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A B C D E F G H 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 2 3 4 5 6 7 8 Alle Rechte vorbehalten Vervielfältigungen und Weitergabe an Dritte nicht gestattet. Zuwiderhandlungen verpflichten zu Schadensersatz und werden strafrechtlich verfolgt. Zust. Änderung Datum Name Projektleiter Projektnummer Werkstoff Maßstab: Datum Name Bearb. 18.08.11 dw Gepr. Norm.: Tol.: DIN 2768-mL Projekt: Planung, Fertigung und Ausführung aller Technischen Anlagen D- 74746 Höpfingen Telefon +49 (0) 6283/2201-0 Telefax +49 (0) 6283/2201-88 Email: info@kuhn-gmbh.de Benennung: Zeichnungs-Nr.: Rev.: A B C D E F G 2841 2606 1915 2050 Status Änderungen Datum Name 100 Gezeichnet Kontrolliert Norm Status Änderungen 12 WASSERINFRASTRUKTUR UmweltJournal /Jänner 2019 Kläranlagen im Verbundsystem Kläranlagen können gemeinsam mehr Die klassische aerobe Abwasserreinigung hat Flüsse und Seen sauberer gemacht. Doch moderne Kläranlagen können mehr: Wer neue Verfahren zur Abwasserreinigung geschickt mit Düngerproduktion, Energiegewinnung und -vermarktung verknüpft, nutzt nicht nur die Ressourcen optimal, sondern verbessert auch die Wirtschaftlichkeit. Autor: DI Christoph Brunner AEE-INTEC, c.brunner@aee.at Kläranlagen mit aerober Wasserreinigung haben sich über die Jahrzehnte bewährt. Ihnen ist es zu verdanken, dass unsere Flüsse und Seen heute auch in Ballungsräumen relativ sauber sind. Doch seit diese Technologie in den 1970er und 1980er Jahren entwickelt wurde, ist nicht nur viel Wasser die Flüsse heruntergeflossen – auch die Technik und die Anforderungen haben sich weiterentwickelt. Bildlich gesprochen heißt kommunale Abwasserreinigung heute vor allem: Luft in das Abwasser blasen, damit Bakterien die Nährstoffe aus den Fäkalien abbauen können. Vor allem zersetzen sie Kohlenstoff- und Stickstoff-Verbindungen. Doch betrachtet man Stoff- und Energieflüsse, ist der Prozess längst nicht so ideal: Die Belüftung des zu klärenden Abwassers braucht eine Menge elektrische Energie. Österreichische Kommunen wenden dafür etwa 20 Prozent ihres gesamten Energiebedarfs auf – rund 40 Kilowattstunden pro Einwohner und Jahr. Und die Verbindungen, die von den Bakterien zersetzt werden, sind andernorts begehrt: Ammonium (NH4) ist der weltweit wichtigste Dünger für die Landwirtschaft. Um ihn zu produzieren, setzen Industriebetriebe ein bis zwei Prozent des gesamten weltweiten Energiebedarfs ein. Phosphor ist ebenso wie Stickstoff ein Pflanzennährstoff, der als Düngemittel verwendet wird. Im Überschuss kann er aber auch zur Eutrophierung von Gewässern beitragen. Die Kombination moderner Verfahren hilft, Ressourcen effizienter zu nutzen: Stickstoff und Phosphor werden als Wertstoffe zurückgewonnen. Der Kohlenstoff wird für die Energiegewinnung genutzt. Und die Kläranlage kann unterm Strich sogar zum Energieerzeuger und -speicher für das Strom- und Wärmenetz werden. Je nach Abwasser kann durch die Kombination mehrerer Technologien der Strombedarf um zehn bis 20 Prozent sinken, während zugleich die Biogas-Ausbeute um 20 bis 30 Prozent steigt. 1. Stickstoff-Rückgewinnung Um Ammonium-Phosphat aus dem Abwasser als Dünger zurückzugewinnen, stehen mehrere Verfahren zur Verfügung, wie zum Beispiel die Membran-Destillation, Stripping oder die Fällung von Magnesium- Ammonium-Phosphat (MAP- Fällung). Bei letzterer wird zunächst Magnesiumsalz dem Faulschlamm zugefügt, dann der pH-Wert durch das Einblasen von Luft und das Ausstrippen von CO 2 angehoben. So kommt es zu einer Ausfällung von Magnesiumammoniumphosphat, auch als Struvit bekannt, ein gut pflanzenverfügbarer Dünger. Bei einer mittelgroßen Kläranlage für circa 40.000 Einwohner kann auf diese Art circa 50 Kilogramm Ammonium-Phosphat täglich gewonnen werden. Eine weitere Möglichkeit, Ammonium mit geringem Energieeinsatz zurückzugewinnen, ist die Membran- Destillation. Dafür kann Niedertemperatur-Abwärme mit 30 bis 80 Grad Celsius aus dem Abwasser eingesetzt werden. Diese Ammonium-Rückgewinnung wirkt sich in doppelter Hinsicht positiv auf die Energiebilanz aus, denn im klassischen aeroben Verfahren wird das Ammonium zuerst von Bakterien zu Nitrat oxidiert. Dafür wird Sauerstoff benötigt. Hat man bereits zuvor einen Teil des Ammoniums entfernt, braucht man weniger Sauerstoff – und spart circa vier bis sieben Prozent der Belüftungsenergie. Im konventionellen Prozess wird das Nitrat im Anschluss von anderen Bakterien gemeinsam mit Kohlenstoff-Verbindungen verstoffwechselt. Muss weniger Nitrat abgebaut werden, kann man diesen Prozessschritt mini- Eine herkömmliche Kläranlage reinigt das Abwasser mit Vor-, Haupt- und Nachklärung. In einem Systemverbund wird der Prozess je nach Auslegung mit einer Biogasanlage, einer Wärmepumpe, eigener Stromproduktion und Düngemittel- Herstellung ergänzt. So werden Wertstoffe besser genutzt und die Wirtschaftlichkeit optimiert. Grafiken: Nina Rath Fotos: iStock.com mieren – und die Kohlenstoff- Verbindungen stattdessen für die Gewinnung von Biogas nutzen, was zu circa drei bis sechs Prozent mehr Ertrag führt. 2. Mehr Energie produzieren Sehr viele Kläranlagen nutzen bereits Klärgas oder Biogas in Blockheizkraftwerken, um Strom und Wärme für den eigenen Bedarf zu erzeugen. Doch die Energieerzeugung ist oft noch ausbaufähig. Dafür gibt es viele Ansätze, die für unterschiedliche Anlagen verschieden gut passen. Steht genug Platz zu Verfügung, kann zum Beispiel schon im Vorklärbecken durch längere Verweilzeiten mehr kohlenstoffhaltiger Schlamm abgetrennt werden. Bei wenig Platz ist ein Mikrosieb mit Trommelfilter eine Alternative. Ergänzend kann Flotation genutzt werden: Durch das Einblasen von Luft kommen kleine Partikel an die Oberfläche und können abgetrennt werden. Wie die Ammonium-Rückgewinnung die Energieausbeute erhöht, ist bereits oben beschrieben. Auch der Einsatz von Co- Substraten im Faulbehälter (zum Beispiel Bio-Abfälle oder Abfälle aus Großküchen) kann den Biogas-Ertrag erhöhen. 3. Die zusätzliche Energie gewinnbringend nutzen Gerade im Sommer, wenn die Faulbehälter nicht oder kaum beheizt werden müssen, steht in Kläranlagen nach heutigem Stand bereits oft mehr Energie zur Verfügung, als gebraucht wird. Anders sieht es aus, wenn man zum Beispiel mit einer Klärschlammtrocknung das Gewicht und die Entsorgungskosten für den Schlamm reduziert. Immer häufiger werden Kläranlagen auch durch eine zusätzliche Reinigungsstufe für Mikroverunreinigungen ergänzt. Diese benötigt zusätzliche elektrische Energie. Ist eine Fernwärme-Versorgung in der Nähe, kann das Biogas sogar umweltfreundliche Energie für viele Haushalte liefern. Dabei ist es meist kostengünstiger, das Gas (gegebenenfalls nach einer einfachen Aufbereitung) zur Heizzentrale zu leiten, als es auf dem Gelände der Kläranlage zu verfeuern und eine Fernwärme-Leitung zu errichten. Wird das Biogas auf Erdgas-Qualität aufbereitet, kann es sogar ins allgemeine Erdgas-Netz eingespeist werden. Wenn das Biogas verkauft anstatt zur Eigenversorgung genutzt wird, müssen Strom und Wärme für den Eigenbedarf natürlich ersetzt werden. Das kann z. B. über eine elektrisch angetriebene Wärmepumpe geschehen, die Wärme aus dem Abwasser entnimmt. Legt man einen erzielten Gaspreis von vier Cent pro Kilowattstunde und einen Einkaufspreis für den Strom von 13 Cent pro Kilowattstunde zugrunde, kommt im Rechenbeispiel unter Einbeziehung von Investitionen beziehungsweise Abschreibungen, Betriebskosten, entgangenem Nutzen (also den nun anfallenden Kosten für den Einkauf von Strom und Wärme) sowie den Erlösen ein Plus für die Kläranlage heraus. 4. Energie speichern mit Power-to-Gas Mit einem größeren Anteil von Wind- und Sonnenstrom werden Speichertechnologien immer wichtiger. Eine Möglichkeit ist, bei Erzeugungsspitzen Windund Sonnenstrom zur Erzeugung von Gas zu verwenden (Power-to-Gas). Das heißt, zunächst wird mit den Erzeugungsspitzen aus dem Stromnetz Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff gespalten (Elektrolyse). Im nächsten Schritt wird aus dem Wasserstoff und CO 2 Methan erzeugt (Methanisierung). In Kläranlagen ergeben sich dabei vielerlei Synergieeffekte: Der Sauerstoff aus der Elektrolyse kann für die Belüftung oder – falls vorhanden – eine Ozonierung verwendet werden. Für die Methanisierung kann das CO 2 aus dem Biogas oder der Biogas-Aufbereitung genutzt werden. Die bei der Met- Individuelle Wassertechnik-Lösungen Maßgeschneidert und Flexibel – made in Austria. Korrosion? Korrosive Substanzen greifen Beton-Tanks, Wannen und andere Behälter in Kläranlagen an. Maßgeschneiderte Auskleidungen von VTA Um angegriffene Betonbehälter zu sanieren oder neue von Anfang an zu schützen, kleidet VTA Tankbehälter, Becken und Wannen mit maßgeschneiderten Kunststoffplatten aus. VTA Systemprodukte Das Zusammenspiel der VTA Wassertechnik 980 mit nachhaltigen System- und Hochleistungsprodukten von VTA garantiert den optimalen Betrieb abwassertechnischer Anlagen. 2164,6 156 405 183 Steuerung 1400 700 E-Schrank 500 E-Schrank 1989 88,9 O 362 53 1385 183 Steuerung Maßgeschneiderte Lösungen 6 für die Abwassertechnik • Maßgeschneiderte Auskleidungen D 1644 von VTA • VTA Ultraschall-Gegenstromdesintegration • VTA mudinator ® • EURODOS Polyelektrolyt 250 E-Schrank Aufbereitungsanlagen • EURODOS Lagertank und Dosierstation • VTA mobidos Dosiercontainer • VTA Erdtank mit integrierter 1445 1476 Dosierstation 20 C B A 75 6 F E D 2x 50 HT Muffe C B A 8 Wasserzulauf 1 1/2" AG 8 1353 Da 63 Da 50 5 5 120 7 7 80 2 Zoll Innengewinde 6 2379 1 1/2 Zoll Innengewinde 400 25 Füllstatssensor 40-1" IG VTA 1220 Austria GmbH 150 1540 1270 VTA Rührwerk 1,5kW Technologie GmbH 50 vta@vta.cc Entnahme Da 50 Überlauf Da 63 4 Motorklappe Da 90 4 6 1542 1000 1000 250 225 250 225 15 Umweltpark 1 A-4681 Rottenbach Tel: +43 7732 4133 www.vta.cc 670 3 3 5 500 5 175 20 1340 1115 38 Öffnung 300x200 Da 50 38 1751 262 62 342 650 380 200 542 2 4 50 Da 63 80 62 Motorklappe Da 90 50 Flüssigpolymer Anschluß 1/2" IG Datum Name 07.03.2018 Hellwagner L. 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Jänner 2019/ UmweltJournal WASSERINFRASTRUKTUR 13 Höhere Wirtschaftlichkeit im Kanal: Höchstdruck-Wasserstrahl-Roboter Durch die Kombination zweier etablierter Methoden, dem Höchstdruck-Wasserstrahlen und der Kanalrobotik, nutzt die Firma Mauerspecht GmbH aus Sachsen (Deutschland) ihr langjährig erworbenes Wissen aus verschiedensten Anwendungen rund um die mobile Höchstdruck-Wasserstrahl- und Wasserschneidtechnik für Einsätze im Kanal. Fotos: mauerspecht Wurzeln lassen sich sehr gut mit Höchstdruckwasserstrahlen entfernen Autorin: Kathleen Böhmig Mauerspecht GmbH lens beruht auf hohem Druck und geringem Wasservolumenstrom. Meist reichen 1.200 bar bei 40 Liter pro Minute (l/min). Bei besonders harten und widerstandfähigen Materialien können es bis zu 2.500 bar bei 20 l/min sein. Im Vergleich dazu hat ein Saug-/Spülwagen etwa 150 bar und 200 bis 300 l/min. Nahezu alle Hindernisse werden von dem Höchstdruck- Wasserstrahlroboter bündig mit der Rohrwandung entfernt, ohne dass Nacharbeiten nötig sind. So erreicht der Höchstdruck-Wasserstrahlroboter in nur einem Arbeitsgang die optimale Vorbereitung für eine Kanalsanierung. Aus vier feinen Düsen Einem starken Wurzeleinwuchs rückte man bisher auf die herkömmliche Art zum Beispiel mit der Kettenschleuder und dem Wurzelschneider zu Leibe. Das „brachiale“ Werkzeug hat jedoch einen großen Nachteil: Es fehlt die optische Überwachung. Deshalb birgt diese Technik gerade bei einragenden Scherben oder stärkeren Muffenversätzen ein erhöhtes Risiko, das Kanalrohr noch mehr zu beschädigen. Auch der Fräsroboter stößt bei starken Wurzeleinwüchsen schnell an seine Grenzen und benötigt sehr viel Zeit, um ein zufriedenstellendes Ergebnis zu erzielen. Fast täglich gelangt Zementsuspension oder Flüssigbeton zum Verdichten unbemerkt in die Kanalisation. Wird der Schaden dann erkannt, so gab es bisher nur folgende Option: langwierige Fräsarbeiten oder Gesamtaustausch des Rohres. Beides ist äußerst kostenintensiv. Die wirtschaftlichere Lösung ist da der Höchstdruck-Wasserstrahl-Roboter. Aus zum Beispiel vier 0,6 Millimeter feinen Düsen knackt der Höchstdruck- Wasserstrahl-Roboter den Beton, dessen Brösel dann mit dem Saug-/Spülwagen geborgen werden kann. Die Schärfe des Strahls zeichnet Kringel in den Beton, bevor er bricht. Dank der Kamerabeobachtung in Echtzeit ist hierbei stets ein kontrolliertes Vorgehen möglich. Viermal so schnell wie Frästechnik Ein sensibles Thema ist die Ent- Zementsuspension geriet während der Bauphase in die Regenfallrohe Mit dem Höchstdruck-Wasserstrahl entfernte Linerstücke Mauerspecht bringt mit der Marke Drain-Jet Robotics die Höchstdruck-Wasserstrahltechnologie erfolgreich in die Instandhaltung und Sanierung von Kanalleitungen zurück. In definierten Zielanwendungen, wie zum Beispiel dem Entfernen von Inkrustationen und Kalkablagerungen, zementgebundenen Ablagerungen wie Beton oder Dämmer, Wurzeln, Bitumen, Fetten und dem Linerausbau, profitieren Auftraggeber und Kunden von einer Technologie, welche im Vergleich zu herkömmlichen Maschinen mehrfach schneller und damit deutlich kostengünstiger ist. Im Vergleich zu konventionellen Verfahren ist die Beeinträchtigung der Altrohrsubstanz bei der Beseitigung fester Ablagerungen in den meisten Fällen deutlich geringer. Das Prinzip des Höchstdruck-Wasserstrahfernung fehlerhafter Liner wie GFK-Schlauchliner oder Nadelfilz-Liner. Auch bei „Linern der zweiten Generation“ stellt sich das Problem des Linerausbaus ohne das Rohr zu stark zu beschädigen. Bei der Entfernung eines GFK-Liners zum Beispiel setzt der Höchstdruck-Wasserstrahlroboter (sofern mit der Technik noch in den Liner eingefahren werden kann) zunächst in gewissen Abständen einen Radialschnitt. Längsschnitte im Kämpferbereich bringen dann die Halbschale zum Einfallen. Bei allen Zielanwendungen kann der Höchstdruck-Wasserstrahlroboter zu vergleichbaren Kosten eine deutlich höhere Tagesleistung als ein herkömmlicher Fräsroboter erbringen. So ist das Höchstdruck-Wasserstrahlverfahren mindestens viermal so schnell wie die Frästechnik. Bei feinkörnigen, homogenen Materialien, wie beispielsweise Dämmer, kann es auch Faktor sechs, acht oder zehn sein. Vor diesem Hintergrund ist die Höchstdruck-Wasserstrahltechnik meist die wirtschaftlichere Variante. hanisierung entstehende Wärme kann zur Heizung des Faulturmes verwendet werden. Und nicht zuletzt ist in Kläranlagen qualifiziertes Betriebspersonal ohnehin vorhanden – es entstehen also auch hier Synergien. 5. Die beste Lösung für die eigene Kläranlage finden Die „richtige“ Lösung für die jeweils eigenen Anforderungen zu finden, ist eine komplexe Aufgabe: Welche Stoff- und Energieströme fallen an – und zu welchen Zeiten? Welche Kosten und Zusatzeinnahmen sind zu erwarten? Welche Kooperationen mit Wärme- oder Stromnetzbetreibern sind möglich? Um einen ersten Überblick zu gewinnen, ist das „Decision Support Tool“ (DEST) hilfreich, das im Rahmen des Projekts AR-HES-B entwickelt wurde. Mit Hilfe von realen Input-Daten über den Abwasser-Zulauf und der Auswahl verschiedener Technologien können verschiedene Szenarien erstellt und mit der Ist-Situation verglichen werden. Bilanziert werden die Wertstoffe Kohlenstoff (ausgedrückt als Chemischer Sauerstoff Bedarf CSB), Stickstoff und Phosphor. Auf der energetischen Seite fließen Biogas, Wärme und Strom in die Bewertung ein. In der Auswertung werden ökonomische und ökologische Größen berücksichtigt. Neben Jahreswerten kann auch mit Monatswerten gerechnet werden, um saisonale Schwankungen einzuberechnen. Eine konkrete Kläranlagen- Erneuerung in einer Kleinstadt ist für das Jahr 2019 geplant. Dabei soll eine neue Biogasanlage ergänzt werden. Das Biogas soll zum Großteil über eine neue Leitung in die Heizzentrale eines nahgelegenen Fernwärme- Netzes transportiert werden, aber auch den Wärmebedarf der Kläranlage decken (circa 250 Kilowatt). Eine Abwasser-Wärmepumpe soll die Wärme für die Beheizung der Biogasanlage liefern. Außerdem sollen die Gebäude der Kläranlage energetisch saniert werden. Abb. Technologie-Ketten-Schema: Mögliche Stoff- und Energieflüsse in einer Kläranlage Weitere Informationen: Download des Decision Support Tool (DEST) und detailliertes Manual unter: ar-hes-b.aee-intec.at Grafik: AEE INTEC Schraubengebläse mit SIGMA PROFIL – Kompromisslos effi ziente Tiefenbelüftung Leistungsstark – Volumenstrom 2,5 bis 160 m³/min, max. Überdruck 1,1 bar KOMPRESSOREN • Industrie und Wasser – 4.0 – kompatibel – durch die vernetzbare Steuerung SIGMA CONTROL 2 • Gebläseblock mit SIGMA PROFIL – bis zu 35 % weniger Energie gegenüber herkömmlichen Drehkolbengebläsen • Revolutionär raumsparend – z.B. 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