Kläranlagen nachhaltig betreiben

Kläranlagen sind nicht selten die größten Energieverbraucher einer Kommune. Mit Blick auf hohe Energiepreise und die Energiewende sind Effizienzsteigerungen hier also besonders wertvoll. Vor diesem Hintergrund hat unser Team die Kläranlage der Stadt Wesel, welche unter der Betriebsführung der Stadtwerke Wesel steht und an denen die GELSENWASSER AG seit 1999 beteiligt sind, energetisch analysiert und optimiert. Die Kläranlage reinigt das Abwasser von ca. 75.000 Einwohnenden der Stadt Wesel sowie der Ortsteile Friedrichsfeld (Stadt Voerde) und Menzelen-Ost (Gemeinde Alpen). Zusätzlich wird dort industrielles Abwasser in der Größenordnung von rund 35.000 Einwohnenden geklärt. 

Unser Team konnte im Jahr 2015 zunächst durch eine ausführliche Betriebsdatenauswertung und analyse in Zusammenarbeit mit dem Betrieb der Kläranlage zwei Hauptmaßnahmen zur Energieeinsparung der Kläranlage Wesel ableiten: Zum einen würde durch eine verfahrenstechnische Umstellung von einer vorgeschalteten auf eine intermittierende Denitrifikation der Bedarf der internen Rezirkulationsströme und der dazu benötigten Pumpenleistung sowie der Rührwerke in den Becken wegfallen. Zum anderen könnte durch eine Außerbetriebnahme des Beckens zur biologischen Phosphorelimination (Bio-P) die zusätzliche Pumpenleistung zur Förderung des Rücklaufschlammes über die vorhandene Höhendifferenz eingespart werden. 

Im nächsten Schritt wurde mithilfe einer dynamischen SIMBA-Simulation ein digitaler Zwilling der Kläranlage Wesel erstellt. Die dynamische Simulation in Kombination mit dem eigenentwickelten Analysetool erlaubt es hierbei, das vorhandene Datenmaterial der Kläranlage zum Aufbau eines dynamischen Simulationsmodells zu nutzen und damit schnell und zeiteffizient verfahrenstechnische und energetische Optimierungsmaßnahmen zu analysieren und auf ihre Langzweitwirkung zu testen. So konnte untersucht werden, ob die genannten Hauptmaßnahmen zur Energieeinsparung negative Auswirkungen auf die (biologische) Reinigungsleistung der Gesamtanlage, insbesondere mit Blick auf die Elimination von Stickstoff und Phosphor, hat.  

Daher führten die Stadtwerke Wesel die Umsetzung der energieeinsparenden Handlungsmaß-nahmen in den Jahren 2018 - 2022 durch. Ein erneuter Energiecheck unsererseits zeigte, dass der Energiebedarf der Kläranlage Wesel hierdurch um über 21% reduziert werden konnte. Gleichzeitig zeigt unser fortlaufendes Monitoring der Betriebsdaten, dass die Umsetzung der energiesparenden Maßnahmen, wie bereits durch die SIMBA-Simulation antizipiert, keine negativen Auswirkungen auf die reale Prozesseffizienz der Kläranlage Wesel haben. 

Was wir gemacht haben: 

1. Auswertung und Analyse der zur Verfügung gestellten Betriebsdaten 
2. Energieanalyse- und Optimierung u.a. mithilfe einer SIMBA-Simulation 
3. Durchführung regelmäßiger Energiechecks nach dem DWA-A 216 

Unser Team hat für die Technischen Werke Emmerich (TWE) im Jahr 2021 den Austausch der Rechenanlage auf der Kläranlage Emmerich am Rhein, die jährlich ca. 5 bis 6 Mio. Kubikmeter Abwasser klärt, geplant und die Ausführung begleitet. Dabei wurden die vorhandenen Filterstufenrechen gegen zwei neue Harkenumlaufrechen getauscht. Darüber hinaus wurden anstatt einer einzelnen Förder-schnecke mit nachgeschalteter Waschpresse zwei Waschpressen mit Pressrohren eingebaut, um eine Redundanz der Anlage herzustellen.
Mit Einbau und Inbetriebnahme der neuen Rechenanlage konnten die Betriebsstörungen und die erforderlichen Bereitschaftseinsätze des Kläranlagenpersonals deutlich reduziert werden sowie der Feststoffrückhalt dieser ersten mechanischen Reinigungsstufe optimiert werden. Darüber hinaus können die neuen Harkenumlaufrechen abhängig vom Zulaufvolumenstrom automatisiert zu- und abgeschaltet werden, um die im Gerinne erforderlichen Fließgeschwindigkeiten zu erreichen. 

Dank der seit 2004 bestehenden Kooperationsvereinbarung zwischen der GELSENWASSER AG und der TWE konnte diese Maßnahme gemeinsam mit allen Fachplanern und Betriebsangehörigen der TWE entsprechend der HOAI-Leistungsphasen 1-9 in dem vorgesehen Zeit- und Kostenrahmen umgesetzt werden. Durch den Austausch der Rechenanlage werden die weiteren, nachgeschalteten Anlagenteile der Kläranlage Emmerich am Rhein zuverlässig vor ungewünschter Feststoffeintragung geschützt.

Was wir gemacht haben:

• Ausführungsplanung und Erstellung eines Leistungsverzeichnisses für die Bereiche der Maschinen- und Elektrotechnik
• Ausschreibung und Vergabe der Leistungen über den GELSENWASSER AG Einkauf
• Überwachung des Umbaus der Maschinen- und Elektrotechnik im Bestand, teilweise mit Außerbetriebnahmen der Teilanlagen
• Inbetriebnahme und Nachbetreuung der Anlage

Die Optimierung der Gebläsesteuerung der biologischen Reinigungsstufe hat große Auswirkungen auf die Effizienz einer Kläranlage und die Reduzierung der Ammoniumkonzentrationen im Ablauf. Dadurch kann die Kläranlage die gesetzlichen Vorgaben einhalten und den Gewässerschutz gewährleisten. Neben den ökologischen Vorteilen führt die Effizienzsteigerung durch einen reduzierten Energieverbrauch der Gebläse zu erheblichen Kosteneinsparungen.
Bereits seit 2018 betreut unser Team die zwei Kläranlagen der Gemeinde Rosendahl, die den Größenklassen 2 und 3 entsprechen. Seitdem wurden neben einer Konzeptstudie zum Weiterbetrieb der zwei Kläranlagen diverse maschinen- und verfahrenstechnische Optimierungsmaßnahmen zur Erhöhung der Energieeffizienz und Steigerung der Ablaufqualität durchgeführt. 

So wurde beispielsweise bei der Analyse nach dem Arbeitsblatt DWA-A 216 festgestellt, dass die Gebläsesteuerung Raum für Verbesserungen bietet. Durch deren Optimierung konnten die Ammoniumkonzentrationen im Ablauf der Kläranlage deutlich gesenkt und dem vorgeschriebenen Betriebsmittelwert angenähert werden.

Weitere Maßnahmen, die unser Team für die Gemeinde Rosendahl zur Ertüchtigung der beiden Kläranlagen in Holtwick und Osterwick umgesetzt hat, sind die Folgenden:

• Bau eines zweiten Fällmitteltanks und Erneuerung der Dosierstrecke in Holtwick
• Errichtung einer Zweipunktfällung in Osterwick
• Implementierung einer phosphatfrachtabhängigen Fällmitteldosierung
• Erneuerung des Hebewerkes in Holtwick
• Austausch der Gebläse inkl. Luftleitung sowie der Belüftungselemente auf beiden Kläranlagen
• Erneuerung der gesamten Schaltanlage der Kläranlage Holtwick

Im Jahr 2024 begleitet unser Team die Gemeinde Rosendahl zudem noch bei folgenden Schritten:

• Inbetriebnahme einer zulaufabhängigen Rücklaufschlammsteuerung zur Entlastung der Nachklärung auf beiden Kläranlagen
• Bau einer Dosierstation für ein externes Kohlenstoffsubstrat auf beiden Kläranlagen zur Verbesserung des Nitrat-Abbaus
• Umbau des Gerinnes und Erneuerung des Rechens inkl. Rechengutwaschpresse in Holtwick
• Austausch diverser Pumpen gegen energieeffizientere Aggregate

Alle voran genannten Maßnahmen liefern einen wichtigen Beitrag zum Gewässerschutz, indem die Ablaufkonzentrationen für Stickstoff und Phosphor weiter gesenkt wurden sowie zur Steigerung der (Energie-)Effizienz der beiden Kläranlagen.