Schlammige Energiefresser – HZDR-Wissenschaftler wollen Effizienz von Kläranlagen verbessern

Wenn Dr. Sebastian Reinecke vom Institut für Fluiddynamik am Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) eines seiner Forschungsobjekte beobachtet, sieht er auf den ersten Blick nicht viel außer Schlamm. Die undurchsichtige Masse leistet allerdings einen wichtigen Beitrag bei der herkömmlichen Abwasserreinigung – oder vielmehr die Mikroorganismen, die sich darin tummeln.

In Kläranlagen filtern sie Schmutzstoffe aus dem Wasser. Dafür benötigen sie jedoch sehr viel Sauerstoff, den spezielle Belüftungssysteme am Boden der Anlagen unter hohem Energieaufwand einspeisen. „Um den Belebtschlamm gut zu durchmischen, verteilen oft zusätzlich Rührwerke den Sauerstoff, was weiteren Energieaufwand nötig macht”, erläutert Reinecke. „Der Sauerstoffeintrag und die Durchmischung in den Becken bestimmen also maßgeblich die Leistungsfähigkeit und damit die Energiebilanz der Kläranlage.“

Nach Ansicht des Dresdner Forschers ließe sich durch technische Maßnahmen Energie einsparen: „In den meisten Anlagen ist die tatsächliche Konzentrationsverteilung des gelösten Sauerstoffs und der Ammoniumverbindungen in den Becken unbekannt. Daher ist das Zusammenspiel zwischen Einspeisen und Verteilen des Gases oft mangelhaft und es kommt häufig zu einer Inhomogenität von Über- oder Unterversorgung mit Sauerstoff. Entsprechende Funktionstests gibt es nur sehr selten, weil passende, räumlich auflösende Messverfahren für die komplexen hydrodynamischen und biochemischen Prozesse in den Becken fehlen.“

Die Folge ist ein zu hoher Energieeinsatz. Gemeinsam mit Kollegen der TU Dortmund und des Instituts für Wasser und Energie Bochum (IWEB) will Sebastian Reinecke im Projekt „Leistungsoptimierung von Kläranlagen durch gezielte Strömungsführung in Belebtschlammbecken“ (LEOBEL) dieses Problem lösen.

Was treiben die Blasen im Schlamm?

„Ziel ist, Simulationsmethoden und Messtechnik zu entwickeln, mit denen Strömungsverhältnisse direkt im Becken analysiert und darauf aufbauend optimiert werden können“, erzählt Reinecke. Bei Experimenten an zwei Versuchsaufbauten sind der Dresdner Ingenieur und sein Team bereits zu aufschlussreichen Ergebnissen gekommen.

Mit dem ultraschnellen Röntgentomograph ROFEX konnten sie im Labor zum ersten Mal das Verhalten von aufsteigenden Blasenschwärmen im Belebtschlamm für drei unterschiedliche Belüftertypen ermitteln. Diese Ergebnisse überprüften sie anschließend unter realitätsnahen Bedingungen mit Belebtschlamm aus dem sächsischen Klärwerk Ebersbach in einer Technikumsanlage, die ein Füllvolumen von rund 14.000 Litern umfasst. Mit den experimentellen Daten validierten sie dann die Simulationsmodelle der TU Dortmund.

„Wir konnten dabei feststellen, dass die Modelle unserer Kollegen die Prozesse in den Becken gut vorhersagen“, fasst Reinecke zusammen. „Auf der Basis können wir verbesserte Vermischungs- und Belüftungsstrategien entwickeln.“ Erste Simulationen der TU Dortmund von Betriebsvarianten für die Kläranlage im nordrhein-westfälischen Schwerte legen zum Beispiel nahe, dass circa 23 Prozent der eingesetzten Energie in den Belebungsbecken eingespart werden könnte, was einer Reduktion von rund 130 Tonnen Kohlendioxid pro Jahr entspricht.

„Die Untersuchungen haben außerdem gezeigt, dass ein neuartiger Edelstahlmembranbelüfter der IWEB GmbH den Schlamm besser belüftet und vermischt als bisher eingesetzte kommerzielle Modelle. Der Energieverbrauch konnte dadurch um bis zu 25 Prozent gesenkt werden. Gleichzeitig versprechen neue Erkenntnisse zur Verbesserung weiteres Potential, um den Energieverbrauch zu reduzieren.“

In der dritten Phase des Projekts wollen die Forscher nun bis März 2018 ihre neuentwickelten Strategien validieren. Die Deutsche Bundesstiftung Umwelt fördert das Projekt unter dem Aktenzeichen AZ30799.

Publikation:
A. E. Sommer, M. Wagner, S. F. Reinecke, M. Bieberle, F. Barthel, U. Hampel: Analysis of activated sludge aerated by membrane and monolithic spargers with ultrafast X-ray tomography, in Flow Measurement and Instrumentation, 2017 (DOI: 10.1016/j.flowmeasinst.2016.05.008)

Weitere Informationen:
Dr. Sebastian Reinecke
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Das Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) forscht auf den Gebieten Energie, Gesundheit und Materie. Folgende Fragestellungen stehen hierbei im Fokus:
• Wie nutzt man Energie und Ressourcen effizient, sicher und nachhaltig?
• Wie können Krebserkrankungen besser visualisiert, charakterisiert und wirksam behandelt werden?
• Wie verhalten sich Materie und Materialien unter dem Einfluss hoher Felder und in kleinsten Dimensionen?
Zur Beantwortung dieser wissenschaftlichen Fragen betreibt das HZDR große Infrastrukturen, die auch von externen Messgästen genutzt werden: Ionenstrahlzentrum, Hochfeld-Magnetlabor Dresden und ELBE-Zentrum für Hochleistungs-Strahlenquellen.
Das HZDR ist Mitglied der Helmholtz-Gemeinschaft, hat fünf Standorte (Dresden, Freiberg, Grenoble, Hamburg, Leipzig) und beschäftigt rund 1.100 Mitarbeiter – davon etwa 500 Wissenschaftler inklusive 150 Doktoranden.

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