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Energieeffiziente Optimierung der Belüftungs- und Regelungstechnik der Kläranlage Hermeskeil

  • In dieser Arbeit wurde die Möglichkeit der Optimierung des Belüftungssystems und der Regelungstechnik am konkreten Beispiel der Kläranlage Hermeskeil beschrieben. Im Spannungsfeld zwischen Investitionskosten einerseits und technisch erschließbarem Optimierungspotential andererseits, erfolgte die Definition des Umfangs der Optimierungsmaßnahme. Diese sollte sich auf die Erneuerung und energieffiziente Konfiguration der Belüftungselemente ab der Beckenkrone beschränken. Gebläseaggregate und Rohrleitungssystem zum Belebungsbecken wurden nicht verändert. Die bestehenden Rohrbelüfter mit EPDM-Membran wurden durch neuartige Plattenbelüfter mit PU-Membran getauscht. Durch flächige, gleichmäßige Verteilung der neuen Belüfterelemente am Beckenboden sollte die zuvor getrennte Umwälzung mittels Rührwerken fortan durch das Belüftungssystems selbst mittels Belüftungsstößen erfolgen. Dadurch erschloss sich zudem die Möglichkeit das bisherige Betriebsverfahren als Umlaufreaktor auf einen Betrieb nach dem Pfropfenstromverfahren umzustellen. Dies wurde durch den Einbau von Trennwänden zur Verhinderung von Kurzschlussströmungen umgesetzt. Weiter wurde durch die Installation von AQUALOGIC®/ ENERLOGIC®, ein auf Fuzzy-Logic basierendes Regelungssystems zur belastungsabhängigen und energieeffizienten Steuerung der Belüftung und weiterer in der biologischen Stufe beeinflussbarer Parameter wie Prozesswasserdosierung, Fällmitteleinsatz und Schlammalter etabliert. Hierfür wurde ebenfalls die benötigte Sensorik zur Messung einzelner Parameter in der Belebung verbessert. Die Untersuchung des Sauerstoffeintrags des neuen Belüftungssystems mittels Eintragsversuch nach DWA M 209 zeigte eine gute Standard-Sauerstoffzufuhr von 53,3 kg O2/h. Diese entspricht bei gegebenen Randbedingungen einer spezifischen Standard-Sauerstoffzufuhr SSOTR von 18,6 g O2/(m³NmET). Der Standard-Sauerstoffertrag SAE wurde mit 3,8 kg O2/kWh gemessen und kann ebenfalls in der Praxis als gutes Ergebnis bewertet werden und zeigt eine energieeffiziente Belüftung auf dem Stand der Technik, wenngleich durch eine mögliche Erneuerung der bestehenden Gebläseaggregate durch Maschinen mit verbesserter Energieeffizienzklasse weiteres Optimierungspotential vorhanden gewesen wäre. Auch die Vergrößerung der Belegungsdichte von 18,7 % zeigt weiteres Optimierungspotential. Auch hier wurde aus Kostengründen auf eine weitere Steigerung der aktiven Membranfläche verzichtet. Die qualitative Auswertung der Belüftungssteuerung bewies eine bedarfsabhängige und dynamische Regelung der Belüftung unter Beachtung des Zulaufs und der Nährstoffkonzentrationen Ammonium und Nitrat in der Belebung. Auch das Schlammalter, die Zudosierung von Prozesswasser und Fällmittelchemikalien zur Eliminierung von Phosphorverbindungen wurde zusätzlich über das Regelungssystem unter Beachtung der Energieeffizienz gezielt gesteuert. Eine genaue Betrachtung des Ablaufwertes Gesamtstickstoff Nges vor und nach der Optimierungsmaßnahme beweist eine deutliche Verbesserung der Gesamtstickstoff-elimination in der Anlage. Die Betrachtung der indirekt ermittelten Energieverbräuche der biologischen Stufe vor und nach der Optimierungsmaßnahme ergab eine jährliche Gesamtenergieeinsparung von 62.999 kWh und damit eine Einsparung von 60,1 % bezogen auf Umwälzung und Belüftung (ohne Berücksichtigung weiterer Pumpenleistungen in der Belebungsstufe). Durch die Optimierungsmaßnahme wurde damit nicht nur nachweislich der Energieverbrauch gesenkt. Es wurde darüber hinaus das konkurrierende primäre Ziel der Reinigungsleistung und Prozessstabilität nicht beeinträchtigt. Vielmehr wurde durch die verbesserte Regelung und Belüftung zusätzlich die Reinigungsleistung bezüglich Gesamtstickstoff nachhaltig verbessert, so dass durch Rückerstattung der Abwasserabgabe nach dem Abwasserabgabengesetz die Optimierungsmaßnahme refinanziert werden konnte. Konkret wurde dies auf der Kläranlage Hermeskeil durch Erklärung des Grenzwertes für Gesamtstickstoff im Ablauf der Anlage von 15 mg/l auf 12 mg/l und der damit verbundenen verpflichtenden Senkung um 20 % und dessen Nachweis erreicht. Die durch die Maßnahme erreichte jährliche Gesamtenergieeinsparung geht somit direkt nach Betriebsbeginn in Form von Ausgabensenkung für Strom positiv in die Bilanz der Gemeindewerke ein.

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Metadaten
Author:Martin Wirsching
Advisor:Bernhard Gemende, Eberhard Schröter
Document Type:Diploma Thesis
Language:German
Name:Westsächsische Hochschule Zwickau, Fakultät Physikalische Technik/ Informatik
Dr.-Friedrichs-Ring 2a, 08056 Zwickau
Date of Publication (online):2014/03/04
Year of first Publication:2014
Date of final exam:2014/03/04
Tag:Belüfter; Belüftungstechnik; Energieeffizienz; Energieeinsparung; Fuzzy-Logic; Kläranlage; Optimierung; Regelungstechnik; Sauer
Page Number:99 Seiten, 30 Abb., 9 Tab., 40 Lit.
Faculty:Westsächsische Hochschule Zwickau / Physikalische Technik, Informatik
Release Date:2019/10/30