Projektbeschreibung SusTreat

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Projektkurztitel"SusTreat"
ProjektgebietStadt Koblenz
Projektdauer01.01.2010 - 31.12.2020
ProjektteilnehmerStadtentwässerung Koblenz & Sweco GmbH
Investitionsvolumen18 Millionen Euro

Die EU fördert das Pilotprojekt im Rahmen des "Life+"-Programms mit über 2 Millionen Euro.

Inhaltsverzeichnis

Inhalt / Content
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    Ziele von SusTreat

    Zentrales Ziel des geplanten Projektes ist die großtechnische Demonstration eines neuen Lösungsansatzes zur vollständigen Erschließung und Nutzung der abwasser- und klärschlammimmanenten Energiepotenziale in kommunalen Kläranlagen.

    Erstmals soll eine vollständig energieautarke Klärschlammbehandlung (Faulung, Trocknung und Vergasung) realisiert und darauf basierend am Beispiel der Kläranlage Koblenz gezeigt werden, dass die in einem Großklärwerk anfallende Klärschlammmenge ohne zusätzlichen Energiebezug von externen Anbietern um etwa 85 % reduziert und bei optimaler Auslegung des Systems zusätzliche Energie zur Versorgung anderer Betriebsanlagen bereitgestellt werden kann.

    Die Innovation

    SusTreat ermöglicht die Trocknung und Vergasung ohne Zufuhr zusätzlicher, externer Energie. Gleichzeitig sinkt die CO2-Emission um 25 %.

    Hauptprojektaktivitäten:
    Integration und Demonstrationsbetrieb der folgenden Technologiemodule

    Klärschlammtrockner mit integrierter Abwärmerückgewinnung

    Klärschlammtrockner mit integrierter Abwärmerückgewinnung aus der Abluft. Die zurückgewonnene Abwärme wird zur Beheizung der Faulbehälter verwendet.

    Verbesserung der Faulgasausbeute

    Verbesserung der Faulgasausbeute durch optimierte Faulturmtechnologie (Senkung der Transmissionsverluste, geregelte Wärmezufuhr, optimale Rührtechnik, Enzymeinsatz)

    Bau eines Wärmetauschers zur Wärmerückgewinnung aus dem Faulschlamm für die Vorwärmung des Rohschlammes; hiermit wird ein Wärmerückgewinn von 1.500 MWh pro Jahr erwartet. Die Transmissionsverluste wurden mit ca. 1.000 MWh/a ermittelt. Die Erneuerung der Faulbehälterwärmedämmung kann damit überkompensiert werden. Aufgrund der sich im Projektverlauf abzeichnenden hohen Wärmerückgewinnungsrate aus dem Trockner kann auch die Wärmerückgewinnung aus dem Faulschlamm und die Erneuerung der Wärmedämmung der Faulbehälter zwischenzeitlich verzichtet werden.

    Weiterhin ist eine Vorfällungsanlage zur Steigerung des Anfalls von energiereichem Vorklärschlamm vorgesehen. Diese Maßnahme stellt die energetisch optimierteste Entnahme von Kohlenstoffverbindungen, die nicht für die Denitrifikation benötigt werden, aus dem Abwasser dar. Die Maßnahme wurde zwischenzeitlich umgesetzt und hat zu einer Erhöhung der Eigenstromerzeugung beigetragen.

    Klärschlammvergasungsstufe

    Trockner für Klärschlamm mit Wärmerückgewinnung

    Nachdem die speziellen Beschränkungen der Veränderungssperre für die Klärschlammvergasungsanlage - wie für die Trocknungsanlage im Juni 2011 aufgehoben worden waren - wurden im Januar 2012 auch die in Vorbereitung befindlichen speziellen Vorschriften für die im Umfeld des Klärwerks gültigen Bebauungspläne für unzulässig erklärt. Damit stehen der Installation der Klärschlammvergasungsanlage, der Klärschlammtrocknungsanlage, dem Betrieb der BHKW mit Synthesegas und Klärgas sowie den Transporten von Klärschlammgranulat, Klärschlammasche und -staub, keine allgemeingültigen Emissionsbegrenzungen mehr entgegen.

    Die Genehmigungsunterlagen für die Klärschlammtrocknung, die energetische Klärschlammverwertung und den Betrieb einer BHKW-Anlage mit Klärgas, Synthesegas und Erdgas wurden ausgehend von den aktualisierten Planungen ausgearbeitet und am 12.06.2012 bei der Genehmigungsbehörde SGD-Nord eingereicht. Die Genehmigung zum Bau und Betrieb der Anlage wurde am 25.09.2012 mit einigen Auflagen erteilt.

    Nach Eingang der Genehmigung begannen im Oktober 2012 die Arbeiten zur Ausschreibung der Klärschlammtrocknung, der neuen BHKW-Anlage für Klärgasbetrieb einschließlich der Nutzung der Abwärme aus dem Kühlwasserkreislauf (ca.80°C) sowie der Abwärmerückgewinnung durch Kondensation aus der Trocknerabluft. Für die Wärmeversorgung des Trockners auf der zweiten Temperaturschiene von 140 °C bis zur Errichtung der Klärschlammvergasungsanlage wurde darüber hinaus ein Heizkessel errichtet.

    Damit der Klärschlamm energetisch verwertet werden kann, muss er zuvor getrocknet werden. Für den Bau und die Lieferung eines Klärschlammtrockners hat die Stadtentwässerung Koblenz eine EU-weite Ausschreibung durchgeführt. Am 28.05.2013 wurden im Rahmen eines Startgespräches die Aufträge zwischen dem kaufmännischen Werkleiter des Eigenbetriebes Stadtentwässerung Koblenz, Herrn Bernhard Mohrs und Herrn Peter Pfeiffer von der Firma Klein Technical Solutions GmbH aus Niederfischbach ausgetauscht (siehe Foto).

    Sustreat Klärschlammtrockner
    Vertragsübergabe zum Bau eines Trockners für Klärschlamm

    Einbindung in ein Prozessleitsystem

    Einbindung in ein Prozessleitsystem, welches das Zusammenspiel der Module mit dem Ziel einer optimalen Energieausnutzung und –verteilung intelligent und selbständig regelt.

    Maximierung der Eigenstromerzeugung

    Maximierung der Eigenstromerzeugung durch die motorische Verwertung von Faulgas und Synthesegas. Darüber hinaus wird auch die Energie der Sonne nutzbar gemacht. Hierzu wurde zwischenzeitlich eine Fotovoltaikanlage mit einer Leistung von 108 kWp installiert.

    Aufbau eines Phosphordepots mit Rückgewinnungsmöglichkeiten

    Maßnahmen zur energetischen Optimierung der Kläranlage Wallersheim

    1) Gezielte Inbetriebnahme der vorhandenen Tropfkörper.

    Die Tropfkörperregelung wurde fortentwickelt. Bei Trockenwetter gehen die Tropfkörper zu vorgegebenen Zeiten für einen vorgegebenen Zeitbereich mit vorgegebenen Zulaufmengen in Betrieb (bei hinreichender Denitrifikation 30-45 l/s)

    Sie werden bei erhöhten Nitrat-Werten in 2 Stufen zyklisch für ein kleines oder größeres Zeitintervall zur Verbesserung der Denitrifikation ausgeschaltet. Bei erhöhten Ammonium-Werten kann die Auszeit automatisch reduziert werden. Bei mangelhafter Denitrifikation kann generell eine nicht zu unterschreitende zyklische Aus-Zeit vorgegeben werden. Im Regenfall wird die Zulaufmenge über die Tropfkörper begrenzt. ( 200 – 250 l/s je Tropfkörper)

    Durch den gezielten Tropfkörpereinsatz sinkt die BSB-Belastung der Belebung von 189.000 auf 164.000 EW und die zu nitrifizierende Belastung von 196.000 auf 178.000 EW. Bei einem ungeregelten Tropfkörperbetrieb ist von einem deutlich geringeren Effekt bei einer deutlich instabileren Belebungsanlage auszugehen. Die Maßnahme dient der Kapazitätserhöhung der Kläranlage. Die Kläranlage hat bei hoher Auslastung einen neuen Industrie-Betrieb mit ca. 250.000 Kubikmeter Abwasser und einem CSB-Wert von ca. 1000 mg/l (ohne absetzbare Stoffe) zusätzlich zu reinigen. Ein weiterer Großeinleiter (Altpapier) hat die Einleitfracht weiter erhöht. Bei einer eventuell sonst erforderlichen Erhöhung der Beckenvolumina der Belebung wird auch von einer Erhöhung des Strombedarfs ausgegangen.

    Sustreat Projekt Innovation Tropfkoerperanlage
    Tropfkörperanlage

    Wesentliche Stromeinsparungen haben sich bisher durch die gezielte Wieder-Inbetriebnahme der vorhandenen Hochlasttropfkörper, und die energetisch vergleichmäßigende Behandlung des Filtratwassers in Schwachlastzeiten, die optimierte Belüftung der Nitrifikationskaskaden und die Wiederinbetriebnahme von drei kleineren Bypass-Pumpen ergeben. Nur bei Regenwetter muss noch ein Großteil des vorgeklärten Abwassers auf den Vordruck der Tropfkörper gepumpt werden, um dann an den Tropfkörpern vorbei direkt ins Belebungsbecken geleitet zu werden. Die Ersparnis lag in den zurückliegenden 12 Monaten bei 200.000 kWh/a im Mix aus Belebungsbeckenbelüftung und Zwischenhebewerk.

    2) Energetische vergleichmäßigende Behandlung des Filtrat Wassers in Schwachlastzeiten.

    In drei vorzugebenden Zeiten wird das Filtrat Wasser mit vorgegebenen Mengen der Belebung zugeleitet.

    Während in der Vergangenheit mit der Dosierung bereits um 16 Uhr begonnen wurde, erfolgt die Dosierung in der Zwischenzeit erst ab circa 23 Uhr und ab 1 Uhr mit maximaler Menge. Hierdurch werden eine bessere Vergleichmäßigung der Stickstofffracht, eine bessere Ausnutzung der Turboverdichterleistung in den Nachtstunden und ein geringerer Sauerstofffanstieg in einzelnen Kaskaden erreicht. Die Ammonium Spitzen bei Trockenwetter beim Belastungsmaximum um ca. 14 Uhr sind geringer.

    Die maximal zu dosierbare Menge an Filtratwasser sollte durch geeignete Maßnahmen weiter erhöht werden können. Hierdurch würden weitergehende Verbesserungen erwartet. (z.B. Ausnützung der Turboverdichterleistung in Schwachlastzeiten zwischen 4 und 8 Uhr)

    3) Optimierte Belüftung der Nitrifikationskaskaden

    Die Regelung der Belüftung wurde fortentwickelt. Für jede einzelne Kaskade können eigene Sauerstoffkonzentrationen vorgegeben werden. Während in der Vergangenheit der Sauerstoff auf 1,5 mg/l gefahren wurde, werden inzwischen die ersten Kaskaden mit 0,6-1,0 mg/l und die folgenden Kaskaden mit 1,3 bis 1,4 mg/l gefahren. Die Ammoniumregelung bewirkt, dass bei Überschreitung eines vorgegebenen Ammonium-Wertes die Sauerstoffwerte angehoben werden. In der Vergangenheit erfolgte die Anhebung auf 2,0 bis 2,5 mg/l. Inzwischen reicht die Anhebung auf 1,7 mg/l.

    Eine Kaskade kann sowohl nitrifizierend als auch denitrifizierend gefahren werden. Aufgrund des optimierten Tropfkörperbetriebes muss diese Kaskade seltener nitrifizierend gefahren werden. (Bessere Denitrifikation , weniger Energieverbrauch zur Belüftung dieser Kaskade)

    4) Wiederinbetriebnahme von drei kleinen Bypass-Pumpen

    Die fortentwickelte Regelung ermöglicht die Wiederinbetriebnahme der kleinen Bypass-Pumpen. Statt 0,06 KW/Kubikmeter brauchen diese bei ca. 200 l/s Gesamtleistung bei Tropfkörperbetrieb nur 0,03 KW/Kubikmeter da diese nicht in den Rohrverteiler fördern sondern direkt in die Bypass-Leitung. Bei einem vierzehnstündigen Tropfkörperbetrieb bedeutet dies, dass bei Trockenwetter 10.000 Kubikmeter täglich bei den halben Pumpenkosten in die Belebung gefördert werden können.

    5) Neuausstattung der Belüfter-Platten in der Belebung mit zugehörigen kleinen Turboverdichterngebläsen für die Schwachlastzeiten.

    Die Maßnahme steht noch aus und soll in den Jahren 2016-2017 umgesetzt werden. Bezüglich der Einsparung von Energie wurde eine Abschlussarbeit einer Studentin der Fachhochschule Koblenz angefertigt. Ein Stromeinsparpotential bei der Belüftung von 20 % erscheint realistisch.

    Sustreat Projekt Innovation Biologische Reinigung
    Biologische Reinigungsstufe

    6) Reduktion der Rücklaufschlammführung bei Trockenwetterbetrieb

    Die fortentwickelte Regelung ermöglicht die Rücklaufschlamm-Menge in der Belebung 2 und 3 dem Bedarf besser anzupassen. Hierdurch verringerte sich die bei Trockenwetter zurückzuführende Rücklaufschlamm-Menge von 120 l/s auf 85 l/s. Dadurch sinkt der Stromverbrauch bei Trockenwetter um 6 KW pro Stunde. Ein erster Versuch mit einer Regelung über das Rücklaufschlammverhältnis wurde gefahren. Soweit über diese Regelung gefahren werden kann, ist davon auszugehen, dass mit einer von drei statt mit zwei von drei Rücklaufschlammpumpen gefahren werden kann. Aufgrund der stärkeren Eindickung des Rücklaufschlammes wird darüber hinaus auch mit Energieeinsparung an den Überschussschlammzentrifugen und beim Polymer-Einsatz gerechnet.

    Da bei der Belebung 1 eine Optimierung der Dichte des Rücklaufschlammes nicht möglich ist, wurde eine Pumpe installiert um den Überschussschlamm von der Belebung 1 in die Belebung 2/3 zu fördern und somit ebenfalls optimiert über die Zentrifuge einzudicken.

    Sustreat Projekt Innovation Überschussschlammzentrifugenjpeg
    Überschussschlammzentrifugen

    7) Nutzung des Wasserspiegelunterschiedes zwischen Vorklärung und Belebung 1 zur Direktbeschickung dieser Straße.

    Mit einer neuen Verbindungsleitung sollte das BB1 über eine Mengenmessung und einen Drosselschieber direkt beschickt werden. Dabei sollte die potenzielle Energie des Abwassers effektiv genutzt werden. Die Planungen haben jedoch gezeigt, dass dies aus hydraulischen Gründen nicht funktioniert und auf die Nutzung der bestehenden Pumpstation nicht verzichtet werden kann.

    8) Trennung der Zwischenhebung zwischen Tropfkörperbeschickung und Direktbeschickung der Belebungsanlage 2 und 3

    Durch die Wiederinbetriebnahme der kleinen Bypass-Pumpen wurde dies teilweise erreicht. Insbesondere bei Regenwetter aber im kleineren Umfang auch bei Trockenwetter sind hier Energieeinsparungen zu erwarten. (0,03 KW/Stunde für jeden Kubikmeter Abwasser der bei hinreichender Bypass-Leitungsdimensionierung nicht über den Verteiler geleitet wird.

    9) Einführung der Vorfällung zur bedarfsgerechten Beschickung der drei Belebungsstraßen mit C-haltigem Abwasser für die Denitrifikation und zur Erhöhung der Primärschlammmenge

    Die Anlage zur Vorfällung wurde installiert und in Betrieb genommen. Die Eigenstromproduktion stieg im 4. Quartal gegenüber dem 3. Quartal von 200.000 KW/Monat auf 244.000 KW/Monat. (22 %). Bis Ende Mai wurden auf der Kläranlage Getränke- Reste angenommen. Die Mehrproduktion über die Getränkereste lag höher als die Mehrproduktion über die Vorfällung. Zu berücksichtigen ist aber auch, dass durch die Getränkereste ein Schlammmehranfall vorgelegen haben müsste.

    Im dritten Quartal lag der Stromverbrauch circa 2 % über dem vierten Quartal. Es wird davon ausgegangen, dass die Vorfällung im geringen Ausmaß den Strombedarf der Kläranlage verringert. Es wird auch von einer geringen Verringerung des Fällmittel-Bedarfs ausgegangen. Durch die Verringerung des Fällschlammes in der Belebung ist von einer Kapazitätserhöhung der Kläranlage auszugehen.

    Nach der Umsetzung der geplanten Maßnahmen des SusTreat-Projektes V ermöglichen die aktuellen Berechnungen und Zwischenergebnisse, dass die Kläranlage Koblenz Wallersheim künftig rund 0 MWh Wärme im Jahr (bisher 130 MWh/a) und ca. 1.050 MWh Strom vom Netz (bisher 1.940 MWh/a) beziehen muss. Dies stellt gegenüber dem bisherigen Betrieb einer Reduktion des Strombezugs von 46 % dar! Des Weiteren werden die Klärschlammtransporte von bisher 13.800 to pro Jahr auf rund 1.700 - 1.800 to/a reduziert und somit ein wesentlichen Beitrag zur CO2 Emissionsvermeidung und Verringerung des Transportaufkommens (Verkehr) geleistet. Somit ist es möglich die Projektziele zu erreichen, unter günstigen Umständen werden die dort vorgesehenen Einsparpotentiale sogar unterschritten, so dass der künftige Energieverbrauch sich noch günstiger darstellt als vor Inangriffnahme der Gesamtmaßnahmen ermittelt.

    Energiekonzept

    Energieautarke Klärschlamm-Minimierung – wie ist das möglich?

    Einzelne Modullösungen – die intern vorhandene Energieströme optimal nutzen – werden intelligent kombiniert. Als CO2-neutrale Energieträger sind im Klärwerk Klärschlamm und Faulgas vorhanden, aber noch nicht gänzlich zur Nutzung erschlossen. Hinzu kommt die Sonne zur emissionsfreien Energieerzeugung.

    SusTreat stellt eine komplexe Systemlösung dar, die diese Energiepotenziale nutzbar macht und bündelt.

    Sustreat Energiekonzept Schemaplan Preview