Energieeffiziente Prozeßluft-Erzeugung in Kläranlagen

  • 1.	Sauerstoff-Station zur Versorgung der Belebungsbecken 1 und 2, ausgerüstet mit zwei 2009 installierten, luftgelagerten Aerzener Turboverdichtern mit einem Ansaugvolumen von je 2.187 Nm³/h.
    1. Sauerstoff-Station zur Versorgung der Belebungsbecken 1 und 2, ausgerüstet mit zwei 2009 installierten, luftgelagerten Aerzener Turboverdichtern mit einem Ansaugvolumen von je 2.187 Nm³/h.
  • 2.	Zwei luftgelagerte Aerzener Turboverdichter mit einem Ansaugvo-lumen von je 2.187 Nm³/h erzeugen den Sauerstoff für die Bele-bungsbecken 1 und 2.
    2. Zwei luftgelagerte Aerzener Turboverdichter mit einem Ansaugvo-lumen von je 2.187 Nm³/h erzeugen den Sauerstoff für die Bele-bungsbecken 1 und 2.
  • 3.	Blick über die Belebungsbecken 1 und 2 auf die zugeordnete Sau-erstoff-Station.
    3. Blick über die Belebungsbecken 1 und 2 auf die zugeordnete Sau-erstoff-Station.
  • 4.	Sauerstoff-Station zur Versorgung der Belebungsbecken 3 bis 6, ausgerüstet mit zwei im Jahr 2000 installierten, luftgelagerten Aerzener Drehkolbengebläsen mit einem Ansaugvolumen von je 2.370 Nm³/h.
    4. Sauerstoff-Station zur Versorgung der Belebungsbecken 3 bis 6, ausgerüstet mit zwei im Jahr 2000 installierten, luftgelagerten Aerzener Drehkolbengebläsen mit einem Ansaugvolumen von je 2.370 Nm³/h.
  • 5.	Zwei im Jahr 2000 installierte, luftgelagerte Aerzener Drehkol-bengebläsen mit einem Ansaugvolumen von je 2.370 Nm³/h versorgen die Belebungsbecken 3 bis 6.
    5. Zwei im Jahr 2000 installierte, luftgelagerte Aerzener Drehkol-bengebläsen mit einem Ansaugvolumen von je 2.370 Nm³/h versorgen die Belebungsbecken 3 bis 6.
  • 6.	Blick über die Belebungsbecken 3 bis 6 auf die zugeordnete Sau-erstoff-Station.
    6. Blick über die Belebungsbecken 3 bis 6 auf die zugeordnete Sau-erstoff-Station.
  • 7.	Oberfläche von Belebungsbecken 3. Deutlich sichtbar sind die Sauerstoffblasen an der Oberfläche.
    7. Oberfläche von Belebungsbecken 3. Deutlich sichtbar sind die Sauerstoffblasen an der Oberfläche.

Energieeffiziente Prozeßluft-Erzeugung in Kläranlagen

Eine biologische Kläranlage kann nur dann störungsfrei und kostenoptimal arbeiten, wenn für jede Beladungssituation auch die benötigte Prozeßluft verfügbar ist. Erzeugt wird sie üblicherweise mit ölfrei verdichtenden Turbogebläsen oder Drehkolbengebläsen. Der „Königsweg“ zu einer optimalen Prozeßluft-Erzeugung führt jedoch über ein Verbundsystem von Turbogebläsen und Drehkolbengebläsen bzw. Drehkolbenverdichtern. In diesem System erzeugen die Turbogebläse die Grundlast und die Drehkolbengebläse oder Drehkolbenverdichter die Spitzenlast. Dieses bewährte Konzept bietet dem Betreiber einer biologisch arbeitenden Kläranlage zwei gravierende Vorteile: es sichert für jede Beladungssituation – auch bei stark schwankenden Prozeßluft-Bedarf! – eine optimal angepaßte und sichere Prozeßluft-Versorgung und ermöglicht eine besonders energieeffiziente Erzeugung. Schließlich kann der Energie-Bedarf einer Kläranlage für die Prozeßluft-Erzeugung bis zu 80 % der Gesamtkosten ausmachen.

Hans Kempfle, Abwassermeister der Kläranlage in Kötz wenige Kilometer südlich von Günzburg, verfügt sowohl über ausreichende Erfahrungen mit der Erzeugung durch Turbogebläse als auch durch Drehkolbengebläse. Denn in Kötz arbeiten beide Systeme. In der aktuellen Ausstattung versorgen hier seit 2000 zwei Drehkolbengebläse und seit 2009 zwei luftgelagerte Turbogebläse in komplett getrennten Systemen die in zwei Gruppen aufgeteilten Belebungsbecken. Außerdem liefern seit 2000 zwei kleine Drehkolbengebläse Sauerstoff für die Sandfang-Belüftung. Beide Systeme haben sich trotz ihrer unterschiedlichen technischen Konzepte in Kötz hervorragend bewährt. Inzwischen hat AERZEN die Turbogebläse und die Drehkolbengebläse entscheidend weiterentwickelt. Die Anlagen der neuen Baureihen erzeugen die benötigte Prozeßluft jetzt noch energieeffizienter und bieten dem Betreiber noch weitere attraktive Vorteile.

Die Kläranlage in Kötz wurde für 45.000 EW ausgelegt. Angeschlossen sind z. Zt. ca. 20.000 Einwohner. Durch die zusätzliche Einleitung von Industrie-Abwässern entspricht die durchschnittliche tägliche Beladung ca. 35.000 EW. Die Kläranlage arbeitet nach dem mechanisch-biologischen Prinzip. Das zu reinigende Abwasser wird zunächst im Sandfang mechanisch gereinigt, im anschließenden Vorklärbecken setzen sich die Sinkstoffe ab. Aus dem anfallenden Klärschlamm wird in der Faulanlage Gas zur Beheizung der Kläranlage produziert. Das vorgereinigte Abwasser wird in den Belebungsbereich eingeleitet. Hier wird der Ammonium-Stickstoff NH4N zu NO3N und zu NO2N umgewandelt. Im Denitrifikationsbecken wird das NO2N in N (Stickstoff) und O2 zerlegt, so daß der gasförmige Stickstoff (N) in die Atmosphäre entweichen kann. Auf diese Weise wird dem Abwasser bereits hier ca. 85 % des enthaltenen Stickstoffs entnommen. Im anschließenden Nitrifikationsbereich wird dann Sauerstoff zugeführt, um Arbeit und Vermehrung der für die Abwasser-Reinigung erforderlichen Bakterien zu unterstützen. Im Nachklärbecken sinkt die Belebtschlamm-Masse auf den Boden, das gereinigte klare Wasser mit einem CSB-Reinigungsgrad von ca. 96 % wird in die benachbarte Günz eingeleitet.

Zweistufige Nitrifikation mit getrennter Sauerstoff-Versorgung

Als Besonderheit erfolgt die Nitrifikation in Kötz von Beginn an zweistufig. Als Grund für diese Sonderlösung nennt Abwassermeister Kempfle die Tatsache, daß bei der Inbetriebnahme der Kläranlage zunächst auch die Abwässer einer heute nicht mehr existierenden Lederfabrik aufbereitet werden mußten, die mit einem hohen CSB-Wert eingeleitet wurden. Seit der Inbetriebnahme wurden beide Belebungsstufen der Kläranlage (Stufe 1 = 2 Becken, Stufe 2 = 4 Becken) zunächst über Kreiselbelüfter mit Sauerstoff versorgt.

§  In Stufe 1 (Becken 1 und 2)

wurden die Kreiselbelüfter zur Erhöhung des Sauerstoffeintrags 1989 durch zwei Turbogebläse (Antriebsleistung je 37 kW) ersetzt, die 2009 gegen zwei heute noch aktive luftgelagerte AERZEN Turbogebläse des Typs AT 50-0,6S (Motor 37 kW, max. Ansaugvolumen 2.187 Nm³/h) ausgetauscht wurden.

§  In Stufe 2 (Becken 3 bis 6)

wurden die Kreiselbelüfter 2000 durch zwei noch heute aktive AERZEN Drehkolbengebläse des Typs K61-81R (Motor je 35 kW, max. Ansaugvolumen 2.370 Nm³/h) ersetzt.

Durch dieses Konzept werden in Kötz beide Nitrifikationsstufen vollkommen autark durch jeweils zwei luftspaltgelagerte Turbogebläse (Becken 1 und 2) bzw. Drehkolbengebläse (Becken 3 bis 6) mit Druckluft versorgt. Alle vier Anlagen sind für einen Höchstdruck von 0,6 bar ausgelegt. Als Austrittsdruck wurde für beide Stationen ein Wert von 0,35 bar vorgegeben. Die Anlagen wurden in getrennten Gebäuden in unmittelbarer Nähe der jeweils zu versorgenden Belüftungsbecken installiert.

Sie arbeiten jeweils paarweise in „Wechselschicht“: Ein Aggregat ist immer im Dauerbetrieb rund um die Uhr aktiv, während das zweite Aggregat als Redundanz vorgehalten wird. Durch dieses Konzept ergibt sich für jedes Aggregat eine jährliche Laufzeit von ca. 4.400 Bh. Alle vier Aggregate werden bedarfsabhängig drehzahlgeregelt gefahren und sichern in allen sechs Becken den angestrebten Sauerstoff-Gehalt von 2,4 mg/m³, wobei der Mindestwert von 2,0 mg/m³ nicht unterschritten werden darf. Außerdem arbeiten in einem dritten Gebäude auf dem Gelände noch zwei kleine, im Jahr 2000 installierte

AERZEN Drehkolbengebläse des Typs K20R/BS4 (Liefermenge (6,0 bis 30,0 Nm³/h) zur Belüftung des Sandfangs.

Seit sechs Jahren ohne externe Wartung

Durch diesen mehrjährigen Parallelbetrieb der nahezu leistungsgleichen luftgelagerten AERZEN Turbogebläse und AERZEN Drehkolbengebläse für die Sauerstoff-Versorgung der Belebungsbecken ist Hans Kempfle mit der Technik beider Systeme bestens vertraut. Obwohl die Turbogebläse im Klärwerk Kötz seit ihrer Inbetriebnahme vor sechs Jahren bereits ca. 24.000 Bh aktiv waren, arbeiteten sie bisher nahezu wartungsfrei. Lediglich kleinere Arbeiten wie z. B. der Filterwechsel wurden vom Betreiber selbst erledigt. Die je zwei Drehkolbengebläse für die Erzeugung der Belebungsluft und für die Sandfang-Belüftung werden nach Hersteller-Vorgabe alle zwei Jahre – d.h. nach ca. 8.000 Bh - durch werkseigene Service-Spezialisten gewartet. Größere Reparaturen waren aber auch bei diesen Aggregaten trotz vierzehnjähriger Betriebszeit und nahezu 60.000 Bh bisher nicht erforderlich.

Alle Anlagen laufen seit ihrer Inbetriebnahme praktisch störungsfrei. Deshalb kann Klärwerksmeister Kempfle sowohl die luftgelagerten AERZEN Turbogebläse als auch die AERZEN Drehkolbengebläse für die Erzeugung von Prozeßluft in Kläranlagen uneingeschränkt empfehlen. Beim Vergleich von Investitions- und Wartungskosten vermutet Hans Kempfle auch bei langfristiger Betrachtung zwischen beiden Systemen ein nahezu ausgewogenes Kosten-Verhältnis, weil der niedrigere Anschaffungspreis der Drehkolbengebläse zuzüglich der hier anfallenden Wartungskosten in etwa den höheren Investitionskosten der Turbogebläse entspricht. „Unter dem Strich“ würde der Klärwerksmeister die teureren Turbogebläse wegen des geringeren Service-Aufwandes Drehkolbenverdichtern vorziehen. Ein Vergleich der Energiekosten der beiden nahezu leistungsgleichen Systeme ist in Kötz wegen fehlender Datenerfassung nicht möglich.

Luftspaltgelagerte drehzahlgeregelte AERZEN Turbogebläse

Für die Sauerstoff-Versorgung von Belebungsbecken in biologisch arbeitenden Kläranlagen haben sich luftgelagerte Turbogebläse auf dem aktuellen Stand der Technik inzwischen auf breiter Front durchgesetzt. Sie ersetzen wegen ihres wirtschaftlichen, zuverlässigen und wartungsarmen Betriebes immer öfter die „alten“ wälz- oder magnetgelagerten Turbogebläse. AERZEN rüstet die absolut ölfrei verdichtenden Aggregate der Baureihe „AT-Turbo Generation 5“ mit Hochgeschwindigkeits-Permanentmagnetmotoren (PM-Motoren) aus. Sie können über einen integrierten Frequenzumrichter ohne zusätzliche mechanische Verstelleinrichtungen stufenlos zwischen 40 % und 100 % optimal an schwankenden Prozeßluft-Bedarf angepaßt werden. In diesen luftgekühlten PM-Motoren wird der Elektromagnetismus mit dem Permanentmagnetismus des Rotors kombiniert. Der Rotor benötigt für seine Magnetisierung keine Energie. Nur der Stator wird elektrisch magnetisiert. PM-Motoren bieten deshalb gegenüber konventionellen Motoren einen höheren Wirkungsgrad. Durch das auf der Motorwelle montierte Turbolaufrad ergibt sich eine wartungsarme Kompakteinheit. Bei Stillstand liegt die Welle auf einer durch Federn gespannten Folie. Während der Startphase dreht sich der Rotor zunächst einige Umdrehungen auf der Folie und erzeugt so durch die eigene Rotation ein Luftpolster. Diese Lagerung, vergleichbar mit der hydrodynamischen Gleitlagerung, wird auch als aerodynamische Lagerung bezeichnet. Nach Erreichen einer Mindestdrehzahl rotiert die Welle absolut berührungs- und verschleißfrei in der Lagerung.

 

AERZEN liefert Turbogebläse seit 1911 und hat - aufbauend auf dieser langjährigen Erfahrung in der Entwicklung und Herstellung von Turbogebläsen - die neue Baureihe „AT Turbo Generation 5“ realisiert. Sie bietet höchstmögliche Energie-Effizienz und Versorgungssicherheit. Das Programm umfaßt Volumenströme von 1.200 bis 16.200 m³/h und arbeitet im Druckbereich von 400 bis 1000 mbar. Die Aggregate können über integrierte Frequenzumrichter zwischen 40 und 100 % gefahren werden und lassen sich deshalb durch die optimale Anpassung auch bei stark schwankendem Druckluft-Bedarf mit höchstmöglicher Energieeffizienz betreiben. Ihre besondere Stärke beweisen die neuen Turbogebläse der Baureihe „AT Turbo Generation 5“ in perfekt aufeinander abgestimmten Verbundkonzepten als Grundlast-Anlagen.

Höchste Energie-Effizienz durch Verbundkonzepte

Der Sauerstoff-Bedarf einer Kläranlage kann in Abhängigkeit von Tageszeit, Wochentag, Niederschlagsmenge und Schmutzbeladung des eingeleiteten Abwassers sprunghaft stark schwanken. Die Kläranlage in Kötz deckt diese Schwankungen mit den in getrennten Gruppen installierten Turbogebläsen und Drehkolbengebläsen ab. Eine sehr effiziente Alternative bieten jedoch Erzeugungskonzepte, bei denen Turbogebläse als Grundlast-Erzeuger arbeiten. Für die Abdeckung des Spitzen- und/oder Schwachlast-Bedarfs liefert AERZEN

§  regelbare Drehkolbengebläse Delta Blower „Generation 5“

Volumenströme:   100 bis 14.400 m³/h,

Druckbereich:      0 bis 1000 mbar,

Regelbereich:       25 % bis 100 %) und

§  regelbare Drehkolbenverdichter der Baureihe Delta Hybrid

Volumenströme:   670 bis 9000 m³/h,

Druckbereich:      0 bis 1500 mbar,

Regelbereich:       25 % bis 100 %).

Erfolgreiche Weiterentwicklungen

Die AERZEN Drehkolbengebläse der neuen Baureihe Delta Blower „Generation 5“ verbinden die erfolgreichen Merkmale der Vorgänger-Generationen mit neuen technischen Innovationen. Sie entsprechen damit schon heute den zukünftigen Marktanforderungen. Ihre Hauptvorteile stellen entscheidende Unterscheidungskriterien zu anderen Gebläsemodellen dar. Sie überzeugen durch eine noch höhere Energie-Effizienz, durch weiter minimierten Wartungsaufwand und einen um ca. 6 - 8 dB reduzierten Schalldruckpegel. Ihr besonders platzsparender Aufbau erlaubt eine Aufstellung ohne Zwischenräume. Alle Wartungspunkte sind von der Frontseite aus zugänglich. Das Ölsystem kann bei laufender Maschine von außen kontrolliert werden. Die riemengetriebenen Aggregate werden durch besonders energieeffiziente Motoren der Klasse IE 3 angetrieben.

Bei den ölfrei verdichtenden Drehkolbenverdichtern der neuen Baureihe Delta Hybrid hat AERZEN, erfolgreicher Hersteller von Drehkolbengebläsen (seit 1868) und von Schraubenverdichtern (seit 1943), die Vorteile beider Systeme in einer idealen Weise vereinigt. Diese Symbiose erhielt deshalb die neue Bezeichnung „Drehkolbenverdichter“. Im niedrigen Druckbereich tendieren die Aggregate der neuen Baureihe Delta Hybrid eher zum Roots-Prinzip eines Drehkolbengebläses (Volldruckverdichtung), in höheren Druckbereichen eher zur inneren Verdichtung eines Schraubenverdichters. Mit den neuen Drehkolbenverdichtern gelang es den Aerzener Entwicklungsingenieuren weltweit erstmalig, den bisher mit herkömmlichen Drehkolbengebläsen erzielbaren Höchstdruck von 1.000 auf 1.500 mbar zu erhöhen.

Fazit

Verbundkonzepte mit Turbogebläsen AT Turbo „Generation 5“ als Grundlast- und Drehkolbengebläsen Delta Blower "Generation 5" bzw. Drehkolbenverdichtern Delta Hybrid als Spitzenlast-Anlagen erzeugen den Sauerstoff-Bedarf in Kläranlagen durch paßgenaue Lösungen mit einer bisher nicht gekannten Energie-Effizienz, weil sie besonders feinfühlig auf wechselnde Bedarfsprofile reagieren. Durch dieses Verbundkonzept kann die Energie-Effizienz der Prozeßluft-Erzeugung einer Kläranlage deutlich gesteigert werden, so daß sich die Investitionskosten derartiger Verbundsysteme bereits nach nur zwei Jahren rechnen können. Ob kommunal oder industriell betrieben – wirklich effizient läßt sich der Prozeßluft-Bedarf einer Kläranlage heute nur noch im Verbundkonzept mit verschiedenen Maschinentypen realisieren. Das beweisen Wirtschaftlichkeitsberechnungen unterschiedlichster Ingenieurbüros.

www.aerzener.de