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Deutsche Vereinigung für Wasserwirtschaft, Abwasser und Abfall e.V. 1 Sauerstoffeintrag beim Belebungsverfahren September 2012 Vortrag (Langfassung) zum.

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1 Deutsche Vereinigung für Wasserwirtschaft, Abwasser und Abfall e.V. 1 Sauerstoffeintrag beim Belebungsverfahren September 2012 Vortrag (Langfassung) zum Fortbildungsmodul der Kläranlagen-Nachbarschaften:

2 Deutsche Vereinigung für Wasserwirtschaft, Abwasser und Abfall e.V. Aufgaben der Belüftung  Vermeidung von Schlammablagerungen (Umwälzung) Energie-Eintrag (Empfehlung): Belüftung:10-20 W/m³ Rührwerke:2- 5 W/m³  „Sauerstoffzufuhr“ entsprechend „Sauerstoffbedarf“:  Endogene Atmung der Mikroorganismen und Abbau organischer Verbindungen ca. 0,65 bis 1,90 kg O2 /kg BSB5 (abhängig von Schlammalter und Abwassertemperatur)  Nitrifikation: 4,57 kg O2 /kg NH4 (aus Stöchiometrie) 2 Belüftungssysteme  Dr.-Ing. Schreff

3 Deutsche Vereinigung für Wasserwirtschaft, Abwasser und Abfall e.V. 3 Ermittlung spez. Sauerstoffbedarf OV d,C gemäß DWA A131 Einfluss von Schlammalter, Abwassertemperatur und Belastung (Frachtspitzen) Belüftungssysteme  Dr.-Ing. Schreff

4 Deutsche Vereinigung für Wasserwirtschaft, Abwasser und Abfall e.V.  4 Belüftungssysteme  Dr.-Ing. Schreff m³ N = Nm³ :Normkubikmeter h D in m ET :Meter Eintragstiefe Q L,N :Lufteintrag in Nm³ / h Quelle: DWA-A229

5 Deutsche Vereinigung für Wasserwirtschaft, Abwasser und Abfall e.V. 5 Abwasserinhaltsstoffe beeinflussen O 2 -Übergang  Zu unterscheiden ist zwischen Sauerstoffeintrag in Belebtschlamm/Abwasser und in Reinwasser. Warum?  Feststoffe (Belebtschlamm, TS-Gehalt!) und grenzflächenaktive Stoffe (z. B. Waschmitteltenside) sowie Salze beeinflussen die Blasenbildung/-stabilität, die Aufstiegsbewegung der Blasen im Wasser und die Blasenkoaleszenz  Bei erhöhten Salz-Gehalten ist die Koaleszenzneigung der Blasen sogar vermindert, d.h. die Sauerstoffzufuhr wird verbessert! Belüftungssysteme  Dr.-Ing. Schreff

6 Deutsche Vereinigung für Wasserwirtschaft, Abwasser und Abfall e.V.  Grenzflächenfaktor α-Wert: Faktor der den Unterschied eines Belüftungssystems in Belebtschlamm/Abwasser bzw. in Reinwasser ausdrückt o αSOTR o αSAE o αSSOTR 6 Belüftungssysteme  Dr.-Ing. Schreff SOTR SOTR (kg O2 /h)  SOTR Q L,i Q L (Nm³ / h) Reinwasser Abwasser

7 Deutsche Vereinigung für Wasserwirtschaft, Abwasser und Abfall e.V. 7 DruckbelüftungOberflächenbelüftung ReinwasserBetriebReinwasserBetrieb Sauerstoffertrag SAE [kg/kWh] (früher OP) 3,62,21,81,6 Quelle: Frey, 2011 Typische Sauerstoffertragswerte SAE nach Frey, 2011  Im Abwasser werden bei feinblasige Belüftung nur etwa 40 – 70 % der Sauerstoffzufuhr in Reinwasser erreicht  Bei grobblasige Belüftung: ca. 80 – 90 %  Bei Oberflächenbelüfter: ca % Belüftungssysteme  Dr.-Ing. Schreff   -Wert = 0,4 bis 0,95

8 Deutsche Vereinigung für Wasserwirtschaft, Abwasser und Abfall e.V. 8 Arten von Belüftungssystemen Oberflächenbelüfter Druckbelüftung Quelle: Frey, 2011 Sauerstoffübergang an Grenzfläche Wasseroberfläche - Luft Sauerstoffübergang beim Aufsteigen von Luftblasen im Wasser Quelle: P.J. Kantert Belüftungssysteme  Dr.-Ing. Schreff

9 Deutsche Vereinigung für Wasserwirtschaft, Abwasser und Abfall e.V. 9 Oberflächenbelüftung: Walzenbelüftung  O 2 -Eintrag über Turbulenz an der Wasseroberfläche (Bewegung von Wasserteilchen in der Luft)  Einsatz in Umlaufbecken  Durchmesser 700 – mm  Länge bis 9 m  Umfangsgeschwindigkeit 3-4 m/s  Senkrecht zur Strömung in Becken mit gerichteter Strömung (Leit-/Bremswände erforderlich) Schematische Darstellung (DWA-M229) Belüftungssysteme  Dr.-Ing. Schreff

10 Deutsche Vereinigung für Wasserwirtschaft, Abwasser und Abfall e.V. 10 Oberflächenbelüftung: Kreiselbelüftung  O 2 -Eintrag über Turbulenz an der Wasseroberfläche, zusätzlich werden Luftblasen direkt am Kreisel eingetragen und in Richtung Beckensohle transportiert  Vertikale Achse  Ausbildung Walzenströmung  Kreiseldurchmesser 1,5 - 4 m  Umfangsgeschwindigkeit 4-6 m/s  v.a. in quadratischen Becken oder Umlaufbecken Schematische Darstellung (DWA-M229) Belüftungssysteme  Dr.-Ing. Schreff

11 Deutsche Vereinigung für Wasserwirtschaft, Abwasser und Abfall e.V. Oberflächenbelüftung  Kreisel- oder Walzenbelüfter (Rotoren)  Halterung/Erreichbarkeit: z.B. Brücke, Pontons  max. 2 m Wassertiefe, da O 2 -Eintrag v.a. über Wasseroberfläche  Achtung: Beckengeometrie (Strömungsbleche)  Hauptmerkmal: robust / wenig Wartung / lange Standzeiten  Maßnahmen gegen Geräusch- und Aerosolemissionen empfehlenswert!  Betriebskosten (Strom) i.d.R. erhöht wegen geringerem Sauerstoffertragswert SAE (kgO 2 / kWh) Belüftungssysteme  Dr.-Ing. Schreff 11

12 Deutsche Vereinigung für Wasserwirtschaft, Abwasser und Abfall e.V. Druckbelüftungssystem  Drucklufterzeuger  Druckluftleitungen (Verteilung)  Belüftungssystem Belüftungssysteme  Dr.-Ing. Schreff 12

13 Deutsche Vereinigung für Wasserwirtschaft, Abwasser und Abfall e.V. 13 Drehkolben- gebläse Drehkolben- verdichter Schrauben- verdichter Turbo- verdichter Max. Druck- differenz ca. 1 barca. 1,5 barca. 3,5 barca. 1,5 bar Luftvolumen- strom (max.) m³/h4.000 m³/h8.000 m³/h m³/h Kombination Drehkolbengebläse/ Schrauben- verdichter magnet-, folien- oder luftgelagertes Laufrad Drucklufterzeugungssysteme Hohe Drücke Große Mengen Belüftungssysteme  Dr.-Ing. Schreff

14 Deutsche Vereinigung für Wasserwirtschaft, Abwasser und Abfall e.V. Senkung der Stromaufnahme durch kühlere Ansaugluft – warum? T 1 (= T ND ) und m 1 (= V 1 x Dichte  1 ) gehen direkt proportional in die Formel ein, d.h. wenn die Temperatur um 10 % steigt so sinkt die Dichte um 10% durch die Ausdehnung (wenn der Luftdruck gleich bleibt) und gleicht dies wiederum in der Formel aus. ABER da die Ansaugluft dünner wird (im gleichen Volumen ist dann weniger O 2 enthalten) muss mehr V 1 gefördert werden um den gleichen Sauerstoff zu transportieren, d.h. die Verdichtungsarbeit steigt. Aus diesem Grund sollten bei der Auslegung des Belüftungssystems unterschiedliche Ansaugtemperaturen (passend zu den Abwassertem- peraturen, z.B. LF Winter bzw. Sommer) berechnet werden. Belüftungssysteme  Dr.-Ing. Schreff 14

15 Deutsche Vereinigung für Wasserwirtschaft, Abwasser und Abfall e.V. 15 Belüftungssysteme  Dr.-Ing. Schreff q L (Nm³/Stück x h) Reduzierung Luftmenge pro Belüfterelement SSOTR (gO 2 /Nm³ x h) Zusammenhang zwischen SSOTR und der Luftbeaufschlagung eines Belüfters SSOTR steigt mit geringerer spezifischer Beaufschlagung q L, da Belüftung feinblasiger bleibt.

16 Deutsche Vereinigung für Wasserwirtschaft, Abwasser und Abfall e.V. Regelung Gebläse bzw. Sauerstoffeintrag (Hinweise)  Sauerstoffbedarf abhängig v.a. von  Belastung (CSB- bzw. NH 4 -N-Frachten)  Wassertemperatur und Schlammalter  In Abhängigkeit des Sauerstoffgehalts werden die Gebläse geregelt. Anpassung an O 2 -Bedarf über Drehzahlregulierung führt zu Energie- Einsparungen (Stromaufnahme  Luftmenge Q L ).  Eine Senkung der spezifischen Luftmenge pro Belüfter q L führt zu verbessertem spezifischen Sauerstoffeintrag  SSOTR durch reduzierte Beaufschlagung (siehe Folie 15)  Achtung auf Messfehler von Sonden (Messbereiche!) und unterschiedliche Sauerstoffprofile im Becken (Einbauort/-tiefe, große Becken, Geometrie) Belüftungssysteme  Dr.-Ing. Schreff 16

17 Deutsche Vereinigung für Wasserwirtschaft, Abwasser und Abfall e.V. 17 Feinblasige Belüftung Blasengröße: 2-5 mm 1 m³ Luft ~ m² Oberfläche Grobblasige Belüftung Blasengröße: ca. 10 mm 1 m³ Luft ~ 600 m² Oberfläche O 2 -Übertragung: 1 m³ Luft ~ 300 gO 2 Wassertiefe 1m 25 gO 2 werden übertragen (O 2 -freies Reinwasser) O 2 -Übertragung: 1 m³ Luft ~ 300 gO 2 Wassertiefe 1m ~ 5 gO 2 werden übertragen (O 2 -freies Reinwasser) Wassertiefe Es wird immer nur ein Teil des O 2 aus der Luft übertragen! Belüftungssysteme  Dr.-Ing. Schreff

18 Deutsche Vereinigung für Wasserwirtschaft, Abwasser und Abfall e.V. 18 Auswirkung von Strömungen im Belebungsbecken Verkürzung der Aufenthaltszeit durch Wasserwalzen (erhöhte Aufstiegsgeschwindigkeit), d.h. keine zu großen Abstände zwischen Belüfterelementen lassen. ! geringere Aufwärtsströmung = hoher O 2 -Ertrag Quelle: Frey, 1998 Belüftungssysteme  Dr.-Ing. Schreff

19 Deutsche Vereinigung für Wasserwirtschaft, Abwasser und Abfall e.V. 19 Weitere Einflussfaktoren auf Belüftungssysteme  Temperatur:je kälter das Abwasser, desto mehr Sauerstoff kann im Wasser gelöst werden (Sättigungswert), je wärmer, desto weniger Sauerstoff löst sich, gleichzeitig steigt der Sauerstoff- bedarf wegen höherer Umsatzleistungen.  Gelöster O 2 :je niedriger der O2-Gehalt (Sollwert) im Wasser, desto besser die Sauerstoff- zufuhr (Sättigungsdefizit) und umgekehrt, Ziel daher: O 2 -Gehalt BB ≤ 2 mg/l Belüftungssysteme  Dr.-Ing. Schreff

20 Deutsche Vereinigung für Wasserwirtschaft, Abwasser und Abfall e.V. 20 Katzenzungeneffekt Quelle: Ott System GmbH & Co Belüftungssysteme  Dr.-Ing. Schreff Bei Rohrbelüftern besteht aufgrund ihrer gekrümmten Oberfläche das Problem der Koaleszenz (= Vereinigung der austretenden Luftblasen). Einschnürung p1p1 p2p2

21 Deutsche Vereinigung für Wasserwirtschaft, Abwasser und Abfall e.V. 21 Zusammenfassung  Sauerstoffeintrag durch Oberflächen- oder Druckbelüftung.  System muss mit Beckengeometrie sinnvoll abgestimmt sein.  Sauerstoffbedarf hängt maßgeblich vom Reinigungsziel und damit von Schlammalter ab.  Bei Druckluftsystemen: Drucklufterzeugung, Luftverteilung und Belüfterelemente müssen abgestimmt sein, um effizient zu sein.  Belastungsschwankungen führen zu Unterschieden im Sauerstoffbedarf.  Erhöhte Luft- und Wassertemperatur verschlechtern die Sauerstoffzufuhr und den Sauerstoffertrag. Gleichzeitig ist der Sauerstoffbedarf erhöht. Belüftungssysteme  Dr.-Ing. Schreff


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