Schlammige Energiefresser

Fast 4400 Gigawattstunden pro Jahr – das benötigen die kommunalen Klär­anlagen in Deutsch­land, um ihre Auf­gabe zu erfüllen. Dies ent­spricht etwa der Jahres­leistung eines modernen Kohle­kraft­werks. Besonders energie­intensiv sind bei der Abwasser­auf­berei­tung Prozesse in den 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 „Leistungs­opti­mie­rung von Klär­anlagen durch gezielte Strömungs­führung in Belebt­schlamm­becken“, kurz EOBEL, das die Deutsche Bundes­stiftung Umwelt fördert, ent­wickeln Forscher des Helm­holtz-Zentrums Dresden-Rossen­dorf mit der TU Dort­mund und der IWEB GmbH des­halb neue Betriebs­vari­anten, die die Effi­zienz der Anlagen steigern.

Wenn Sebastian Reinecke vom HZDR-Institut für Fluiddynamik eines seiner Forschungs­objekte beob­achtet, sieht er auf den ersten Blick nicht viel außer Schlamm. Die undurch­sichtige Masse leistet aller­dings einen wichtigen Beitrag bei der her­kömm­lichen Abwasser­reinigung – oder viel­mehr die Mikro­orga­nismen, die sich darin tummeln. In Klär­anlagen filtern sie Schmutz­stoffe aus dem Wasser. Dafür benötigen sie jedoch 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 Reinecke. „Der Sauer­stoff­eintrag und die Durch­mischung in den Becken bestimmen also maß­geb­lich die Leistungs­fähig­keit und damit die Energie­bilanz der Klär­anlage.“

Nach Ansicht des 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.“

„Unser Ziel ist, Simulationsmethoden und Messtechnik zu ent­wickeln, mit denen Strömungs­ver­hält­nisse direkt im Becken analy­siert und darauf auf­bauend opti­miert werden können“, erläutert Reinecke weiter. Bei Experi­menten an zwei Versuchs­auf­bauten sind er und sein Team bereits zu auf­schluss­reichen Ergeb­nissen gekommen. Mit dem ultra­schnellen Röntgen­tomo­graphen 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 Simula­tions­modelle der TU Dort­mund.

„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 etwa 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 Edel­stahl­membran­belüfter 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 Poten­zial, um den Energie­ver­brauch zu redu­zieren.“ In der dritten Phase des Projekts wollen die Forscher bis März 2018 ihre neu­ent­wickelten Strategien validieren.

HZDR / RK