Dresden — Fast 4.400 Gigawattstunden pro Jahr benötigen die kommunalen Kläranlagen in Deutschland, um ihre Aufgabe zu erfüllen – etwa die Jahresleistung eines modernen Kohlekraftwerks. Besonders energieintensiv sind bei der Abwasseraufbereitung Prozesse in den sogenannten Belebungsbecken, in denen Bakterien Kohlenstoff- und Ammoniumverbindungen abbauen. In den meisten Kläranlagen übersteigt die aufgewendete Energie den tatsächlichen Bedarf, da sie nicht optimal ausgelegt sind. Im Verbundprojekt LEOBEL wollen Forscher deshalb neue Betriebsvarianten entwickeln, die die Effizienz der Anlagen steigern.
Mikroorganismen filtern in Kläranlagen Schmutzstoffe aus dem Wasser. Dafür benötigen sie sehr viel Sauerstoff, den spezielle Belüftungssysteme am Boden der Anlagen unter hohem Energieaufwand einspeisen. „Um den Belebtschlamm gut zu durchmischen, verteilen oft zusätzlich Rührwerke den Sauerstoff, was weiteren Energieaufwand nötig macht”, erläutert Dr. Sebastian Reinecke vom HZDR-Institut für Fluiddynamik. „Der Sauerstoffeintrag und die Durchmischung in den Becken bestimmen also maßgeblich die Leistungsfähigkeit und damit die Energiebilanz der Kläranlage.“
Ein zu hoher Energieeinsatz
Nach Ansicht des Dresdner Forschers ließe sich durch technische Maßnahmen Energie einsparen: „In den meisten Anlagen ist die tatsächliche Konzentrationsverteilung des gelösten Sauerstoffs und der Ammoniumverbindungen in den Becken unbekannt. Daher ist das Zusammenspiel zwischen Einspeisen und Verteilen des Gases oft mangelhaft und es kommt häufig zu einer Inhomogenität von Über- oder Unterversorgung mit Sauerstoff. Entsprechende Funktionstests gibt es nur sehr selten, weil passende, räumlich auflösende Messverfahren für die komplexen hydrodynamischen und biochemischen Prozesse in den Becken fehlen.“ Die Folge ist ein zu hoher Energieeinsatz. Gemeinsam mit Kollegen der TU Dortmund und des Instituts für Wasser und Energie Bochum (IWEB) will Sebastian Reinecke im Projekt „Leistungsoptimierung von Kläranlagen durch gezielte Strömungsführung in Belebtschlammbecken“ (LEOBEL), das die Deutsche Bundesstiftung Umwelt fördert, dieses Problem lösen.
Was treiben die Blasen im Schlamm?
„Ziel ist, Simulationsmethoden und Messtechnik zu entwickeln, mit denen Strömungsverhältnisse direkt im Becken analysiert und darauf aufbauend optimiert werden können“, erläutert Reinecke. Bei Experimenten an zwei Versuchsaufbauten sind der Dresdner Ingenieur und sein Team bereits zu aufschlussreichen Ergebnissen gekommen. Mit dem ultraschnellen Röntgentomograph ROFEX konnten sie im Labor zum ersten Mal das Verhalten von aufsteigenden Blasenschwärmen im Belebtschlamm für drei unterschiedliche Belüftertypen ermitteln. Diese Ergebnisse überprüften sie anschließend unter realitätsnahen Bedingungen mit Belebtschlamm aus dem sächsischen Klärwerk Ebersbach in einer Technikumsanlage, die ein Füllvolumen von rund 14.000 Litern umfasst. Mit den experimentellen Daten validierten sie dann die Simulationsmodelle der TU Dortmund.
Prozesse gut vorhersagbar
„Wir konnten dabei feststellen, dass die Modelle unserer Kollegen die Prozesse in den Becken gut vorhersagen“, fasst Reinecke zusammen. „Auf der Basis können wir verbesserte Vermischungs- und Belüftungsstrategien entwickeln.“ Erste Simulationen der TU Dortmund von Betriebsvarianten für die Kläranlage im nordrhein-westfälischen Schwerte legen zum Beispiel nahe, dass circa 23 Prozent der eingesetzten Energie in den Belebungsbecken eingespart werden könnte, was einer Reduktion von rund 130 Tonnen Kohlendioxid pro Jahr entspricht. „Die Untersuchungen haben außerdem gezeigt, dass ein neuartiger Edelstahl-Membranbelüfter der IWEB GmbH den Schlamm besser belüftet und vermischt als bisher eingesetzte kommerzielle Modelle. Der Energieverbrauch konnte dadurch um bis zu 25 Prozent gesenkt werden. Gleichzeitig versprechen neue Erkenntnisse zur Verbesserung weiteres Potential, um den Energieverbrauch zu reduzieren.“
In der dritten Phase des Projekts wollen die Forscher nun bis März 2018 ihre neuentwickelten Strategien validieren.
Quelle: Helmholtz-Zentrum Dresden – Rossendorf e. V.
