Der Ruhrverband betreibt für seine Mitglieder über 60 Kläranlagen in Nordrhein-Westfalen und reinigt dort die Abwässer von mehr als zwei Millionen Menschen und zahlreichen Gewerbebetrieben. Die Kläranlage im sauerländischen Altena wurde 1984 mit einer Ausbaugröße von 52.000 Einwohnerwerten (EW) in Betrieb genommen. Die biologische Reinigung erfolgt derzeit nach dem Belebungsverfahren. Im Faulbehälter wird der Schlamm anaerob stabilisiert, dann maschinell entwässert und anschließend einer thermischen Verwertung zugeführt. Der Kläranlagenstandort soll umfassend saniert und an die seit den 1980er Jahren deutlich gesunkene Einwohnerzahl angepasst werden (zukünftige Ausbaugröße 20.000 EW). Ein Ziel der Umbaumaßnahmen ist es, die Anlage künftig ohne eigene Schlammbehandlung als so genannte Satellitenanlage, also von einer benachbarten Kläranlage aus, zu betreiben. Die geringe Flächenverfügbarkeit und die eingeschränkte Zugänglichkeit des Geländes für schweres Baugerät stellten wesentliche Herausforderungen für die Neuplanung dar. Auf Basis der Ergebnisse einer umfangreichen Machbarkeitsstudie wurde vom Ruhrverband die Umsetzung des Nereda ® -Verfahren als die vorteilhafteste Lösung für die Erneuerung der biologischen Reinigungsstufe ausgewählt. Das Nereda ® -Verfahren ist ein neuartiges biologisches Abwasserreinigungsverfahren, in dem die Bakterien durch eine spezielle Reaktorgestaltung und gezielte Betriebsführung anstelle von Flocken kompakte „Granulen“ ausbilden. In diesen Granulen laufen die verschiedenen biologischen Prozesse der Abwasserbehandlung in den inneren anaeroben Bereichen und den äußeren aeroben Bereichen gleichzeitig ab. Das Verfahren basiert auf einem modifizierten Sequencing Batch Reactor (SBR)-Betrieb, bei dem Beschickungs- und Ablaufphase, Reaktionsphase und Sedimentationsphase zyklisch aufeinander folgen. Überschüssiger Schlamm wird regelmäßig abgezogen und zur Weiterbehandlung auf eine benachbarte Kläranlage verbracht. Im Vergleich zu konventionellen biologischen Reinigungsverfahren nach dem Stand der Technik ergeben sich beim Nereda ® -Verfahren deutliche betriebliche und wirtschaftliche Vorteile durch den geringeren Flächenbedarf, eine hohe Robustheit des Verfahrens sowie geringere Betriebskosten und verminderten Wartungsbedarf. Eine moderne Mess-, Steuer- und Regeltechnik mit Online-Überwachung und Fernzugriff ist Bestandteil des Verfahrens. Mit der neuen Anlage und dem neuen Verfahren soll eine weitestgehend biologische Phosphorelemination erfolgen. So kann im Vergleich zum Ist-Zustand eine Einsparung von Fällmitteln für die chemische Phosphatfällung um voraussichtlich etwa 75 Prozent realisiert werden. Insgesamt wird mit der neuen Technologie eine deutliche Verbesserung der Ablaufwerte erwartet. Zusätzlich wird im Vergleich zum Ist-Zustand für die Kläranlage in Altena mit dem Nereda®-Verfahren eine Verringerung des Energiebedarfs um mindestens 30 Prozent erwartet. Insgesamt ergeben sich Einsparungen von 130 Tonnen CO 2 pro Jahr bzw. 7,6 Kilogramm CO 2 pro EW und Jahr.
Branche: Wasser, Abwasser- und Abfallentsorgung, Beseitigung von Umweltverschmutzungen
Umweltbereich: Wasser / Abwasser
Fördernehmer: Ruhrverband
Bundesland: Nordrhein-Westfalen
Laufzeit: seit 2019
Status: Laufend
Zielsetzung und Anlass des Vorhabens: Ziel der letzten Projektphase war es, mit einer Langzeit-Praxiserprobung das zweistufige biologische Verfahren zur Deponiesickerwasserreinigung als Stand der Technik zu etablieren und zu bilanzieren. Nach der Inbetriebnahme des Technikums am Deponiestandort Schöneiche ging es in der zwölfmonatigen Laufzeit des Projektes AZ 14996/04 in den Langzeitversuchen um die Validierung der Laborergebnisse im technischen Maßstab, die verfahrenstechnische Optimierung der Anlage und um eine damit verbundene mögliche Kostenreduzierung des Systems. Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten Methoden: Nach dem ersten Technikums-Probebetrieb wurde eine Reihe von Optimierungsmaßnahmen durchgeführt: - der Umbau des Rohsickerwasserzulaufs, - die Verwendung von Soda statt Bicarbonat für die Ammoniumoxidation in Reaktor 2, - der Einsatz von Membrandosierpumpen mit integrierten Rückschlagventilen für die Zugabe von Soda und Essigsäure, - der Einbau von zusätzlichen Polyurethan-Festbetten zur Vergrößerung der Oberfläche für die Besiedlung mit Mikroorganismen, - die Einstellung des Sollwerts für Reaktor 4 auf einen pH-Wert von 6,5, - ein Update der SPS-Steuerung der Nanofiltration zur freien Programmierung der Spülzyklen, - der Einbau eines Absperrhahns vor den Nanofiltrations-Vorfilter - und die Trennung des Nanofiltrationsablaufs vom Reaktoren-Sammelablauf zur Behälterleerung. Es wurde sowohl Rohsickerwasser der MEAB-Deponie Schöneiche als auch Sickerwasserkonzentrat der Deponie Vorketzin behandelt. Fazit: Wegen der durchgeführten Optimierungsmaßnahmen ist es prinzipiell gelungen, das Schöneicher Rohsickerwasser gemäß Anhang 51 der Abwasserverordnung aufzureinigen. In Vorketzin wurde die organische Belastung über 70% und Stickstoff über 80% reduziert. Nach Rückgang der Calciumfracht sollte es zukünftig möglich sein, mit der Zweistufen-Biologie das Sickerwasserkonzentrat ausreichend zu reinigen, da organische Belastung und Stickstoffgehalt geringer als im Schöneicher Rohsickerwasser sind. Um das Verfahren als Stand der Technik, vor allem für die Behandlung von Sickerwasserkonzentraten, zu etablieren, müssten die Laborvorgaben mit den Erfahrungen des Technikumsbetriebs kombiniert und in einer weiteren Versuchsreihe unter optimierten Bedingungen verifiziert werden.
Seit das Belebtschlammverfahren in seinen Grundzuegen durch Publikationen und Patentanmeldungen von Ardern und Lockett im Jahre 1914 vorgestellt wurde, hat es sich zum Standardverfahren zur Reinigung kommunaler Abwaesser entwickelt, wobei es inzwischen auch gelungen ist, mit diesem Verfahren neben den Kohlenstoffverbindungen die Stickstoff- und Phosphorverbindungen aus dem Abwasser zu entfernen. Wurden frueher Belebungsanlagen noch aufgrund von vorwiegend hydraulischen Groessen ausgelegt, so sind heute aufgrund der immer umfangreicheren und strengeren Anforderungen der Abwasserverwaltungsvorschriften an die Reinigungsleistung einer Klaeranlage entsprechend komplexere Dimensionierungsbeziehungen zu beruecksichtigen. Bei der Planung neuer Anlagen, insbesondere fuer hoeherbelastete Abwaesser und Industrieabwaesser, gilt es zudem, neue Entwicklungen wie die Turmbiologie, Hochleistungsreaktoren (Kompaktreaktor, Hubstrahlreaktor, Prallstrahlreaktor) oder den Festbett- und Wirbelschichtreaktor als eine Altemative zum klassischen Belebungsbecken heranzuziehen und zu bewerten. Beim Betrieb werden wegen der steigenden Komplexitaet der Anlage und der erhoehten Anforderungen hinsichtlich der zulaessigen Grenzwerte und der Zahl der zu eliminierenden Schadstoffe sowie im Hinblick auf die Anlagensicherheit und die Ueberwachung der Grenzwerte zunehmend die Moeglichkeiten von on-line Messtechniken und modernen Regelungsstrategien Verwendung finden muessen. Ziel dieses Vorhabens ist es, - ein von der International Association on Water Pollution Research and Control (IAWPRC) entwickeltes mathematisches Modell zur Simulation von kommunalen Abwasserreinigungsanlagen fuer die dynamische Simulation von Anlagen fuer die Reinigung komplexer Abwaesser wie Deponiesickerwaesser und Industrieabwaesser zu erweitern, wobei eine objektorientierte Modellerstellungsumgebung entwickelt werden soll, die es gestattet, alle Projektphasen einer Simulation zu unterstuetzen, und - unter Verwendung der dynamischen Simulation Regelungs- und Optimierungsstrategien fuer komplexe Abwasserreinigungsanlagen unter Einsatz von on-line Messtechniken zu entwickeln. Dabei sollen sowohl analytische Verfahren, als auch sogenannte wissensbasierte Verfahren auf Basis der Fuzzy-Logik und Neuronalen Netze eingesetzt werden mit dem Ziel, dureh Kombination beider Verfahren hybride, adaptive Verfahren zu entwickeln.
Im Rahmen des Teilprojekts Modellierung des Forschungsverbundvorhabens 'Nachhaltige Altlastenbewältigung unter Einbeziehung des natürlichen Reinigungsvermögens' wird ein Prognoseinstrument entwickelt, das die Ausbreitung und den Abbau von Schadstoffen in der (un-)gesättigten Bodenzone in Form einer numerischen Simulation abbildet. Dazu musste in der ersten Projektphase ein existierendes Simulationswerkzeug (Richy1D) insbesondere um die Beschreibung von natürlichen Abbauvorgängen erweitert werden. Die nötigen Arbeiten auf dem Gebiet der Modellentwicklung resultierten zunächst in Implementierungen von Abbaumechanismen 0. und 1. Ordnung, die bereits lineare, irreversible Reaktionsnetzwerke mit beliebigen Reaktionspartnern abbildbar machen. Derartige Abbauketten sind etwa zur vereinfachten Beschreibung des LHKW-Abbaus weit verbreitet. Die Abhängigkeit der Reaktionsraten von Vorhandensein und Aktivität lebender Organismen, die diese Abbauvorgänge katalysieren, wird vom Monod-Modell widergespiegelt. Dieses wurde formuliert und implementiert für Umsetzungen mit beteiligter Biomasse und zwei Reaktionspartnern, dem Elektronendonator und einem Elektronenakzeptor (sog. 3-Komponentenmodell). Die Berücksichtigung des Konzepts der Redoxzonen, in welchen unterschiedliche Mikrobenspezies agieren und verschieden Abbauwege möglich sind, mündet in der Formulierung eines allgemeinen Monod-Modells mit einer beliebigen Anzahl von unterschiedlichen Biomassenspezies, Abbauwegen, Reaktionspartnern und Hemmstoffen. Um schließlich allgemeinste chemische Reaktionsgleichgewichte oder Kinetiken berücksichtigen zu können, wird derzeit an der Realisation eines allgemeinen Mehrkomponentenmodelles gearbeitet. Die Nutzung komplexer Simulationsmodelle für reale Fallstudien stellt hohe Anforderungen an die Datenlage der Standorte. Ein Hilfsmittel zur Gewinnung von Modellparametern stellt die Identifizierung dieser mittels inverser Simulation geeigneter (Säulen-) Experimente dar. Die am Lehrstuhl entwickelte Software wurde hier entsprechend den Anforderungen eines Teilprojekts einem speziellen Experimentdesign, dem sog. Kreislaufexperiment, angepasst. Desweiteren wurde eine neue Parametrisierungsmöglichkeit für die zu identifizierenden Funktionen geschaffen, welche zu verbesserter numerischer Stabiliät führt. Die Funktionen sind nun durch monotone, stückweise kubische Splines darstellbar. Die Identifizierungssoftware ist auch auf die Parameter des 3-Komponenten-Monod-Modells erweitert. Zur Erstellung einer räumlich dreidimensionalen, instationären Wasserhaushalts- und Stofftransportsimulation Richy3D wurden zunächst zweidimensionale Vorarbeiten auf die aktuellste Version des Programmbaukastens ug portiert, was sowohl die Verfolgung adaptiver Rechenkonzepte (variable Steuerung numerischer Parameter wie Zeitschrittweite und Feinheit des räumlichen Gitters) ermöglicht, als auch einen übergang zu parallelen Datenstrukturen bietet. Dazu wurde in weiten Teilen die Diskretisierung ...