Die energieautarke Kläranlage Karl Svardal Institut für Wassergüte, Ressourcenmanagement und Abfallwirtschaft Technische Universität Wien

Einleitung Klimaveränderung und Energiebedarf sind dominante Themen Einsparung an fossilen Brennstoffen Erneuerbare Energieträger Faulgas (Biogas) Abwasserreinigung hat in Österreich an politischer Bedeutung verloren, weil zumindest die Erstausstattung in Österreich und weiten Teilen Westeuropas weitgehend vorhanden ist.

Einleitung Derzeit hohe Energiepreise und staatliche Förderung für Energie aus nachwachsenden Rohstoffen Druck auf Kläranlagen, Einsparungspotenziale beim Energiebedarf zu ermitteln und umzusetzen Auch wenn sich diesbezügliche Verbesserungen nur sehr langsam amortisieren Abwasserbenchmarking liefert viel Datenmaterial zur Überprüfung theoretischer Überlegungen mit den Ergebnissen des praktischen Betriebes

Reinigungsanforderungen und Energiebedarf Welchen Einfluss hat die geforderte Reinigungsleistung auf den Energiebedarf? Die Reinigungskapazität einer Belebungsanlage, ist abhängig vom Schlammalter und der Temperatur Die tatsächlich erzielte Reinigungsleistung auch von der Steuerung der Sauerstoffzufuhr

Reinigungsanforderungen und Energiebedarf Energiebedarf ist primär von der Sauerstoffzufuhr durch Belüftungssysteme abhängig. Der gesamte Sauerstoffbedarf setzt sich zusammensetzen aus: OVC Sauerstoffbedarf für die Oxidation der Kohlenstoffverbindungen OVN Sauerstoffbedarf für die Oxidation von Ammonium zu Nitrat, das im Ablauf enthalten ist (4,3 g O2/g NO3-Ne) OVDN Sauerstoffbedarf für die Oxidation von Ammonium zu molekularem Stickstoff, der durch Denitrifikation aus dem Abwasser entfernt wird (1,7 g O2/g N-DN)

Reinigungsanforderungen und Energiebedarf Berechnung von OVC Schlammalter 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 5 15 25 35 CSB-ÜS OVC ohne Vorklärung mit Vorklärung [d] Energie im Schlamm Energiebedarf für Belüftung

Reinigungsanforderungen und Energiebedarf Annahmen für Energiebedarfsrechnung bei verschiedenen Fallbeispielen Mittlere Jahrestemperatur im Belebungsb. °C 15 CSB von ausgefaultem Schlamm g/EW110/d 30 CSB von simultan aerob stabilisiertem Schlamm, Optimierung für N-Entfernung 34 CSB von simultan aerob stabilisiertem Schlamm, Optimierung für Stabilisierung Sauerstoffertrag unter Betriebsbedingungen konventionell /effiziente neue Anlagen kg O2/kWh 1,7 /2,2

Fallbeispiele für Energiebilanzen Reinigungsanforderung Anlagentyp tTS (d) 1 EU-Anforderung für normale Gebiete (BSB-Entfernung) 1-stufige Belebungsanlage mit Vorklärung und Schlammfaulung 4 2 EU-Anforderung für empfindliche Gebiete, 75% N-Entfernung, Nitrifikation T>8°C 1-stufige Belebungsanlage mit Vorklärung und Schlammfaulung, konventionelle Ausrüstung 15 3 EU-Anforderung für empfindliche Gebiete, 75% N-Entfernung, Nitrifikation T>8°C; 2-stufige Belebungsanlage mit Vorklärung und Schlammfaulung, effiziente Ausrüstung 1,5/ 8 gleichzeitige aerobe Schlammstabilisierung mit Stickstoffentfernung >80% 1-stufige Belebungsanlage ohne Vorklärung, intermittierende Belüftung 25 5 gleichzeitige aerobe Schlammstabilisierung, ohne Stickstoffentfernung 1-stufige Belebungsanlage ohne Vorklärung, aerobes Schlammalter 25 d

Fallbeispiel 1: 1-stufige Belebungsanlage mit Vorklärung und Schlammfaulung CSB Zulauf 110 g/EW/d CSB Ablauf Vorklärbecken (CSB-Entfernung VKB 30%) 77 g/EW/d CSB im Primärschlamm: 110 – 77 = 33 g/EW/d Ablauf CSB 11 g/EW/d CSB Abbau Belebung: 77 -11 = 66 g/EW/d OVC = 50% vom CSB-Abbau CSB-ÜS = 50% vom CSB-Abbau CSB im ausgefaulten Schlamm 30 g/EW/d CSB Zulauf Faulbehälter: PS + ÜS = 33 +33 = CSB Faulgas: 66 – 30 = 36 g/EW/d OP= 1,7 kg/kWh; Sauerstoffgehalt im BB cx= 2mg/l Belüftungsenergie: (33/1,7) * 10/(10-2) = 24,3 Wh/EW/d Gasanfall: 36 * 0,35 =12,6 NL CH4/d Elektr. WirkungsgradGasmotor: 3 kWh/Nm³CH4 Energiebilanz: 24,3 – 12,6 * 3 = -13,5 Wh/EW/d (-0,56 W/EW)

Fallbeispiel 2: 1-stufige Belebungsanlage mit Vorklärung und Schlammfaulung 75% N-Entfernung CSB Zulauf (9 g N/EW/d) 110 g/EW/d CSB Ablauf Vorklärung: (CSB-Abnahme VKB: = 30%) 77 g/EW/d CSB Primärschlamm 33 g/EW/d CSB Ablauf 9 g/EW/d CSB Entfernung in Belebung: 77 – 9 = 68 g/EW/d OVC (Abb. 2) 41 g/EW/d CSB-ÜS (2 g N/EW/d) 27 g/EW/d OVN = (9-2-5.6) * 4.3 = 6 g/EW/d OVDN: (denitrifizierte N-Fracht 5,6 g N/EW/d): 5,6 * 1.7 = 10 g/EW/d CSB im ausgefaulten Schlamm: 30 g/EW/d CSB im Zulauf Faulbehälter: 33 + 27 = 60 g/EW/d CSB im Faulgas = 60 - 30 = OP = 1,7 kg O2/kWh; Sauerstoffgehalt im BB cx= 1,5 mg/l OVgesamt= 41 + 6 + 10 = 57 g/EW/d; Belüftungsenergie: 57/1,7 * (10/8,5) = 39,4 Wh/EW/d Gasanfall: 30 * 0,35 = 10,5 NL CH4/d; Wirkungsgr. Gasmotor: 3 kWh/Nm³CH4 Energiebilanz: 39,4 - 10,5*3 = +7,9 Wh/EW/d (+0,33 W/EW)

Fallbeispiel 3: 2-stufige Belebungsanlage mit Vorklärung und Schlammfaulung, 75% N-Entfernung, effiziente Ausrüstung CSB Zulauf (9 g N/EW/d) 110 g/EW/d CSB Ablauf Vorklärung (Wirkungsgrad Vorklärung 30%): 77 g/EW/d CSB im Primärschlamm 33 g/EW/d CSB im Ablauf: 9 g/EW/d CSB-Entfernung in Belebung 68 g/EW/d OVC (Abb. 2) 34 g/EW/d CSB – ÜS (3,5 g N/EW/d) CSB im Zulauf Faulbehälter:(3,5 g N/EW/d): 33 +34 = OVDN: (denitrifizierte N-Fracht 3,7 g N/EW/d): 3,7* 1,7= 6,3 g/EW/d OVN= (9-3,5-3,7) * 4,3= 7,7 g/EW/d CSB im ausgefaulten Schlamm (2 g N/EW/d) 30 g/EW/d OV Trübwasserdenitrifikation (WETT) 1,5 * 1,05= 1,6 g/EW/d CSB im Faulgas: 68 - 30= 38 g/EW/d Sauerstoffertrag OP = 2,2 kg O2/kWh; Sauerstoffgehalt im BB cx= 1,5 mg/l OVgesamt= 34 + 7,7 + 6,3+ 1,6 = 49,6 g/EW/d Belüftungsenergie:(49,6/2,2)*10/8,5 = 26,5 Gasanfall: 38 * 0,35 =13,3 NL CH4/d; Wirkungsgrad Gasmotor: 4 kWh/Nm³CH4 Energiebilanz: 26,5 – 13,3 * 4 = -26,7 Wh/EW/d (-1,1 W/EW)

Fallbeispiel 4: 1-stufige Belebungsanlage ohne Vorklärung, intermittierende Belüftung, 75% N-Entfernung CSB Zulauf (11 g N/EW/d) 110 g/EW/d CSB Ablauf 9 g/EW/d CSB-Entfernung in Belebung 101 g/EW/d OVC 67 g/EW/d CSB im stabilisierten ÜS (2,3 g N/EW/d) 34 g/EW/d OVDN: N-Entfernung 7 g N/EW/d: 7 * 1,7= 11,9 g/EW/d OVN (NO3-N im Ablauf: (11 – 2,3 – 7) 4,3 = 7,3 g/EW/d Sauerstoffertrag OP = 1,7 kg O2/kWh; Sauerstoffgehalt im BB cx =1,0 mg/l OV gesamt=: 67 + 7,3 + 11,9 = 86 g O2/EW/d; Belüftungsenergie = (86/1,7) * 10/9 = +56,2 Wh/EW/d Energiebilanz: +56,2 Wh/EW/d (+2,3 W/EW)

Fallbeispiel 5: 1-stufige Belebungsanlage ohne Vorklärung, aerobes Schlammalter 25 d (weitgehende Schlammstabilisierung) CSB- Zulauf: (11 g N/EW/d) 110 g/EW/d CSB im Ablauf 9 g/EW/d CSB Entfernung in Belebung 101 g/EW/d OVC (Abb. 2) 69 g/EW/d CSB im stabilisierten Schlamm:(2 g N/EW/d) 30 g/EW/d OVN (Nitrat im Ablauf 11-2 = 9): 9 * 4,3 g O2/gN = 38,7 g/EW/d OV Gesamt: 69 + 38,7 = 107,7 g/EW/d Sauerstoffertrag OP = 1,7 kg O2/kWh; Sauerstoffgehalt im BB cx=1,2mg/l Belüftungsenergie : (107,7/1,7)*10/8,8 = +72 kWh/EW/d (+3,0 W/EW) Energiebilanz: +72 kWh/EW/d (+3,0 W/EW)

Vergleich der Energiebilanzen für die 5 Fallbeispiele Dim 1 2 3 4 5 Sauerstoffertrag OP kgO2/kWh 1,7 2,2 Mittl. O2-Gehalt mg/l 1,5 1,2 η el Gasmotor % 25 37 - Leistung Belüftung W/EW 1,0 1,9 1,1 2,3 3,0 Sonstiger Bedarf 0,7 0,6 el. Energiebedarf kWh/EW/a 15 23 18 26 32 el. Leistung Biogas 1,6 1,3 el. Gesamtleistung 0,2 -0,1 3,6 el. Energiebezug 11 -1 27

Vergleich der Energiebilanzen für die 5 Fallbeispiele 4,0 3,5 3,0 2,5 Belüftung 2,0 W/EW Sonstige 1,5 Biogas Gesamt 1,0 0,5 0,0 1 2 3 4 5

Resümee aus den Energiebilanzen Höhere Anforderungen an die Reinigungsleistung (Nährstoffentfernung statt nur BSB-Entfernung) führen zwar zu einem höheren Energiebedarf durch bessere Verfahrenswahl, effizientere Ausrüstung und Nutzung des Faulgases kann dies kompensiert werden (Fallbeispiele 1, 2 und 3). Große Kläranlagen können heute trotz hoher Anforderungen an die Nährstoffentfernung, über ein Betriebsjahr gesehen, ohne externe Energiezufuhr betrieben werden. Ausgleich zwischen einer relativ konstanten Energieproduktion aus Faulgas und den starken Schwankungen des Energiebedarfs für die Belüftung über den Anschluss an das Stromnetz (Beispiel 3).

Resümee aus den Energiebilanzen Bei kleinen Anlagen (<20.000 EW) ist es nicht wirtschaftlich, den Bedarf an externer Energiezufuhr zu minimieren, weil die Einsparung an Energie zumindest derzeit nicht die erhöhten Investitionskosten für eine Schlammfaulung mit Verstromung des Faulgases wettmachen können. Die Minimierung des Energiebedarfes ( Maximierung der Stickstoffentfernung) resultiert in schlechterer Stabilisierung des Schlammes (Fallbeispiele 4 und 5).

Realer Gesamtenergiebedarf von 47 Anlagen (kommunale Kläranlagen in Österreich von 20.000 bis 1 Mio. EW)

Zusammenfassung Die auf Basis gesicherter theoretischer Grundlagen und Erfahrungswerte berechneten Kennzahlen für den spezifischen Leistungsbedarf je EW stimmen sehr gut mit den Ergebnissen des österreichweit angewendeten Abwasserbenchmarkings überein. Der Einfluss der Reinigungsleistung auf den Energiebedarf ist zwar vorhanden aber nicht dominant Den stärksten Einfluss auf den Energiebedarf hat die Größe der Anlage, v.a. wenn gleichzeitig die Minimierung der Gesamtkosten angestrebt wird

Zusammenfassung Für die Herstellung und laufende Instandsetzung der Kläranlagen kann ein mittlerer Leistungsbedarf von ~12 W/E abgeschätzt werden (vorwiegend fossile Energieträger). In elektrische Leistung umgerechnet wären das >4 W/E. Damit liegt der Energiebedarf für die Errichtung und laufende Instandsetzung von Kläranlagen in der gleichen Größenordnung wie der Energiebedarf für den Betrieb Einsparungen an Energie dürfen nie zu Lasten der Reinigungsleistung durchgesetzt werden. Insgesamt spielt der Energiebedarf von Kläranlagen auf nationaler Ebene weder für den Energiehaushalt noch für die Volkswirtschaft eine wichtige Rolle.

Zusammenfassung Beim Betrieb von vielen Abwasserreinigungsanlagen ist ein relevantes Einsparungspotenzial an Energie vorhanden. Wieweit es wirtschaftlich ist dies zu realisieren, muss bei bestehenden Anlagen im Einzelfall entschieden werden. Energieautarke Kläranlage? Es ist nachweislich möglich große Kläranlagen (>50.000 EW) trotz hoher Anforderungen an die Reinigungsleistung (1.AEVkA) so zu planen und zu betreiben, dass in einer Jahresbilanz keine externe Energiezufuhr benötigt wird. Ob dies immer erstrebenswert ist, muss unter Berücksichtigung aller spezifischen lokalen Randbedingungen entschieden werden.