenszykluskosten.

Für beste Ergebnisse in der Abwasserreinigung sorge neben der richtigen Positionierung und einer qualitativ hochwertigen Ausführung aller technischen Komponenten eine gezielte und auf den jeweiligen Einsatzfall abgestimmte Auslegung. Damit Rührwerke und Pumpen optimal auf die individuellen Anforderungen in der Abwasserreinigung abgestimmt werden können, empfehle sich vor diesem Hintergrund ein modularer Aufbau. Hierdurch seien z. B. die Rezirkulationspumpen von Wilo, die in der kommunalen Abwasserreinigung hauptsächlich für die Rückführung definierter Teilmengen in die vorgeschalteten Reinigungsstufen zum Einsatz kommen, bedarfsgerecht konfigurierbar. Bei Abwassertauchmotorpumpen sei hingegen vor allem die optimale Auswahl des Laufrades wichtig und trage entscheidend zur Lebensdauer des Aggregats bei, erklärte Hübner.

Weitere Optionen für eine Verbesserung von Standzeiten und Effizienz zeigte Hübner in Form von Spezialbeschichtungen und dem Einsatz von Frequenzumformern auf: „Durch Verwendung der hochwertigen Zwei-Komponenten-Beschichtung ‚Wilo Ceram’ können Rührwerke, Pumpen- und Anlagenteile wirkungsvoll vor Korrosion und Abrasion geschützt werden“, so der Experte. In der Klärwerkstechnik empfehle sich die Anwendung besonders dann, wenn dem Abwasser Fällmittel zur Phosphatelimination zugesetzt werden. Mit „Wilo Ceram“ reduzierten sich die Kosten für Wartung und Reparatur. Die beschichteten Teile wiesen zudem eine geringere Oberflächenrauhigkeit auf, wodurch sich der hydromechanische Wirkungsgrad erhöhe. „Darüber hinaus wird der flächendeckende Einsatz von Frequenzumformern eine stufenlose Anpassung von Rührwerken an die veränderbaren Beckenparameter ermöglichen“, prognostizierte Hübner. „Unter dem Strich ergibt sich auf diese Weise über den gesamten Lebenszyklus eine nochmals verbesserte Gesamtwirtschaftlichkeit sowie eine deutliche Reduzierung des Energieverbrauchs und der CO2-Emissionen.“

Zusammenfassung

Die von Wilo veranstaltete Fachtagung machte deutlich, dass die Wirtschaftlichkeit von Belebungsbecken überwiegend von der zum Einsatz kommenden Belüftungs- und Rührwerkstechnik abhängt. Dabei ist es zunächst entscheidend, dass die einzelnen technischen Komponenten exakt aufeinander abgestimmt werden, um optimale Strömungsverhältnisse im Becken zu gewährleisten. Dies lasse sich beispielsweise im Computermodell simulieren. Einen besonders großen Einfluss auf die Gesamtwirtschaftlichkeit hat zudem moderne, energieeffiziente Rührwerkstechnik. Die Systeme von Wilo bieten hier durch einen besonders hohen Wirkungsgrad, einen modularen Aufbau und eine optionale Spezialbeschichtung bedarfsgerechte Lösungen für die kommunale Abwasserreinigung.

Die Veranstaltung „Innovative Technologien und Lösungen für Belebungsbecken“ bildete den Auftakt zu einer Reihe von drei inhaltsgleichen Fachtagungen zur Klärwerkstechnik. Die beiden anderen werden am 18. Juni 2009 am Wilo EMU-Standort Hof und am 27. Oktober 2009 in Bottrop stattfinden.