Füreder, K. (2021). Energiebedarf von Rührwerken in Belebungsanlagen [Dissertation, Technische Universität Wien]. reposiTUm. https://doi.org/10.34726/hss.2021.96209
E226 - Institut für Wassergüte und Ressourcenmanagement
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Date (published):
2021
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Number of Pages:
157
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Keywords:
ENERGIEBEDARF; RÜHRWERKE; BELEBUNGSANLAGEN
de
ENERGY DEMAND; AGITATORS; ACTIVATED SLUDGE PLANTS
en
Abstract:
Der Anteil des Energiebedarfs von Rührwerken auf Belebungsanlagen am Gesamtenergiebedarf von Kläranlagen liegt, wie in dieser Arbeit gezeigt werden kann, bei 5 bis 20 %. Rührwerke standen im Gegensatz zu Belüftungssystemen jedoch bisher nicht im zentralen Fokus von Arbeiten zur Energieoptimierung. Ziel dieser Dissertation ist es daher, erstmals einen fundierten Überblick zum Energiebedarf und Energieoptimierungspotential von Rührwerken (allgemein: Durchmischungs-Systemen) in Belebungsanlagen vorzulegen. Hierzu wurde eine umfassende Datenbasis von Kläranlagen aufgebaut und hinsichtlich folgender Kennzahlen zum Energiebedarf von Rührwerken ausgewertet: (A) einwohnerspezifischer Energiebedarf Wmix,EW [kWh/EW120/a], (B) Leistungsdichte PR [W/m3], (C) volumen-spezifischer Energiebedarf Wmix,V [Wh/m3/d].Aus der statistischen Analyse des Datenmaterials wurden Zielwerte für Wmix,EW und PR abgeleitet und deren praktische Relevanz durch ein umfangreiches Messprogramm auf Großanlagen bestätigt. Sowohl Wmix,EW als auch dessen Zielwerte sind indirekt proportional zur mittleren CSB-Zulauffracht. Die Zielwerte von Wmix,EW liegen hierbei zwischen 6,8 kWh/EW120/a (< 5.000 EW120) und 1,3 kWh/EW120/a (> 30.000 EW120). Die Leistungsdichte PR und dessen Zielwerte sind indirekt-proportional zum Beckenvolumen, die Zielwerte von PR liegen zwischen 5,7 W/m3 (≤ 200 m3) und 1,1 W/m3 (> 2.000 m3).Die Höhe der dritten Kennzahl, des volumenspezifischen Energiebedarfs Wmix,V, hängt maßgeblich davon ab, ob ein Becken belüftet oder unbelüftet ist. Bei den belüfteten Becken der ausgewerteten Datenbasis liegt der Median von Wmix,V bei ca. 45 Wh/m3/d, bei unbelüfteten Becken bei ca. 90 Wh/m3/d.Die Energieoptimierung von Rührwerken kann grundsätzliche über zwei Wege erreicht werden: die Reduktion der Leistungsdichte und die Reduktion der täglichen Laufzeit der Rührwerke. Die Energiesparoptionen reichen hierbei von einer kontinuierlichen Durch-mischung bei kleinen Leistungsdichten von 1 W/m3 bis zur Durchmischung mittels kurzer, energieintensiver Impulse (Impulsbelüftung, Impulsrühren). Folgender Zusammenhang konnte hierzu festgestellt werden: Je kürzer die tägliche Dauer des Energieeintrags, desto höher die einzutragende Leistungsdichte bei vergleichbarem volumenspezifischem Energiebedarf Wmix,V. Bei günstigen Bedingungen hinsichtlich Beckenvolumen, Beckengeometrie, Belüftung und Rührwerksposition, kann Wmiv,V in belüfteten Becken auf < 24 Wh/m3/d reduziert werden.Jegliche Energieoptimierung von Rührwerken ist letztlich nur dann sinnvoll, wenn folgende Kriterien erfüllt werden: (1) Die Rührenergieeinsparung darf zu keiner Beeinträchtigung der Abwassereinigungsaufgaben der Kläranlage führen; die entscheidenden Kontrollgrößen hierfür sind: (1a) Sohlgeschwindigkeiten, (1b) Verteilung des TSBB-Gehalts im Belebungsbecken, (1c) Sohlablagerungen, (1d) Denitrifikation. (2) Die Rührenergieeinsparung muss auch zu einer Energieeinsparung im Gesamtsystem „Rührwerke und Belüftung“ führen; der diesbezügliche Nachweis kann über vergleichende Sauerstoffzufuhrversuche bei unterschiedlichem Mischenergieeintrag erfolgen. Die praktische Anwendbarkeit der in (1) und (2) angeführten Kontrollgrößen und Versuche konnte bei einem umfangreichen Messprogramm auf der Hauptkläranlage Wien (HKA Wien) nachgewiesen werden.
de
This work shows that agitators in activated sludge plants consume about 5 to 20 % of the total energy demand of a wastewater treatment plant. However, in contrast to aeration systems, agitators have not been the central focus of energy optimization yet. The aim of this work is therefore to provide a sound overview regarding the current state and the optimization potential of energy consumption of agitators (generally: mixing systems) in activated sludge tanks. For this purpose, a broad and consistent database of operating wastewater treatment plants was set up and evaluated using following agitator energy indicators: (A) inhabitant-specific energy demand Wmix,PE [kWh/PE120/a], (B) power density PD [W/m3], (C) volume-specific energy demand Wmix,V [Wh/m3/d].Based on the statistical analysis of the data set target values were derived for Wmix,PE and PD, the practical feasibility of which was confirmed by an extensive measuring program at large scale. Both Wmix,PE and its target values are indirectly proportional to the average incoming COD load, with target values ranging from 6.8 kWh/PE120/a (< 5,000 PE120) to 1.3 kWh/PE120/a (> 30,000 PE120). Similar results were found for power density: both PD and its target values prove to be indirectly proportional to tank volume, with target values ranging from 5.7 W/m3 (< 200 m3) to 1.1 W/m3 (> 2,000 m3).The value of the third key indicator, volume-specific energy requirement Wmix,V significantly depends on whether the tank is aerated or not. The median of Wmix,V for the aerated tanks is approx. 45 Wh/m3/d, for unaerated tanks approx. is 90 Wh/m3/d.In principle, there are two ways to optimize agitator operation: the reduction of power density and the reduction of daily operating time. Energy saving options range from continuous mixing with low power densities of 1 W/m3 to mixing by means of short, intense energy pulses (impulse aeration, impulse stirring). The following correlation was detected: the shorter the duration of daily energy input, the higher the power density at comparable volume-specific energy demand Wmix,V. Under favorable conditions with respect to tank volume, tank geometry, aeration and agitator position, the mixing energy in aerated tanks can be reduced to < 24 Wh/m3/d.Energy optimization of agitators is only feasible if the following criteria are met: (1) it must not impair the treatment of wastewater itself; the decisive control parameters are (1a) near-ground velocity, (1b) distribution of total suspended solids in the tank, (1c) tank deposits, (1d) denitrification performance. (2) it must lead to energy savings in the overall system "agitators and aeration"; evidence can be provided by comparative oxygen supply tests at different mixing energy inputs. The practical applicability of the control parameters and tests listed in (1) and (2) could be demonstrated in an extensive measurement program at the main wastewater treatment plant Vienna.