DD150881A1 - Verfahren zur intensivierung der klaer-/schlammentwaesserungsprozesse durch eigenenergieausnutzung - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Intensivierung der Klaer-/Schlammentwaesserungsprozesse durch Eigenenergieausnutzung in mechanisch-biologischen Klaeranlagen, denen Abwasser nicht im freien Gefaelle zuflieszt und in denen der stabilisierte Schlamm natuerlich entwaessert wird. Ziel der Erfindung ist eine verbesserte Energieoekonomie von Klaeranlagen bei gleichzeitiger Intensivierung der Klaer-/Schlammentwaesserungsprozesse durch Erschlieszung der Fallenergie und der ungenutzten Waerme des Abwassers. Die Aufgabe wird geloest, indem die verfuegbare Fallenergie des Abwassers durch geeignete Wirkprinzipien in mechanische Energie zum Antrieb einer Waermepumpe, die als kalte Waermequelle das geklaerte Abwasser nutzt, umgewandelt wird, wodurch ohne zusaetzliche Energiezufuhr von auszen mit Hilfe der Fallenergie des Abwassers die Energie des Abwassers erschlossen wird. Die gewonnene Gesamtenergiemenge in Form von Warmwasser, die ueber der aufgewendeten Antriebsenergie fuer die zusaetzliche Foerderhoehe infolge Herausheben der Klaerbecken liegt, kann z.B. zur Schlammaufheizung in Faulbehaeltern, fuer Verfahren der Abwassererhitzung fuer Heizzwecke und insbesondere zur Beschleunigung der Schlammentwaesserung eingesetzt werden.

Description

Titel der Erfindung

Verfahren zur Intensivierung der Klär-ZSchlammentwässerungsprozesse durch Eigenenergieausnutzung

Anwendung der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Intensivierung der Klär- und Schlammentwässerungsprozesse durch Eigenenergieausnutzung in solchen mechanisch-biologischen Kläranlagen, denen das Abwässif'liicht im freien Gefälle zufließt und in denen der stabilisierte Schlamm natürlich entwässert wird.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Es ist bekannt, daß in Abhängigkeit vom Wasserstand des Vorfluters, den Baugrund- und Grundwasserverhältnissen Kläranlagen mit einem Wasserspiegelniveau der Klärbecken über dem natürlichen Geländeniveau und demzufolge mehrere Meter über dem Mittelwasserstand des Vorfluters ausgeführt werden, wobei die Tendenz zu solchen Bauten steigend ist· Normalerweise wird die am Auslauf der Kläranlagen dabei frei werdende potentielle Energie nicht genutzt· Essind Vorschläge bekannt, nach denen diese Energie für die Stromerzeugung oder zum Antrieb von Klärwerksausrüstungen verwendet wird· Diese Lösungen haben jedoch keine breite An-"wendursg gefunden, da die Energieverluste bei der Umwandlung der potentiellen Energie mit 40-60% sehr hoch und den Aufwand nicht rechtfertigen·

Andererseits ist das Prinzip der Wärmepumpe bekannt, nach dem nutzbare Antriebsenergie mit einem Paktor > 1 umgewandelt

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werden kann. Nachteilig dabei ist, daß die ^irtschaftlichkeit stark von der Temperaturdifferenz zwischen dem abkühlenden Medium und der gewünschten Nutzerwärme abhängt und daß zum Antrieb normalerweise Elektroenergie mit einem Wirkungsgrad von ca· 35 % bezogen auf die Primärenergie im

Kraftwerk benötigt wird.

Weitere Nachteile beim Betrieb mechanisch-biologischer Kläranlagen sind die Nichtnutzung sowohl der relativ hohen Eigenviärme des Abwassers als auch der bei den biologischen Prozessen freiwerdenden Reaktionswärme« Es ist weiterhin bekannt, daß die biologischen Abbauprozesse, sowie die Schlammentwässerung temperaturabhängig verlaufen, wobei eine Temperatursteigerung eine Beschleunigung der Abbau- bzw. Trocknungsprozesse bewirkt.

Durch die Nichtnutzung bzw. den nur beschrankten Einsatz der in mechanisch-biologischen Kläranlagen erschließbaren Eigenenergie werden wesentliche Intensivierungseffekte wie kleinere Reaktionsräume, geringerer Flächenbedarf, verbesserter Wirkungsgrad des Klärprozesses, rationellerer Energieeinsatz ausgelassen» Informationsquellen zum Stand der Technik

- AS 25 24 085 Auffangbehälter für Abwasser

- OS 25 30 804 Anlagen zur Ausnutzung der in Fest- oder Flussigkeitsmistanlagen freiwerdenden Umsetzungswärme

- Imhoff, K. Taschenbuch der Stadtentwässerung

Verlag für Bauwesen, Berlin» 1962

- Randolf, R. Kanalisation und Abwasserbehandlung g . ' Verlag für Bauwesen, Berlin 1974

- Heinrich, G. Wärmepumpen für Industrie-, Land- und Mitarbeiter wirtschafts- und Gesellschaftsbau

Verlag Technik, Berlin 1978

- Autorenkollektiv Lehr- und Handbuch der Abwasser

technik .

Verlag W. Ernst und Sohn, Berlin/

München 1978

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Ziel der Erfindung

Das Ziel der Erfindung besteht in einer verbesserten Energieökonomie von Kläranlagen bei gleichzeitiger Intensivierung des Klär- und Schlammentwässerungsprozesses.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Die Erfindung stellt sich die Aufgabe, die in Kläranlagen, die über dem Geländeniveau angeordnet sind, vorhandene potentielle Energie sowie die ungenutzte Wärme des Abwassers zu erschließen und so in einem Prozeß zu integrieren, daß der Klär- und Schlammentwässerungsprozeß material- und energieökonomischer gestaltet werden.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß bei Klärbecken, in denen das Wasserspiegelniveau aus hydraulischen, technischen oder ökonomischen Gründen eine energetisch ausnutzbare Gefällestufe zur Lage des Mittelwasserstandes im Vorfluter enthält, die verfügbare Fallenergie des Abwassers unter Verwendung geeigneter Wirkungsprinzipien, wie ζ·Β. Wasserturbinen, in mechanische Energie umgewandelt wird, die zum Antrieb einer Kompressionswärmepumpe dient, die als kalte Wärmequelle das gekürte Abwasser nutzt, wodurch ohne zusätzliche Energiezufuhr von außen mit Hilfe der Fallenergie des Abwassers die Anergie des Abwassers erschlossen wird. Die dadurch in Form von Warmwasser verschiedener, Temperaturbereiche gewonnene Gesamtenergiemenge stellt in Abhängigkeit von der Leistungszahl der Wärmepumpe eine Vervielfachung der zum Antrieb der Wärmepumpe aufgewendeten Energie dar.

Die Nutzung dieses Warmwassers verschiedener Temperaturbereiche ist auf unterschiedliche Weise innerhalb und außerhalb der Kläranlage möglich, Neben der Nutzung des Warmwassers für die Aufheizung von Schlämmen in geschlossenen Faulbehältern, für Verfahren der Abwassererhitzung oder für die Heizung von Hochbauten kann das Warmwasser beispielsweise zur Beschleunigung der Schlammentwässerung eingesetzt werden. Dazu wird Warmwasser von 30-5O⁰C über Heizschlangen, Heizrohrsysteme oder Heizkanäle in den Drainagebereich der

Schlammentwässerungsplätze und/oder -becken geführt, um

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ganzjährig das Temperaturniveau zu erhöhen, was zu verkürzter Entwässerungszeit führt und damit den Materialauf-

1oo wand und Flächenbeda rf senkt· Der Abstand der Heizein- · richtungen im Drainagebereich ist so zu wählen, daß nahezu gleichmäßige Erwärmung erfolgt, die Tiefenlage unter der obersten Drainageschicht der Entwässerungsplätze und/ oder -becken wird durch maximale Wärmeabgabe an den oberhalb gelagerten Schlamm, ihre Nichtverletzbarkeit durch die mechanischen Schlammräumeinrichtungen bestimmt· Da die als kalte Wärmequelle verfügbaren Abwassertemperaturen von 8 bis 20⁰C im Verhältnis zum angestrebten Temperaturbereich des Warmwassers von 3o-5o°C günstig liegen,

ergeben sich hohe Leistungszahlen von 4 bis 6 der Wärmepumpe. Bezogen auf die Ausgangsenergie, die für den Antrieb der Abwasserpumpe erforderlich ist und die von der Turbine zurückgewonnene Energie, die zum Antrieb der Wärmepumpe eingesetzt wird, folgt der bemerkenswerte Leistungsfaktor von 1,6 bis 2,4· Demzufolge ist die energetische Wärmeausbeute durchschnittlich doppelt so hoch wie die aufgewendete Antriebsenergie der Abwasserpumpe, die für die zusätzliche Förderhöhe infolge Heraushebung des Klärbeckens über das Geländeniveau benötigt wird.

12o Ausführungsbeispiel

Die Erfindung wird nachfolgend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert. Die dazugehörige Zeichnung zeigt schematisch ein Nachklärbecken (1), welches über dem natürlichen Gelände (2) errichtet wurde und von dem das Abwasser in dem Vorfluter (3) abfließt. Dabei durchfließt das Abwasser zuerst einen korrossionsbeständigeh Wärmeaustauscher (4) und wird hier von 15⁰C auf 5°C abgekühlt. Das Temperaturniveau im 7/ärmeaust aus eher (4) folgt aus der Leistungsfähigkeit der Wärmepumpe· (5)· Sie wird von

13o einer Wasserturbine (6) angetrieben. Die Verbindung zwischen der Wasserturbine (6) und der Wärmepumpe (5) garantiert ein Getriebe (7)» das auch die unterschiedlichen Drehzahlen transformiert. Die Wasserturbine (6 ) wird selbst angetrieben durch die Fallenergie des Abwassers,

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die wiederum von der Menge desselben und der Fallhöhe abhängt· In die Wärmepumpen (5) werden somit zwei Energien eingespeist, die Fallenergie des Abwassers über die Wasserturbine (6) und die Wärmeenergie des im Wärmeaustauscher(4) abgekühlten Abwassers· Nach dem Prinzip der Wärmepumpen

14o wurden diese beiden Energien in ein höheres Temperaturniveau von ca. 40⁰C zur Verwendung als Heizungswarmwasser umgewandelt· Dieses Warmwasser wird über ein Rohrleitungssystem (8) den Heizspiralen (9) z.B· Warmwasserkunststoffschlangen"; die in dem Drainagebereich der Schlammentwässerungsplätze (1o) installiert sind, zugeleitet. In den Heizspiralen (9) wird der Vorlauf des ca· 40⁰C warmen Wassers auf ca· 20⁰C abgekühlt· ^ie dabei verlorene Wärme intensiviert die Trocknung der Schlämme (11). Dadurch wird die Entwässerungszeit wesentlich verringert, wodurch die

15o Schlammentwässerungsplätze geringer dimensioniert und damit Baumaterial eingespart und .der Flächenbedarf verringert werden können. Das auf ca· 20⁰C abgekühlte Warmwasser wird zur Wiederaufheizung auf 40⁰C über das Rohrleitungssystem (8) der Wärmepumpe (5) zurückgeführt·

Claims (2)

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   Erfindungsanspruch

   1# Verfahren sur Intensivierung der

   serungsprozesse durch Eigenenergieausnutzung in mechanisch-biologischen Kläranlagen, denen das Abwasser nicht im. freien Gefälle zufließt, d«h. bei denen das Abwasser auf ein höheres Kläranlagengeländeniveau gepumpt wird und von dort aus in einen tiefer gelegenen Vorfluter abfließt und bei denen weiterhin der stabilisierte Schlamm natürlich entwässert wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Fallenergie des Abwassers durch Nutzung geeigneter Wirkprinzipien wie z.B. 7/asser turbinen zum Antrieb einer Kompressionswärmepumpe eingesetzt wird, wobei die Wärmepumpe das die Fallenergie erzeugende Abwasser abkühlt und die auf diese 7/eise erschlossene, ansonsten nicht nutzbare Anergie des Abwassers auf ein höheres, nutzbares

   Temperaturniveau, zum Beispiel 30-5O⁰C, anhebt und diese Wärme zur Intensivierung des Klär- und Schlammentwässerungsprozesses eingesetzt wird.
2. 2. Verfahren nach Punkt 1, dadurch gekennzeichnet, daß die gewonnene Wärme vorzugsweise zur Entwässerung stabilisierter Schlämme eingesetzt wird, indem sie mittels geeigneter Wärmeübertragungssysteme über den Drainagebereich der Schlammentwässerungsanlagen den Schlämmen zugeführt wird«

   3· Verfahren nach Punkt 1 und 2,dadurch gekennzeichnet,daß das Abwasser zunächst einen korrosionsbeständigen, leicht zu säubernden Wärmeaustauscher durchläuft und danach die nutzbare Fallenergie erschlossen wird und daß die im

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   Wärmeaustauscher dem Abwasser entzogene Wärme über einen separaten Wasserkreislauf zwischen i/ärmeaustauscher und Wärmepumpe mit qualitativ hochvfertigen, die Punktion der Wärmepumpe nicht beeinflussenden Wasser der Wärmepumpe als kalte Wärmequelle zugeführt wird.

   Hierzu iSeiis Zolchniihöeri