Zukunftsfähige Technologien und Konzepte für eine energieeffiziente und ressourcenschonende Wasserwirtschaft

Kontakt

Prof. Dr. Johannes Pinnekamp

ISA – Institut für Siedlungswasserwirtschaft,
Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen (RWTH Aachen)

Mies-van-der-Rohe-Straße 1
52074 Aachen

isa@isa.rwth-aachen.de

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Logo E-KlärEntwicklung und Integration innovativer Kläranlagentechnologien für den Transformationsprozess in Richtung Technikwende

Hintergrund

Die kommunale „Kläranlage der Zukunft“ wird neben den heutigen Anforderungen an die Nährstoffelimination in vielen Fällen weitergehende Aufbereitungsschritte beinhalten, um auch Mikroverunreinigungen und/oder Krankheitserreger zu eliminieren. Gleichzeitig wird die Kläranlage der Zukunft die im Rohabwasser enthaltene Energie möglichst weitgehend ausnutzen und stoffliche Ressourcen rückgewinnen. Dazu ist es erforderlich, bewährte Verfahren zu hinterfragen und neue Technologien einzusetzen. Neben der vordringlichen Aufgabe der regelkonformen Abwasserreinigung wirken auf den Anlagenbetrieb zunehmend externe Erfordernisse und Ansprüche ein, die durch steigenden Kostendruck – insbesondere im Energiebereich induziert – neue Prozesse und Abläufe auf der Kläranlage wirtschaftlich erscheinen lassen.

Ziele

Ziel des Verbundvorhabens ist es, Strategien für eine optimale Nutzung der im Abwasser enthaltenen Energie und Ressourcen sowie für eine Senkung des Energieverbrauchs der Kläranlage der Zukunft zu entwickeln. Hierzu werden innovative Technologien und Verfahrensketten untersucht sowie eine Methodik erarbeitet, die eine anlagenspezifische Konzeptionierung und Transformation zur Anpassung realer Anlagen an einen energieoptimierten und ressourcenschonenden Betrieb unter Berücksichtigung wirtschaftlicher Gesichtspunkte stufenweise ermöglicht. Die zu entwickelnden Kläranlagenkonfigurationen werden neben einer weitgehenden Nährstoffelimination auch eine Reduzierung der Mikroverunreinigungen und der Krankheitserreger umfassen. Als Ergebnis des Verbundprojektes stehen innovative Verfahrensketten, indem neue Verfahren in ihren Wechselwirkungen untereinander sowie mit bewährten Verfahren konzeptioniert und erprobt werden. Darauf basierend werden praxisbezogene Handlungsempfehlungen zur Transformation heutiger Kläranlagen in energieeffizientere Zukunftskonzepte als übertragbare Methodik interdisziplinär entwickelt.

Schwerpunkte und Hauptziele des Projektes E-Klär

Abb. 1: Schwerpunkte und Hauptziele des Projektes E-Klär

Arbeitsschwerpunkte

Im ersten Schwerpunkt (SP I „Design“) werden technische Fragen innovativer Verfahren und ihrer Wechselwirkungen untereinander sowie mit bewährten Technologien erforscht. Dabei werden alle relevanten Prozessschritte der Kläranlage der Zukunft berücksichtigt. Die Möglichkeiten einer weitgehenden Kohlenstoffausschleusung und -nutzung zur Verbesserung der Energiebilanz zukünftiger Kläranlagen werden untersucht. Konventionelle Verfahren der Stickstoffelimination beeinflussen die Energiebilanz negativ, zum einen über den Sauerstoffbedarf der Nitrifikation und zum anderen über den Kohlenstoffbedarf der Denitrifikation. Daher werden Wissenslücken zur Einbindung autotropher Verfahren in die Kläranlage der Zukunft erforscht. Desweiteren werden die Verfahren der Spurenstoffelimination und Desinfektion betrachtet, die im Hinblick auf ihre Energieeffizienz weiterentwickelt werden. Neben der Energie ist das stoffliche Potenzial einer Kläranlage im Sinne des Ressourcenschutzes von Relevanz. Der Fokus wird dabei auf der Rückgewinnung von Phosphor, weiteren Wertstoffen wie Metallen und cellulosehaltigen Fasern aus kommunalem Abwasser liegen.

Arbeitspakete in den drei Schwerpunkten

Abb. 2: Arbeitspakete in den drei Schwerpunkten

Im zweiten Schwerpunkt (SP II „Operation“) werden Werkzeuge entwickelt, die eine ganzheitliche, über die verschiedenen Verfahrensstufen der Kläranlage modelltechnische Abbildung der Stoff- und Energieströme einschließlich Kosten ermöglichen. Das Gesamtmodell umfasst drei Ebenen. Auf der Prozessebene wird ein durchgängiges Prozessmodell entwickelt, das ergänzend zu den Standardprozessen mit einer Vielzahl von ausformulierten Einzelmodulen aus SP I „Design“ ausgestattet wird. Auf der Energieebene wird ein durchgängiges Energieflussmodell aufgebaut, in dem alle Energieströme (thermische, elektrische und biochemisch gespeicherte) im Längsschnitt der Kläranlage definiert und abgebildet werden. Darüber hinaus wird ein Kostenmodell entwickelt, das die Betriebskosten und Jahreskosten verfahrensstufendifferenziert berechnet und darstellt.

Im dritten Schwerpunkt (SP III „Transformation“) wird eine Methode entwickelt, um energieeffiziente Anlagenkonzepte der Zukunft und Transformationspfade dorthin zu erarbeiten, zu analysieren und abschließend auszuwählen. Unter Einbindung der im SP l „Design“ erforschten innovativen Verfahrensketten erfolgt im ersten Schritt des Stufenkonzeptes die modellunterstützte Auswahl von Ziel-Kläranlagen unter Berücksichtigung der langfristig variablen Randbedingungen auf die drei Modell- und Bewertungsebenen Prozesstechnik, Energie und Kosten. Im zweiten Schritt erfolgt unter Einbeziehung der vorhandenen Anlagensubstanz die modellunterstützte Auswahl und Bewertung des optimalen Transformationsweges. Mit Anwendung des Stufenkonzeptes auf verschiedene reale Kläranlagen des Ruhrverbandes erfolgt die Validierung der Methode, sodass ihre Übertragbarkeit auf weitere Kläranlagen gewährleistet ist. Durch die vorgesehenen Kommunikationsmaßnahmen werden die Projektergebnisse an Entscheidungsträger in der Praxis weitergeleitet und somit eine Technikwende im Hinblick auf die Energie- und Stoffnutzung auf Kläranlagen vorangetrieben.

Weitere Informationen

>> zu den Arbeitspaketen im Schwerpunkt I: Design

>> zu den Arbeitspaketen im Schwerpunkt II: Operation

>> zu den Arbeitspaketen im Schwerpunkt III: Transformation

>> zur Homepage des Verbundes