DWA Abteilung Bildung und Internationale Zusammenarbeit Vortrag (Langfassung) zum Fortbildungsmodul der Kläranlagen-Nachbarschaften: Sauerstoffeintrag beim Belebungsverfahren September 2012 © DWA: Kursmaterialien dienen ausschließlich zur Schulung und Unterweisung

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 kgO2/kgBSB5 (abhängig von Schlammalter und Abwassertemperatur) Nitrifikation: 4,57 kgO2/kgNH4 (aus Stöchiometrie) Belüftungssysteme  Dr.-Ing. Schreff

Ermittlung spez. Sauerstoffbedarf OVd,C gemäß DWA A131 Einfluss von Schlammalter, Abwassertemperatur und Belastung (Frachtspitzen) Belüftungssysteme  Dr.-Ing. Schreff

m³N = Nm³ : Normkubikmeter hD in mET : Meter Eintragstiefe   m³N = Nm³ : Normkubikmeter hD in mET : Meter Eintragstiefe QL,N : Lufteintrag in Nm³ / h Quelle: DWA-A229 Belüftungssysteme  Dr.-Ing. Schreff

Abwasserinhaltsstoffe beeinflussen O2-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

Grenzflächenfaktor α-Wert: Faktor der den Unterschied eines Belüftungssystems in Belebtschlamm/Abwasser bzw. in Reinwasser ausdrückt αSOTR αSAE αSSOTR SOTR SOTR (kg O2/h) aSOTR QL,i QL (Nm³ / h) Reinwasser Abwasser Belüftungssysteme  Dr.-Ing. Schreff

Oberflächenbelüftung Typische Sauerstoffertragswerte SAE nach Frey, 2011 Druckbelüftung Oberflächenbelüftung Reinwasser Betrieb Sauerstoffertrag SAE [kg/kWh] (früher OP) 3,6 2,2 1,8 1,6 Quelle: 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. 90 -95 %  a-Wert = 0,4 bis 0,95 Belüftungssysteme  Dr.-Ing. Schreff

DWA Abteilung Bildung und Internationale Zusammenarbeit Arten von Belüftungssystemen Oberflächenbelüfter Druckbelüftung Quelle: P.J. Kantert Quelle: Frey, 2011 Sauerstoffübergang an Grenzfläche Wasseroberfläche - Luft Sauerstoffübergang beim Aufsteigen von Luftblasen im Wasser Belüftungssysteme  Dr.-Ing. Schreff © DWA: Kursmaterialien dienen ausschließlich zur Schulung und Unterweisung

DWA Abteilung Bildung und Internationale Zusammenarbeit Oberflächenbelüftung: Walzenbelüftung O2-Eintrag über Turbulenz an der Wasseroberfläche (Bewegung von Wasserteilchen in der Luft) Einsatz in Umlaufbecken Durchmesser 700 – 1.000 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 © DWA: Kursmaterialien dienen ausschließlich zur Schulung und Unterweisung

DWA Abteilung Bildung und Internationale Zusammenarbeit Oberflächenbelüftung: Kreiselbelüftung O2-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 © DWA: Kursmaterialien dienen ausschließlich zur Schulung und Unterweisung

DWA Abteilung Bildung und Internationale Zusammenarbeit Oberflächenbelüftung Kreisel- oder Walzenbelüfter (Rotoren) Halterung/Erreichbarkeit: z.B. Brücke, Pontons max. 2 m Wassertiefe, da O2-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 (kgO2 / kWh) Belüftungssysteme  Dr.-Ing. Schreff © DWA: Kursmaterialien dienen ausschließlich zur Schulung und Unterweisung

Druckbelüftungssystem Drucklufterzeuger Druckluftleitungen (Verteilung) Belüftungssystem Belüftungssysteme  Dr.-Ing. Schreff

Drucklufterzeugungssysteme Drehkolben-gebläse Drehkolben-verdichter Schrauben-verdichter Turbo-verdichter Max. Druck-differenz ca. 1 bar ca. 1,5 bar ca. 3,5 bar Luftvolumen-strom (max.) 3.000 m³/h 4.000 m³/h 8.000 m³/h 30.000 m³/h magnet-, folien- oder luftgelagertes Laufrad Kombination Drehkolbengebläse/ Schrauben-verdichter Hohe Drücke Große Mengen Belüftungssysteme  Dr.-Ing. Schreff

Senkung der Stromaufnahme durch kühlere Ansaugluft – warum? T1 (= TND) und m1 (= V1 x Dichte r1) 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 O2 enthalten) muss mehr V1 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

Zusammenhang zwischen SSOTR und der Luftbeaufschlagung eines Belüfters qL (Nm³/Stück x h) Reduzierung Luftmenge pro Belüfterelement SSOTR (gO2/Nm³ x h) SSOTR steigt mit geringerer spezifischer Beaufschlagung qL, da Belüftung feinblasiger bleibt. Belüftungssysteme  Dr.-Ing. Schreff

DWA Abteilung Bildung und Internationale Zusammenarbeit Regelung Gebläse bzw. Sauerstoffeintrag (Hinweise) Sauerstoffbedarf abhängig v.a. von Belastung (CSB- bzw. NH4-N-Frachten) Wassertemperatur und Schlammalter In Abhängigkeit des Sauerstoffgehalts werden die Gebläse geregelt. Anpassung an O2-Bedarf über Drehzahlregulierung führt zu Energie- Einsparungen (Stromaufnahme  Luftmenge QL). Eine Senkung der spezifischen Luftmenge pro Belüfter qL führt zu verbessertem spezifischen Sauerstoffeintrag aSSOTR 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 © DWA: Kursmaterialien dienen ausschließlich zur Schulung und Unterweisung

DWA Abteilung Bildung und Internationale Zusammenarbeit Es wird immer nur ein Teil des O2 aus der Luft übertragen! Feinblasige Belüftung Blasengröße: 2-5 mm 1 m³ Luft ~ 2.000 m² Oberfläche Grobblasige Belüftung Blasengröße: ca. 10 mm 1 m³ Luft ~ 600 m² Oberfläche Wassertiefe O2-Übertragung: 1 m³ Luft ~ 300 gO2 Wassertiefe 1m 25 gO2 werden übertragen (O2-freies Reinwasser) O2-Übertragung: 1 m³ Luft ~ 300 gO2 Wassertiefe 1m ~ 5 gO2 werden übertragen (O2-freies Reinwasser) Belüftungssysteme  Dr.-Ing. Schreff Bedingt durch die feineren Blasen entsteht eine 3-4-fach größere Oberfläche. Dadurch kann bei gleichem Ausgangsgehalt an Sauerstoff im der Luft in etwa die 5-fache menge an Sauerstoff in Reinwasser gelöst werden. © DWA: Kursmaterialien dienen ausschließlich zur Schulung und Unterweisung

Auswirkung von Strömungen im Belebungsbecken Verkürzung der Aufenthaltszeit durch Wasserwalzen (erhöhte Aufstiegsgeschwindigkeit), d.h. keine zu großen Abstände zwischen Belüfterelementen lassen. ! geringere Aufwärtsströmung = hoher O2-Ertrag Quelle: Frey, 1998 Belüftungssysteme  Dr.-Ing. Schreff

DWA Abteilung Bildung und Internationale Zusammenarbeit 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 O2: je niedriger der O2-Gehalt (Sollwert) im Wasser, desto besser die Sauerstoff- zufuhr (Sättigungsdefizit) und umgekehrt, Ziel daher: O2-Gehalt BB ≤ 2 mg/l Belüftungssysteme  Dr.-Ing. Schreff © DWA: Kursmaterialien dienen ausschließlich zur Schulung und Unterweisung

Katzenzungeneffekt Bei Rohrbelüftern besteht aufgrund ihrer gekrümmten Oberfläche das Problem der Koaleszenz (= Vereinigung der austretenden Luftblasen). Einschnürung Dp1 Dp2 Quelle: Ott System GmbH & Co Belüftungssysteme  Dr.-Ing. Schreff

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