Transcript CSB im ausgefaulten Schlamm (2 g N/EW/d)

Die energieautarke Kläranlage
Karl Svardal
Institut für Wassergüte,
Ressourcenmanagement und Abfallwirtschaft
Technische Universität Wien
Einleitung
• Klimaveränderung und Energiebedarf sind
dominante Themen
 Einsparung an fossilen Brennstoffen
 Erneuerbare Energieträger
 Faulgas (Biogas)
• Abwasserreinigung hat in Österreich an politischer
Bedeutung verloren, weil zumindest die
Erstausstattung in Österreich und weiten Teilen
Westeuropas weitgehend vorhanden ist.
Einleitung
• Derzeit hohe Energiepreise und
staatliche Förderung für Energie aus
nachwachsenden Rohstoffen
 Druck auf Kläranlagen, Einsparungspotenziale beim
Energiebedarf zu ermitteln und umzusetzen
Auch wenn sich diesbezügliche Verbesserungen nur sehr
langsam amortisieren
• Abwasserbenchmarking liefert viel Datenmaterial zur
Überprüfung theoretischer Überlegungen mit den
Ergebnissen des praktischen Betriebes
Reinigungsanforderungen und
Energiebedarf
• Welchen Einfluss hat die geforderte
Reinigungsleistung auf den Energiebedarf?
 Die Reinigungskapazität einer Belebungsanlage, ist
abhängig vom Schlammalter und der Temperatur
 Die tatsächlich erzielte Reinigungsleistung auch von der
Steuerung der Sauerstoffzufuhr
Reinigungsanforderungen und
Energiebedarf
• Energiebedarf ist primär von der Sauerstoffzufuhr durch
Belüftungssysteme abhängig.
• Der gesamte Sauerstoffbedarf setzt sich zusammensetzen aus:
 OVC
Sauerstoffbedarf für die Oxidation der Kohlenstoffverbindungen
 OVN
Sauerstoffbedarf für die Oxidation von Ammonium zu Nitrat, das im
Ablauf enthalten ist (4,3 g O2/g NO3-Ne)
 OVDN
Sauerstoffbedarf für die Oxidation von Ammonium zu molekularem
Stickstoff, der durch Denitrifikation aus dem Abwasser entfernt
wird (1,7 g O2/g N-DN)
Reinigungsanforderungen und
Energiebedarf
• Berechnung von OVC
100
90
Energie im Schlamm
80
mit Vorklärung
70
CSB-ÜS
60
50
OVC
40
ohne Vorklärung
30
20
Energiebedarf für Belüftung
10
0
0
5
10
15
20
Schlammalter
25
30
35
[d]
Reinigungsanforderungen und
Energiebedarf
Annahmen für Energiebedarfsrechnung bei
verschiedenen Fallbeispielen
Mittlere Jahrestemperatur im Belebungsb.
°C
15
CSB von ausgefaultem Schlamm
g/EW110/d
30
CSB von simultan aerob stabilisiertem
Schlamm, Optimierung für N-Entfernung
g/EW110/d
34
CSB von simultan aerob stabilisiertem
Schlamm, Optimierung für Stabilisierung
g/EW110/d
30
kg O2/kWh
1,7 /2,2
Sauerstoffertrag unter Betriebsbedingungen
konventionell /effiziente neue Anlagen
Fallbeispiele für Energiebilanzen
Reinigungsanforderung
Anlagentyp
1
EU-Anforderung für normale
Gebiete (BSB-Entfernung)
1-stufige Belebungsanlage mit
Vorklärung und Schlammfaulung
4
2
EU-Anforderung für empfindliche 1-stufige Belebungsanlage mit
Gebiete, 75% N-Entfernung,
Vorklärung und Schlammfaulung,
Nitrifikation T>8°C
konventionelle Ausrüstung
15
EU-Anforderung für empfindliche 2-stufige Belebungsanlage mit
Gebiete, 75% N-Entfernung,
Vorklärung und Schlammfaulung,
Nitrifikation T>8°C;
effiziente Ausrüstung
1,5/ 8
3
4
5
tTS (d)
gleichzeitige aerobe
Schlammstabilisierung mit
Stickstoffentfernung >80%
1-stufige Belebungsanlage ohne
Vorklärung,
intermittierende Belüftung
25
gleichzeitige aerobe
Schlammstabilisierung, ohne
Stickstoffentfernung
1-stufige Belebungsanlage ohne
Vorklärung,
aerobes Schlammalter 25 d
25
Fallbeispiel 1:
1-stufige Belebungsanlage mit Vorklärung und Schlammfaulung
CSB Zulauf
CSB Ablauf Vorklärbecken (CSB-Entfernung VKB 30%)
CSB im Primärschlamm: 110 – 77 =
Ablauf CSB
CSB Abbau Belebung: 77 -11 =
OVC = 50% vom CSB-Abbau
CSB-ÜS = 50% vom CSB-Abbau
CSB im ausgefaulten Schlamm
CSB Zulauf Faulbehälter: PS + ÜS = 33 +33 =
CSB Faulgas: 66 – 30 =
110 g/EW/d
77 g/EW/d
33 g/EW/d
11 g/EW/d
66 g/EW/d
33 g/EW/d
33 g/EW/d
30 g/EW/d
66 g/EW/d
36 g/EW/d
OP= 1,7 kg/kWh; Sauerstoffgehalt im BB cx= 2mg/l
Belüftungsenergie: (33/1,7) * 10/(10-2) = 24,3 Wh/EW/d
Gasanfall: 36 * 0,35 =12,6 NL CH4/d
Elektr. WirkungsgradGasmotor: 3 kWh/Nm³CH4
 Energiebilanz: 24,3 – 12,6 * 3 = -13,5 Wh/EW/d (-0,56 W/EW)
Fallbeispiel 2:
1-stufige Belebungsanlage mit Vorklärung und Schlammfaulung
75% N-Entfernung
CSB Zulauf (9 g N/EW/d)
CSB Ablauf Vorklärung: (CSB-Abnahme VKB: = 30%)
CSB Primärschlamm
CSB Ablauf
CSB Entfernung in Belebung: 77 – 9 =
OVC (Abb. 2)
CSB-ÜS (2 g N/EW/d)
OVN = (9-2-5.6) * 4.3 =
OVDN: (denitrifizierte N-Fracht 5,6 g N/EW/d): 5,6 * 1.7 =
CSB im ausgefaulten Schlamm:
CSB im Zulauf Faulbehälter: 33 + 27 =
CSB im Faulgas = 60 - 30 =
110 g/EW/d
77 g/EW/d
33 g/EW/d
9 g/EW/d
68 g/EW/d
41 g/EW/d
27 g/EW/d
6 g/EW/d
10 g/EW/d
30 g/EW/d
60 g/EW/d
30 g/EW/d
OP = 1,7 kg O2/kWh; Sauerstoffgehalt im BB cx= 1,5 mg/l
OVgesamt= 41 + 6 + 10 = 57 g/EW/d;
Belüftungsenergie: 57/1,7 * (10/8,5) = 39,4 Wh/EW/d
Gasanfall: 30 * 0,35 = 10,5 NL CH4/d; Wirkungsgr. Gasmotor: 3 kWh/Nm³CH4
 Energiebilanz: 39,4 - 10,5*3 = +7,9 Wh/EW/d (+0,33 W/EW)
Fallbeispiel 3:
2-stufige Belebungsanlage mit Vorklärung und Schlammfaulung,
75% N-Entfernung, effiziente Ausrüstung
CSB Zulauf (9 g N/EW/d)
CSB Ablauf Vorklärung (Wirkungsgrad Vorklärung 30%):
CSB im Primärschlamm
CSB im Ablauf:
CSB-Entfernung in Belebung
OVC (Abb. 2)
CSB – ÜS (3,5 g N/EW/d)
CSB im Zulauf Faulbehälter:(3,5 g N/EW/d): 33 +34 =
OVDN: (denitrifizierte N-Fracht 3,7 g N/EW/d): 3,7* 1,7=
OVN= (9-3,5-3,7) * 4,3=
CSB im ausgefaulten Schlamm (2 g N/EW/d)
OV Trübwasserdenitrifikation (WETT) 1,5 * 1,05=
CSB im Faulgas: 68 - 30=
110 g/EW/d
77 g/EW/d
33 g/EW/d
9 g/EW/d
68 g/EW/d
34 g/EW/d
34 g/EW/d
68 g/EW/d
6,3 g/EW/d
7,7 g/EW/d
30 g/EW/d
1,6 g/EW/d
38 g/EW/d
Sauerstoffertrag OP = 2,2 kg O2/kWh; Sauerstoffgehalt im BB cx= 1,5 mg/l
OVgesamt= 34 + 7,7 + 6,3+ 1,6 = 49,6 g/EW/d
Belüftungsenergie:(49,6/2,2)*10/8,5 = 26,5
Gasanfall: 38 * 0,35 =13,3 NL CH4/d; Wirkungsgrad Gasmotor: 4 kWh/Nm³CH4
 Energiebilanz: 26,5 – 13,3 * 4 = -26,7 Wh/EW/d (-1,1 W/EW)
Fallbeispiel 4:
1-stufige Belebungsanlage ohne Vorklärung,
intermittierende Belüftung, 75% N-Entfernung
CSB Zulauf (11 g N/EW/d)
CSB Ablauf
CSB-Entfernung in Belebung
110 g/EW/d
9 g/EW/d
101 g/EW/d
OVC
67 g/EW/d
CSB im stabilisierten ÜS (2,3 g N/EW/d)
34 g/EW/d
OVDN: N-Entfernung 7 g N/EW/d: 7 * 1,7=
11,9 g/EW/d
OVN (NO3-N im Ablauf: (11 – 2,3 – 7) 4,3 =
7,3 g/EW/d
Sauerstoffertrag OP = 1,7 kg O2/kWh; Sauerstoffgehalt im BB cx =1,0 mg/l
OV gesamt=: 67 + 7,3 + 11,9 = 86 g O2/EW/d;
Belüftungsenergie = (86/1,7) * 10/9 = +56,2 Wh/EW/d
 Energiebilanz: +56,2 Wh/EW/d (+2,3 W/EW)
Fallbeispiel 5:
1-stufige Belebungsanlage ohne Vorklärung,
aerobes Schlammalter 25 d (weitgehende Schlammstabilisierung)
CSB- Zulauf: (11 g N/EW/d)
110 g/EW/d
CSB im Ablauf
CSB Entfernung in Belebung
9 g/EW/d
101 g/EW/d
OVC (Abb. 2)
69 g/EW/d
CSB im stabilisierten Schlamm:(2 g N/EW/d)
30 g/EW/d
OVN (Nitrat im Ablauf 11-2 = 9): 9 * 4,3 g O2/gN =
OV Gesamt: 69 + 38,7 =
38,7 g/EW/d
107,7 g/EW/d
Sauerstoffertrag OP = 1,7 kg O2/kWh; Sauerstoffgehalt im BB cx=1,2mg/l
Belüftungsenergie : (107,7/1,7)*10/8,8 = +72 kWh/EW/d (+3,0 W/EW)
 Energiebilanz: +72 kWh/EW/d (+3,0 W/EW)
Vergleich der Energiebilanzen
für die 5 Fallbeispiele
Dim
1
2
3
4
5
kgO2/kWh
1,7
1,7
2,2
1,7
1,7
Mittl. O2-Gehalt
mg/l
2
1,5
1,5
1
1,2
η el Gasmotor
%
25
25
37
-
-
Leistung Belüftung
W/EW
1,0
1,9
1,1
2,3
3,0
Sonstiger Bedarf
W/EW
0,7
0,7
1,0
0,7
0,6
el. Energiebedarf
kWh/EW/a
15
23
18
26
32
el. Leistung Biogas
W/EW
1,6
1,3
2,2
0
0
el. Gesamtleistung
W/EW
0,2
1,2
-0,1
3,0
3,6
kWh/EW/a
2
11
-1
27
32
Sauerstoffertrag OP
el. Energiebezug
Vergleich der Energiebilanzen
für die 5 Fallbeispiele
4,0
3,5
3,0
W/EW
2,5
Belüftung
2,0
Sonstige
Biogas
1,5
Gesamt
1,0
0,5
0,0
1
2
3
4
5
Resümee aus den Energiebilanzen
• Höhere Anforderungen an die Reinigungsleistung
(Nährstoffentfernung statt nur BSB-Entfernung) führen zwar zu
einem höheren Energiebedarf
 durch bessere Verfahrenswahl, effizientere Ausrüstung und
Nutzung des Faulgases kann dies kompensiert werden
(Fallbeispiele 1, 2 und 3).
• Große Kläranlagen können heute trotz hoher Anforderungen an
die Nährstoffentfernung, über ein Betriebsjahr gesehen, ohne
externe Energiezufuhr betrieben werden.
 Ausgleich zwischen einer relativ konstanten Energieproduktion aus
Faulgas und den starken Schwankungen des Energiebedarfs für
die Belüftung über den Anschluss an das Stromnetz (Beispiel 3).
Resümee aus den Energiebilanzen
• Bei kleinen Anlagen (<20.000 EW) ist es nicht wirtschaftlich,
den Bedarf an externer Energiezufuhr zu minimieren, weil die
Einsparung an Energie zumindest derzeit nicht die erhöhten
Investitionskosten für eine Schlammfaulung mit Verstromung
des Faulgases wettmachen können.
 Die Minimierung des Energiebedarfes ( Maximierung der
Stickstoffentfernung) resultiert in schlechterer Stabilisierung des
Schlammes (Fallbeispiele 4 und 5).
Realer Gesamtenergiebedarf von 47 Anlagen
(kommunale Kläranlagen in Österreich von 20.000 bis 1 Mio. EW)
Zusammenfassung
• Die auf Basis gesicherter theoretischer Grundlagen
und Erfahrungswerte berechneten Kennzahlen für
den spezifischen Leistungsbedarf je EW stimmen
sehr gut mit den Ergebnissen des österreichweit
angewendeten Abwasserbenchmarkings überein.
• Der Einfluss der Reinigungsleistung auf den
Energiebedarf ist zwar vorhanden aber nicht
dominant
• Den stärksten Einfluss auf den Energiebedarf hat die
Größe der Anlage, v.a. wenn gleichzeitig die
Minimierung der Gesamtkosten angestrebt wird
Zusammenfassung
• Für die Herstellung und laufende Instandsetzung der
Kläranlagen kann ein mittlerer Leistungsbedarf von ~12 W/E
abgeschätzt werden (vorwiegend fossile Energieträger). In
elektrische Leistung umgerechnet wären das >4 W/E.
 Damit liegt der Energiebedarf für die Errichtung und laufende
Instandsetzung von Kläranlagen in der gleichen
Größenordnung wie der Energiebedarf für den Betrieb
• Einsparungen an Energie dürfen nie zu Lasten der
Reinigungsleistung durchgesetzt werden. Insgesamt spielt der
Energiebedarf von Kläranlagen auf nationaler Ebene weder für
den Energiehaushalt noch für die Volkswirtschaft eine wichtige
Rolle.
Zusammenfassung
• Beim Betrieb von vielen Abwasserreinigungsanlagen ist ein
relevantes Einsparungspotenzial an Energie vorhanden.
 Wieweit es wirtschaftlich ist dies zu realisieren, muss bei
bestehenden Anlagen im Einzelfall entschieden werden.
• Energieautarke Kläranlage?
Es ist nachweislich möglich große Kläranlagen (>50.000 EW)
trotz hoher Anforderungen an die Reinigungsleistung
(1.AEVkA) so zu planen und zu betreiben, dass in einer
Jahresbilanz keine externe Energiezufuhr benötigt wird.
 Ob dies immer erstrebenswert ist, muss unter
Berücksichtigung aller spezifischen lokalen
Randbedingungen entschieden werden.