BMU-Umweltinnovationsprogramm „Energieeffiziente Abwasseranlagen“/„Energieautarke Kläranlagen“
Projekthistorie:
Abwasserbehandlungsanlagen sind im kommunalen Bereich mit durchschnittlich 20% die größten Stromverbraucher. Sie verbrauchen mehr Strom als alle andere kommunalen Verbraucher wie z. B. Schulen oder Verwaltungsgebäude.
Durch geeignete Maßnahmen kann der Energieverbrauch einer Kläranlage minimiert werden. Des weiteren kann durch eine Umstellung des vorhandenen Abwasserreinigungsverfahrens in Verbindung mit der energetischen Nutzung der anfallenden Biomasse (Klärschlamm) Energie produziert werden. Erreicht die Energieproduktion aus der vorhandenen Biomasse den Wert des Energieverbrauchs ist ein energieautarker Betrieb gegeben.
Die GKA Weilerbach wurde vor ca. 25 Jahren als aerobe Stabilisierungsanlage für eine Ausbaugröße von 16.500 Einwohnerwerten konzipiert. D. h. der Belebtschlamm wird solange belüftet, bis sich die organischen Anteile auf rd. 50% abgebaut haben und keine Geruchsbelästigungen von dem Überschussschlamm mehr ausgehen. Dieses Verfahren ist geprägt von einer kompakten Bauweise sowie hohen Energiekosten für die Belüftung zur Aufzehrung der organischen Bestandteile.
Vor dem Hintergrund, des steigenden Strompreises und zum Erreichen der Klimaschutzziele soll hierfür das Reinigungsverfahren auf der GKA Weilerbach so umgestellt werden, dass ein energieautarker Betrieb möglich ist.
Die Verbandsgemeinde Weilerbach hat gemeinsam mit der HYDRO-Ingenieure Energie & Wasser GmbH, einem bundesweit agierenden Spezialisten für Abwasserreinigungsanlagen und Energieeffizienz mit Sitz in Kaiserslautern eine Konzeption ausgearbeitet und die entsprechenden Bauleistungen ausgeschrieben.
Auf der Gruppenkläranlage Weilerbach wird nach Ende der Umbaumaßnahmen der Klärschlamm anaerob stabilisiert (auch als Faulung bezeichnet). Hier wird der Belebtschlamm soweit belüftet, dass die behördlichen Anforderungen an das gereinigte Abwasser eingehalten werden. Die organischen Bestandteile des Schlammes (ebenfalls zu rd. 50%) werden in einem Hochlast-Faulbehälter unter Ausschluss von Sauerstoff zu Methan umgewandelt, das über zwei Blockheizkraftwerke (BHKW) in Strom und Wärme umgewandelt wird. Für dieses Verfahren werden zusätzliche Bauwerke benötigt, es fallen jedoch geringere Betriebskosten infolge der Stromeigenerzeugung an.
Bei dem für die Gruppenkläranlage Weilerbach entwickelten Konzept werden verschiedene neue effiziente Verfahrensschritte miteinander kombiniert. Zum einen wird die Produktion des Energieträgers (Klärgas) maximiert. D. h. durch die Kombination des Hochlastfaulungsverfahrens mit einer Nachvergärung wird die maximale Klärgasausbeute aus dem vorhandenen energetischen Potenzial im kommunalen Abwasser erzielt. Zum anderen wird durch die Ausschöpfung restlicher Einsparpotentiale der Strombedarf soweit minimiert, dass in der Summe kein externer Energiebezug mehr erforderlich ist.
Der Planung lagen Ergebnisse umfangreichen Voruntersuchungen durch das Fraunhofer Institut für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik (IGB) in Stuttgart zugrunde. In diesen Voruntersuchungen wurde betätigt, dass durch eine Stabilisierung der anfallenden Klärschlämme in der Hochlast-Faulung mit anschließender Nachvergärung genügend Klärgas produziert werden kann, um einen energieautarken Betrieb der GKA Weilerbach zu realisieren.
Die GKA Weilerbach steht modellhaft für zahlreiche Kläranlagen ähnlicher Größe in Deutschland, die immer noch eine aerobe Stabilisierung praktizieren, im Hinblick auf die anstehende „energetische Wende“ jedoch gehalten sein werden, das Reinigungsverfahren umzustellen und den Energieeinsatz zu optimieren. Hier soll anhand der GKA Weilerbach gezeigt werden, was technisch und mit vertretbarem wirtschaftlichem Aufwand möglich ist.
Die Verbandsgemeinde Weilerbach hat sich im Zusammenhang mit der Konzeption und Planung der Verfahrensumstellung auf das vom Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit (BMU) geförderten Umweltinnovationsprogrammes mit dem Förderschwerpunkt „Energieeffiziente Abwasseranlagen“ beworben.
Das BMU hat das Konzept/die Planung der Verbandsgemeinde Weilerbach im Rahmen der Bundestagung der „Deutschen Vereinigung für Wasserwirtschaft, Abwasser und Abfall e.V.“ am 27.9.2011 ausgezeichnet. Die parlamentarische Staatssekretärin Frau Katherina Reiche überreichte in Berlin einen Zuwendungsbescheid, der die Maßnahme mit 30% der Investitionssumme fördert.
Am 20.06.2013 erfolgte der offizielle Spatenstich zum Umbau der GKA Weilerbach. Die Fertigstellung und Inbetriebnahme der anaeroben Schlammstabilisierung ist im Herbst 2015 geplant.
Detailbeschreibung
1. Ausgangssituation
Die GKA Weilerbach hat zzt. eine mittlere Anschlussgröße von 24.000 EW. Die Abwasserreinigung und Schlammbehandlung erfolgt nach dem Verfahren der simultanen aeroben Schlammstabilisierung. D. h. der Belebtschlamm wird solange belüftet, bis sich die organischen Anteile auf rd. 50% abgebaut haben und keine Geruchsbelästigungen von dem Überschussschlamm mehr ausgehen. Dieses Verfahren ist geprägt von einer kompakten Bauweise sowie hohen Energiekosten für die Belüftung zur Aufzehrung der organischen Bestandteile.
In den zurückliegenden Jahren wurden vom Betriebspersonal auf der GKA Weilerbach bereits Maßnahmen zur Steigerung der Energieeffizienz durchgeführt. Eine wesentliche Verringerung des Strombedarfes ist auf den Einbau von Plattenbelüftern (mit feinblasiger Belüftung) und optimierten Rührwerken in den beiden Belebungsbecken sowie der Erneuerung der Gebläse zurück zu führen.
Der Strombezug betrug in den Jahren 2008 bis 2010 i. M. 480.000 kWh/a. Dies entspricht bei der gegebenen Anschlußgröße einem spezifischen Stromverbrauch von 20 kWh/(EW*a). Der Bedarf an Flüssiggas zur Beheizung der Gebäude betrug i. M. rd. 3.800 l/a.
2. Umwandlung in eine Anaerobe Schlammstabilisierung (Faulung)
Nach einer Konzeption der HYDRO-Ingenieure Energie & Wasser GmbH, Kaiserslautern, sieht das Projekt vor auf eine anaerobe Stabilisierung mit Hochlastfaulung und Nachvergärung umzustellen. Hier wird der Belebtschlamm nur soweit belüftet, dass die Einleitgrenzwerte eingehalten werden. Die organischen Bestandteile des Schlammes werden unter Ausschluss von Sauerstoff zu Methan umgewandelt, das über zwei Blockheizkraftwerke (BHKW) zur Strom- und Wärmeerzeugung genutzt wird. Für dieses Verfahren werden zusätzliche Bauwerke benötigt, es fallen jedoch geringere Betriebskosten infolge der Stromeigenerzeugung und geringerer Schlammmengen an.
Nachfolgende Maßnahmen sind zur Umsetzung der Konzeption erforderlich. Zur Gewinnung organischer Substanz und zur Entlastung der Belebungsbecken wird ein Vorklärbecken zur Grobentschlammung neu errichtet. In den Belebungsbecken wird die Steuerung der intermittierenden Denitrifikation weitergehend optimiert. Die eingesetzten Motoren werden bez. ihrer Effizienzklasse überprüft und ggf. ausgetauscht.
Der aus der biologischen Reinigungsstufe abgezogene Überschußschlamm (ÜS) wird in einem vorhandenen Vorlagebehälter homogenisiert, zwischengespeichert und danach maschinell entwässert. Der eingedickte ÜS wird über einen Wärmetauscher einem Hochlastfaulbehälter zugeführt. Durch die mit diesem Verfahren gegebene hohe Raumbelastung können hohe Abbauraten der organischen Bestandteile und damit eine optimierte Klärgasausbeute erreicht werden. Zur Nutzung der im Faulschlamm enthaltenen Restgasmengen wird in einer der beiden vorhandenen Kammern des Schlammsilos eine Nachvergärung eingerichtet.
Das gewonnene Klärgas wird einem Gasspeicher zugeführt. Das erzeugte Klärgas wird vollständig in zwei Blockheizkraftwerken (BHKW) verwertet und in elektrischen Strom und Wärme umgewandelt.
Durch die Verfahrensumstellung wird sich der Klärschlammanfall voraussichtlich um rd. 30% verringern. Neben den geringeren Kosten für die landwirtschaftliche Verwertung werden sich auch Kosten für die benötigten Entwässerungshilfsstoffe in gleichem Maße reduzieren.
3. Zielsetzung
Die Verbandsgemeinde Weilerbach beabsichtigt, den Strombedarf ihrer Gruppenkläranlage durch Verfahrensumstellung und Durchführung weiterer Effizienzmaßnahmen auf einen spezifischen Stromverbrauch von 17,5 kWh/(EW*a). weiter zu reduzieren. Durch eine optimierte Faulgasausbeute und Nutzung in Blockheizkraftwerken (BHKW) sollen künftig rd. 470.000 kWh/a Strom erzeugt werden. Somit werden durch Eigenerzeugung aus regenerativer Energie kein Strombezug aus dem Netz und kein Bezug von Brennstoffen zur Beheizung mehr erforderlich sein.