Energieeffizienz in der Abwasserreinigung

Autoren Dr. Christian Loderer Sales Engineer, Aquaconsult Gerald Glaninger Sales Manager, Aquaconsult

Den wohl energieintensivsten Teil in der Abwasserreinigung nimmt die biologische Stufe ein. Hier übernehmen Mikroorganismen den Abbau von Kohlenstoff-, Stickstoff- und Phosphorverbindungen. Um sie mit ausreichend Sauerstoff zu versorgen, wird Luft eingeblasen. Verschiedene wissenschaftliche Publikationen mit dem Schwerpunkt auf Energiebilanzen in Kläranlagen liefern konkrete Zahlen. Laut Studien von Prof. Helmut Kroiss (TU Wien) und Diego Rosso (University of California, Irvine) werden rund 40 bis 50 % der eingesetzten Energie für die Belüftung der biologischen Stufe verwendet. Neben den Energiekosten, die insbesondere für den kommunalen Bereich ein großes Optimierungspotenzial darstellen, sind für Industrieabwasseranlagen darüber hinaus die Wartungskosten ein Thema.

Aufgrund der unterschiedlichen Verarbeitungsprozesse von Rohöldestillation, Cracken, Verkokung bis Entschwefelung kann das Abwasser in der Petrochemie in Form von Kondensaten, Abwässern und Schlämmen in unterschiedlicher Zusammensetzung und Konzentration auftreten. Neben den herkömmlichen Abwasserbestandteilen wie Kohlenstoff (CSB), Stickstoff- und Phosphorverbindungen sind besonders schwerabbaubare Kohlenwasserstoffverbindungen, beispielsweise Phenole oder aromatische Kohlenwasserstoffe (BETEX für Benzol, Toluol, Ethylbenzol und die Xylole), die Hauptkomponenten der Raffinerieabwässer. Eine sehr aufwendige Abwasserreinigung mit einer Vielzahl von innerbetrieblichen Vorbehandlungsschritten wie Strippen und verschiedenen Oxidationsverfahren ist notwendig, um eine anschließende biologische Abwasserreinigung durchführen zu können.

Die Anforderungen an die Kläranlagentechnologie sind in der industriellen Abwasserreinigung besonders hoch. Um den Wartungsaufwand so gering wie möglich zu halten, ist es hier besonders wichtig, dass die eingesetzten Materialien resistent gegen aggressive Stoffe im Abwasser sind. Das gilt bei der Belüftungstechnologie insbesondere für die Membran. Qualitätsmängel oder der Einsatz ungeeigneter Kunststoffe führen immer wieder zu schnellem Verschleiß. Hier bewährt sich die von Aquaconsult Anlagenbau entwickelte Membrane aus Polyurethan besonders gut. Dieses Material zeigt gegenüber Mineralölen eine überdurchschnittliche Beständigkeit und ist beispielsweise resistenter als Ethylen-Propylen-Dien-Kautschuk (EPDM).

Slovnaft, eine Aktiengesellschaft und zugleich die größte Ölraffinerie der Slowakei, entstand 1949 als Nachfolgeunternehmen der 1946 verstaatlichten Apollo-Raffinerie und gehört zum MOL-Konzern, der 98,4 % der Aktien hält. Die Raffinerie befindet sich im Südosten der Stadt Bratislava und hat eine Flächenausdehnung von 2,5 mal 2,3 km. Derzeit beschäftigt Slovnaft rund 4500 Mitarbeiter und verarbeitet jährlich 5,5 bis 6 Mio. Tonnen Erdöl.

Nach einer Vorbehandlung der raffineriebelasteten Abwässer setzt sich die Abwasserreinigung auf der Anlage in Slovnaft folgendermaßen zusammen: Die mechanische Vorreinigung erfolgt in zwei überdachten Becken (à 16 000 m³) inklusive Ölabscheider. Danach wird das Abwasser einer chemischen Stufe zugeführt. Hier wird das Abwasser mithilfe von Methanol, Salpetersäure, Kalk und Spurenstoffen für die biologische Stufe vorbereitet. Die biologische Stufe besteht aus zwei Straßen (Linie A und B) mit jeweils zwölf Teilbecken. Das Gesamtvolumen einer Straße beträgt rund 21 000m³ mit einer Wassertiefe von 5,2 m.

Zu Beginn waren beide Straßen mit Oberflächenbelüftern ausgestattet. Da mit dieser Belüftungsvariante, bei der Umgebungsluft in das Becken eingeschlagen wird, ein zu geringer Sauerstoffeintrag erzielt wird bzw. höhere Energiekosten entstehen, wechselten die Verantwortlichen aus Versuchsgründen auf die Druckbelüftung. Bei diesem System wird mit Hilfe von Gebläsen verdichtete Luft in das Belebungsbecken eingebracht. Dadurch ist auf der Anlage ein direkter Vergleich zwischen Oberflächenbelüftung und Druckbelüftung möglich. Linie A ist mit feinblasiger Druckbelüftung (630 Stück Aerostrip-Streifenbelüfter von Aquaconsult) und Linie B mit Oberflächenbelüftern ausgestattet.

Der Vorteil des feinblasigen Aerostrip Belüfters, der sich auch in der Energieeffizienz widerspiegelt, liegt im Material selbst, aber auch in der Art der Perforation. Da Polyurethan ohne Weichmacher und Stabilisatoren hergestellt wird, wird eine Versprödung der Membrane verhindert. Gerade diese Versprödung führt bei anderen Belüftermaterialien (z. B. EPDM) zu kürzeren Lebensdauern und höheren Wartungskosten (Membrantausch bzw. Belüftertausch). Der zweite wesentliche Vorteil des Belüfters resultiert aus der Art der Perforation. Sie ermöglicht den Austritt ultra-feiner Blasen (rund 1 mm), die zu einem besseren Sauerstoffübertrag führen.

Auf der Anlage in Slovnaft wird die Luftversorgung für die Druckbelüftung mit fünf Drehkolbengebläsen der Firma Aerzen bereitgestellt. Nach der biologischen Reinigung erfolgt eine Trennung von Schlamm und Abwasser in zwei nachgeschalteten Nachklärbecken, die auf dem Prinzip der gravimetrischen Trennung zwischen Fest- und Flüssigphase beruhen.

Über den gesamten Beobachtungszeitraum konnten die gesetzlich vorgeschriebenen Ablaufwerte eingehalten bzw. deutlich übertroffen werden. Die Tabelle zeigt die Zu- und Ablaufwerte der Linie A. Bei den schwer abbaubaren Kohlenwasserstoffen und bei den Phenolen konnte eine fast 100-prozentige Abbauleistung erzielt werden. Beachtlich sind der Kohlenstoffabbau sowie die Nitrifikation/Denitrifikationsperformance mit Abbauleistungen von Kohlenstoff (CSB) von 93 %, Stickstoff (N gesamt) von 96 % sowie Phosphor (P gesamt) von 99 %.

Neben der biologischen Performance verglichen die Verantwortlichen vor Ort auch den Energieverbrauch der beiden Belüftersysteme. Zwischen August und September 2013 war die Linie A (feinblasige Druckbelüftung) aus Revisionsgründen nicht im Betrieb. In diesem Zeitraum wurde das Abwasser über die Linie B geleitet und gereinigt. Um eine Vergleichbarkeit der Daten zu erzielen, erfolgte im Anschluss an die Revision der Linie A für einen Monat eine Revision der Linie B. Die Energievergleiche sprechen für sich. Beim Einsatz von Oberflächenbelüftern lag der monatliche Energieverbrauch bei 570 kWh. Beim Betrieb mit den Aerostrip-Streifenbelüftern lag der durchschnittliche Monatswert bei 250 kWh. Das entspricht einer Einsparung von 320 kWh oder 56 % des Energieverbrauchs gegenüber der herkömmlichen Oberflächenbelüftung. Nimmt man einen durchschnittlichen Strompreis von 1 Cent/kWh an, ergibt sich eine jährliche Kosteneinsparung von rund 280 000 Euro. Das ermöglicht einen ROI der Belüftungstechnik von wenigen Jahren.

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