DE10024547A1 - Process for biological cleaning of sewage or sludge and waste has heat provided by primary solar collector with heat storage to maintain substrate heat on fluctuations from primary supply - Google Patents

Process for biological cleaning of sewage or sludge and waste has heat provided by primary solar collector with heat storage to maintain substrate heat on fluctuations from primary supply

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DE10024547A1
DE10024547A1 DE2000124547 DE10024547A DE10024547A1 DE 10024547 A1 DE10024547 A1 DE 10024547A1 DE 2000124547 DE2000124547 DE 2000124547 DE 10024547 A DE10024547 A DE 10024547A DE 10024547 A1 DE10024547 A1 DE 10024547A1
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Abstract

For a biological substrate (1) cleaning action, a number of primary heat sources (12) are used. Secondary energy sources (8) are used to prevent temperature swings in the substrate, as compensation for temporary heat peaks and drops from the primary heating from regenerative energy supplies. The heat for biological cleaning of substrates is effected by a controlled energy flow between the primary and secondary supplies to the substrate according to measurements by the substrate temperature sensor (11). The substrate temperature is raised to a nominal value by the primary heating system and, if the supplied heat is more than required, it is diverted through a parallel circuit into the secondary energy supply store. Should the material temperature level drop through insufficient heat energy from the primary sources, then additional heat is drawn from the secondary supply storage and only sufficient to restore the nominal temperature. The energy from the primary source is heat, stored in the secondary heat supply system. Or the energy from the primary source is converted into heat, for heating the substrate and for storage. An independent claim is included for a substrate biological cleaning assembly with a primary energy supply from a solar energy collector. The secondary energy supply is a heat store.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur biologischen Reinigung von Substraten, wie beispielsweise Abwasser, Klärschlamm oder verunreinigte Böden, mittels Wärmenutzung.The invention relates to a method and a device for the biological cleaning of substrates, such as wastewater, sewage sludge or contaminated soil, using heat.

Die biologische Reinigung von Substraten ist untrennbar mit dem Stoffwechsel lebender Organismen verbunden. Diese Organismen müssen in der Lage sein, die aus dem Substrat zu entfernenden Substanzen als Nährstoff- und Energiequelle zu nutzen. Mikroorganismen sind aufgrund ihrer Anpassungsfähigkeit und Ubiquität besonders zur Reinigung von Substraten geeignet. Die Zahl der vorhandenen Mikroorganismen trägt entscheidend zur Reinigungsleistung einer biologischen Reinigungsanlage bei. Gelingt es durch geeignete Maßnahmen die Wachstumsraten der Mikroorganismen zu optimieren, so kann die Reinigungsleistung einer Anlage intensiviert werden.The biological cleaning of substrates is inseparable from the metabolism of living organisms connected. These organisms must be able to remove those from the substrate To use substances as a source of nutrients and energy. Microorganisms are due to their Adaptability and ubiquity particularly suitable for cleaning substrates. The number of existing microorganisms make a decisive contribution to the cleaning performance of a biological one Cleaning system at. If the growth rates of the To optimize microorganisms, the cleaning performance of a system can be intensified.

Um die höchsten Wachstumsraten erreichen zu können, müssen alle Parameter (z. B. Nährstoffquelle, Sauerstoffangebot, Temperatur) optimal eingestellt sein, da ansonsten ein Faktor zum limitierenden Faktor wird.In order to achieve the highest growth rates, all parameters (e.g. nutrient source, Oxygen supply, temperature) must be set optimally, otherwise there is a limiting factor Factor becomes.

Beim Abbau einer Substanz, die nur von wenigen spezialisierten Mikroorganismen durchgeführt werden kann, stellt im Winter oft die Temperatur den limitierenden Faktor dar. Als Beispiel sei hier der Abbau von Ammonium genannt, der bei hochsommerlichen Temperaturen von 20°C um ein Mehrfaches schneller vonstatten geht als bei 0°C (UHLMANN, D.: Hydrobiologie. Gustav Fischer Verlag, New York, 1988).When breaking down a substance carried out by only a few specialized microorganisms temperature is often the limiting factor in winter. As an example here Degradation of ammonium called that at midsummer temperatures of 20 ° C many times over is faster than at 0 ° C (UHLMANN, D .: Hydrobiologie. Gustav Fischer Verlag, New York, 1988).

Im Umkehrschluß bedeutet dies, daß durch höhere Temperaturen in einer biologischen Reinigungsanlage die Abbauleistung um ein Mehrfaches gesteigert werden kann.Conversely, this means that higher temperatures in a biological Cleaning plant the mining performance can be increased several times.

In DE 42 29 960 A1 wird z. B. ein Verfahren beschrieben, bei dem aus verschiedenen Quellen nutzbare Energie unmittelbar zur Aufheizung des der Kläranlage zufließenden Abwassers genutzt wird. Als nutzbare Energiequellen werden das Verbrennen von Klärgas, die Verbrennung von Erdöl oder Erdgas, die Nutzung von Abwärme vorhandener Maschinen oder Kraftwerke und die Nutzung von Sonnenenergie genannt. Die Verbrennung fossiler Energieträger zur Erwärmung des Abwassers erscheint aus wirtschaftlicher und ökologischer Sicht nicht sinnvoll. Die Nutzung der Abwärme von Maschinen und die Verbrennung des entstehenden Klärgases deckt nur einen kleinen Teil der benötigten Energiemenge und Abwärme aus Kraftwerken ist in den seltensten Fällen vorhanden. Die Nutzung von regenerativen Energien zur Erwärmung des zufließenden Abwassers ist prinzipiell denkbar.In DE 42 29 960 A1 z. B. describes a method in which usable from different sources Energy is used directly to heat the wastewater flowing into the sewage treatment plant. As usable energy sources are the burning of sewage gas, the burning of oil or natural gas, the use of waste heat from existing machines or power plants and the use of Called solar energy. The combustion of fossil fuels to heat the wastewater does not seem sensible from an economic and ecological point of view. The use of waste heat from Machines and the combustion of the resulting sewage gas only cover a small part of the The amount of energy and waste heat required from power plants is rarely available. The The use of regenerative energies to heat the inflowing wastewater is in principle conceivable.

Bei der Nutzung von regenerativen Energien kommt es jedoch aufgrund eines stark schwankenden Energieangebotes einerseits und andererseits durch einen veränderlichen Energiebedarf der zur Erwärmung des Substrates nötig ist, zu starken Temperaturschwankungen innerhalb kurzer Zeit.When using regenerative energies, however, it occurs due to a strongly fluctuating Energy supply on the one hand and on the other hand through a changing energy requirement of the Heating of the substrate is necessary to cause strong temperature fluctuations within a short time.

Da die verschiedenen Mikroorganismen unterschiedliche Temperaturoptima haben, bei denen die Vermehrungsraten am größten sind, werden bei den jeweils herrschenden Temperaturen unter­ schiedliche Mikroorganismenarten gefördert. Das führt dazu, daß während des fortlaufenden Auf- und Abbaus der Mikroorganismenpopulationen die Leistungsfähigkeit der Reinigungsanlage eingeschränkt ist, und der Effekt der Erwärmung des Substrates nicht in vollem Umfang zum Tragen kommt. Since the different microorganisms have different temperature optima, at which the Propagation rates are greatest at the prevailing temperatures below promoted different types of microorganisms. This means that during the continuous opening and closing Degradation of the microorganism populations limits the performance of the cleaning system is, and the effect of heating the substrate is not fully effective.  

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zu entwickeln, bei dem auch Energiequellen mit schwankendem Energieangebot zur gleichmäßigen Erwärmung eines verunreinigten Substrates verwendet werden können.It is therefore an object of the invention to develop a method and an apparatus in which Energy sources with fluctuating energy supply for the uniform heating of a contaminated Substrate can be used.

Die Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale der Hauptansprüche 1 und 11 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Kennzeichen der Unteransprüche 2 bis 10 sowie 12 bis 26.The object is achieved by the characterizing features of main claims 1 and 11. Advantageous embodiments are characteristic of subclaims 2 to 10 and 12 to 26.

Die Erfindung soll nachfolgend anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispieles in Verbindung mit den Zeichnungen näher erläutert werden.In the following, the invention is to be explained on the basis of a preferred embodiment in connection with the drawings are explained in more detail.

Die Zeichnungen zeigen:The drawings show:

Fig. 1 zeigt den Aufbau eines Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Durch­ führung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Fig. 1 shows the structure of an embodiment of the device according to the invention for carrying out the method according to the invention.

Fig. 2 zeigt ein Detail des Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Durch­ führung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Fig. 2 shows a detail of the embodiment of the device according to the invention for carrying out the method according to the invention.

In Fig. 1 ist der Aufbau einer Abwasserreinigungsanlage zu erkennen, bei der das Abwasser (Substrat) 1 erwärmt werden kann. Die Anlage besteht aus einem Klärbecken 3, das mit Sand gefüllt und von einer Folie 4 nach unten abgedichtet ist. Darunter befindet sich eine Zwischenschicht 56, bestehend aus Kies 5 und Styroporplatten 6. Die Zwischenschicht 56 wird nach unten zum Wärmespeicher 8 durch eine Folie 7 abgedichtet.In Fig. 1 the construction of a sewage treatment plant can be seen in the waste water (substrate) can be heated 1. The system consists of a clarifier 3 , which is filled with sand and sealed by a film 4 at the bottom. Below this is an intermediate layer 56 consisting of gravel 5 and polystyrene plates 6 . The intermediate layer 56 is sealed down to the heat accumulator 8 by a film 7 .

Die Fließrichtung des Abwassers 1 ist durch einen Pfeil gekennzeichnet. Im Einlaufbereich des Klärbeckens 3 fließt das Abwasser bevorzugt in vertikaler Richtung und kann auf dem Weg nach unten im Gegenstromprinzip mit einem Wärmetauscher 2, der seine Energie von einem Sonnenkollektor 12 bezieht, erwärmt werden. In Fließrichtung des Abwassers, hinter dem Wärmetauscher, befindet sich ein Temperaturmeßfühler 11, der ein Signal an das Steuerteil 10 überträgt. Wird das Abwasser auf eine höhere Temperatur als die eingestellte Soll-Temperatur erwärmt, sperrt das Ventil 13 den Kreislauf zum Wärmetauscher 2 im Klärbecken 3 und öffnet den Kreislauf zum Wärmetauscher 9 im Wärmespeicher 8. Im Wärmespeicher 8 befindet sich ebenfalls ein Temperaturmeßfühler 11a. Beim Erreichen einer voreingestellten Höchsttemperatur wird die Wärmezufuhr zum Speicher 8 gedrosselt, indem über das Steuerteil 10 das Ventil 13 zum Wärmetauscher 9 geschlossen wird.The direction of flow of the waste water 1 is indicated by an arrow. In the inlet area of the clarifier 3 , the wastewater preferably flows in the vertical direction and can be heated on the way down using the countercurrent principle with a heat exchanger 2 which draws its energy from a solar collector 12 . In the flow direction of the waste water, behind the heat exchanger, there is a temperature sensor 11 which transmits a signal to the control part 10 . If the waste water is heated to a higher temperature than the set target temperature, the valve 13 closes the circuit to the heat exchanger 2 in the clarifier 3 and opens the circuit to the heat exchanger 9 in the heat accumulator 8 . In the heat accumulator 8 there is also a temperature sensor 11 a. When a preset maximum temperature is reached, the heat supply to the store 8 is throttled by closing the valve 13 to the heat exchanger 9 via the control part 10 .

In Fig. 2 ist ein Detail der Reinigungsanlage, die Zwischenschicht 56, besonders hervorgehoben. Anhand von zwei verschiedenen Zuständen soll die Funktionsweise der Zwischenschicht bei der Wärmeübertragung vom Wärmespeicher 8 auf das Klärbecken 3 verdeutlicht werden.A detail of the cleaning system, the intermediate layer 56 , is particularly emphasized in FIG. 2. The functioning of the intermediate layer during heat transfer from the heat accumulator 8 to the clarifier 3 is to be illustrated on the basis of two different states.

Ohne zusätzlichen Energieaufwand kann die Wärme vom Speicher 8 auf das Klärbecken 3 durch Wärmeleitung übertragen werden, wenn Speicher 8 und Klärbecken 3 unmittelbar aneinander grenzen. Die übertragbare Energiemenge ist dann abhängig vom Temperaturgradient zwischen Speicher und Klärbecken und der Wärmeleitfähigkeit der dazwischen liegenden Schicht.The heat can be transferred from the reservoir 8 to the clarifier 3 by heat conduction without additional energy expenditure if the reservoir 8 and the clarifier 3 directly adjoin one another. The amount of energy that can be transferred then depends on the temperature gradient between the storage tank and the clarifier and the thermal conductivity of the layer in between.

Üblicherweise ist die Wärmeleitfähigkeit mit der Wahl des Materials und der Dicke festgelegt. Bezogen auf die Wärmeübertragung zwischen Speicher 8 und Klärbecken 3 würde dies bedeuten, daß mit steigendem Temperaturgradient zwischen Speicher 8 und Klärbecken 3 gegen Ende der Sommer­ monate auch mehr Wärme auf das Klärbecken übertragen wird. Mit der Verwendung von Materialien, die eine hohe Dämmwirkung aufweisen, kann verhindert werden, daß im Sommer zu viel Energie vom Speicher 8 auf das Klärbecken 3 übertragen wird, und, sich das Abwasser im Klärbecken unnötig erwärmt. The thermal conductivity is usually determined by the choice of material and thickness. Based on the heat transfer between storage 8 and clarifier 3 , this would mean that with increasing temperature gradient between storage 8 and clarifier 3 towards the end of the summer months, more heat is transferred to the clarifier. With the use of materials that have a high insulation effect, it can be prevented that in the summer too much energy is transferred from the reservoir 8 to the clarifier 3 , and that the waste water in the clarifier heats up unnecessarily.

Andererseits würde dadurch aber auch ein genügender Wärmeaustausch im Winter behindert, so daß das Abwasser bei ungenügender Leistung der Sonnenkollektoren nicht schnell genug durch zusätzliche Wärme aus dem Speicher aufgewärmt werden kann.On the other hand, this would also hinder a sufficient heat exchange in winter, so that the wastewater is not quick enough due to additional power if the solar collectors do not perform well Heat from the storage can be warmed up.

Es wird also eine Schicht zwischen dem Speicher 8 und dem darüber liegenden Klärbecken 3 benötigt, die einerseits in den wärmeren Jahreszeiten besonders gute Isolationseigenschaften aufweist aber andererseits im Bedarfsfall auch hohe Wärmeübergänge ermöglicht, um das Abwasser bis auf die geforderte Soll-Temperatur zu erwärmen.A layer is therefore required between the reservoir 8 and the clarifier 3 above it, which on the one hand has particularly good insulation properties in the warmer seasons but on the other hand also enables high heat transfers if necessary to heat the wastewater to the required target temperature.

Realisiert werden diese Forderungen durch Konstruktionsmerkmale einer Schicht zwischen Speicher 8 und Klärbecken 3, die im folgenden als Zwischenschicht 56 bezeichnet werden soll. Der Boden der Zwischenschicht besteht aus einer wasserundurchlässigen Folie 7, wie sie beim Bau von Kläranlagen zum Einsatz kommen. Diese Folie liegt dem darunter befindlichen Speicher 8 auf, dessen Oberfläche zur Einlaufseite der Kläranlage um ca. 5-10% abfällt. Die obere Abdeckung der Zwischenschicht besteht aus einer waagerecht verlegten Folie 4 und bildet zugleich den Boden des Klärbeckens 3. Dem Boden der Zwischenschicht liegt Dämmaterial (z. B. Styroporplatten) in einer Schichtdicke von 10-20 cm je nach erforderlicher maximaler Isolation auf. Darüber wird mit einem wärmeleitfähigeren, porösem Material (z. B. Kies) bis zur Waagerechten aufgefüllt. Ohne weiteres Zutun weist diese Zwischenschicht 56 aufgrund der verwendeten Materialien und Schichtdicken eine geringe Wärmeleitfähigkeit auf, so daß sich bis zum Winter ein großer Temperaturgradient zwischen Speicher und Klärbecken aufbauen kann.These requirements are met by the design features of a layer between the reservoir 8 and the clarifier 3 , which will be referred to below as the intermediate layer 56 . The bottom of the intermediate layer consists of a water-impermeable film 7 , as used in the construction of sewage treatment plants. This film lies on the reservoir 8 located underneath, the surface of which drops by about 5-10% to the inlet side of the sewage treatment plant. The upper cover of the intermediate layer consists of a horizontally laid film 4 and at the same time forms the bottom of the clarifier 3 . Depending on the required maximum insulation, insulating material (e.g. polystyrene panels) lies on the bottom of the intermediate layer in a layer thickness of 10-20 cm. It is filled with a more heat-conductive, porous material (e.g. gravel) to the horizontal. Without further action, this intermediate layer 56 has a low thermal conductivity due to the materials and layer thicknesses used, so that a large temperature gradient can build up between the storage tank and the clarifier up to winter.

Reicht im Winter die Kollektorfläche 12 nicht mehr aus, um das Abwasser 1 auf die geforderte Temperatur zu erwärmen, wird zusätzlich Wärme aus dem Speicher benötigt. Zu diesem Zweck wird Wasser in die Zwischenschicht geleitet, daß sich an der tiefsten Steile der Zwischenschicht, unter dem Einlaufbereich des Klärbeckens sammelt. Mit steigendem Füllstand werden die Styroporplatten 6 mehr und mehr überflutet. Es entstehen Wärmebrücken zwischen den Styroporplatten 6, so daß die Wärme auf die darüber liegende Kiesschicht 5 und schließlich an das Klärbecken 3 übertragen wird. Auf diese Weise wächst mit zunehmendem Füllstand der Zwischenschicht das "Fenster" der Wärmeübertragung. Das Fluten der Zwischenschicht 56 und damit die Wärmeabgabe aus dem Speicher 8 erfolgt stufenlos, so daß immer nur soviel Wärme wie erforderlich entnommen wird. Ist ausreichend Wärme vom Speicher 8 an das Substrat 1 übertragen worden, und die Temperatur übersteigt den geforderten Soll- Wert, wird entsprechend Wasser aus der Zwischenschicht 56 abgelassen und damit die Wärmeübertragung vermindert. If the collector surface 12 is no longer sufficient in winter to heat the wastewater 1 to the required temperature, additional heat from the store is required. For this purpose, water is led into the intermediate layer that collects at the deepest part of the intermediate layer, below the inlet area of the clarifier. As the fill level rises, the polystyrene plates 6 are flooded more and more. There are thermal bridges between the styrofoam plates 6 , so that the heat is transferred to the gravel layer 5 above and finally to the clarifier 3 . In this way, the "window" of the heat transfer increases with the filling level of the intermediate layer. The flooding of the intermediate layer 56 and thus the heat emitted from the store 8 takes place continuously, so that only as much heat as is required is removed. If sufficient heat has been transferred from the memory 8 to the substrate 1 and the temperature exceeds the required target value, water is drained from the intermediate layer 56 accordingly and the heat transfer is thus reduced.

BerechnungsbeispielCalculation example Voraussetzungenrequirements

Das Abwasser eines Bürogebäudes soll mit einer Pflanzenkläranlage (PKA) gereinigt werden. In dem Bürogebäude arbeiten 30 Personen. Nach den geltenden Vorschriften muß die PKA mit 10 EW und einem Flächenbedarf der PKA von ca. 40 m2 dimensioniert werden. Die Verweildauer des Abwassers in der PKA beträgt ca. 4 Tage.The wastewater from an office building is to be cleaned with a plant-based sewage treatment plant. 30 people work in the office building. According to the applicable regulations, the PKA with 10 PE and a space requirement of the PKA of approx. 40 m 2 must be dimensioned. The waste water remains in the PKA for about 4 days.

Es wird ein Wasserverbrauch von 75 l pro EW angenommen, so daß je nach Auslastung des Büroge­ bäudes 250 bis 750 Liter Abwasser pro Tag anfallen. Für die weiteren Berechnungen soll mit einem mittleren Wasserverbrauch von 500 l.d-1 kalkuliert werden.A water consumption of 75 l per inhabitant is assumed, so that, depending on the occupancy of the office building, 250 to 750 liters of wastewater are generated per day. For the further calculations, an average water consumption of 500 ld -1 should be calculated.

Berechnung des Energiebedarfes zur Erwärmung von 500 l WasserCalculation of the energy required to heat 500 l of water

Die Abwassertemperatur bei der Einleitung in die PKA kann je nach Witterung, den Verhältnissen während der Vorklärung bzw. der Weiterleitung bis zur PKA beträchtlich schwanken. Gemäß dem Ziel der Erfindung soll das Abwasser im Einlaufbereich der PKA so stark erwärmt werden, daß die Temperatur nicht unter 15°C fällt. Es wird angenommen, daß das Abwasser im Winter im schlimmsten Fall mit einer Temperatur von 2°C in die PKA eingeleitet wird, so daß die Temperatur um 13°C angehoben werden muß.The waste water temperature at the discharge into the PKA can vary depending on the weather and the conditions fluctuate considerably during the preliminary clarification or the transfer to the PCA. According to the goal the invention, the waste water in the inlet area of the PKA should be heated so much that the Temperature does not drop below 15 ° C. It is believed that wastewater is at its worst in winter Case is introduced into the PKA at a temperature of 2 ° C, so that the temperature is around 13 ° C must be raised.

Bei einer täglichen Abwasserfracht von 500 l wird demnach folgende Energiemenge benötigt:
With a daily wastewater load of 500 l, the following amount of energy is required:

1 kcal/1 l . 1°C = 1,163 . 10-3 kWh
1 kcal / 1 l. 1 ° C = 1.163. 10 -3 kWh

500 l . 13°C . 1,163 . 10-3 kWh = 7,6 kWh.d-1 500 l. 13 ° C. 1,163. 10 -3 kWh = 7.6 kWh.d -1

→ Bei einer Abwassertemperatur von 2°C, wie sie bei winterlichen Bedingungen vorkommen kann, wird eine Energiemenge von 7,6 kWh.d-1 benötigt, um 500 l Abwasser auf 15°C zu erwärmen.→ At a wastewater temperature of 2 ° C, as can occur in winter conditions, an amount of energy of 7.6 kWh.d -1 is required to heat 500 l of wastewater to 15 ° C.

Abschätzung der erforderlichen Rohrlänge als WärmetauscherEstimation of the required pipe length as a heat exchanger

Für die Übertragung der Energie vom Kollektor an das Abwasser ist bei den gegebenen Materialien eine Mindestfläche erforderlich, die nicht unterschritten werden darf und hier überschlägig ermittelt werden soll. Dabei ist zu berücksichtigen, daß die Wärmeübertragung in einem Zeitrahmen von ca. 8 h (Geschäftszeit des Bürogebäudes) erfolgen muß.For the transfer of energy from the collector to the wastewater there is one for the given materials Minimum area required, which must not be undercut and can be roughly determined here should. It should be taken into account that the heat transfer takes place in a time frame of approx. 8 h (office building business hours).

Von 6 m Polyäthylenrohr mit einem Durchmesser von 22 mm werden ca. 50 W übertragen (Richtwert aus der Heizungstechnik).Approx. 50 W are transmitted from 6 m polyethylene tube with a diameter of 22 mm (guide value from heating technology).

→ Mit einer Rohrlänge von 119 m als Wärmetauscher können innerhalb von 8 h 500 l Wasser von 2°C auf 15°C erwärmt werden.→ With a pipe length of 119 m as a heat exchanger, 500 l of water from 2 ° C to 15 ° C.

Diese 119 m Rohrlänge können in 10 Spiralen a 12 m (d = 1 m) im Einlaufbereich der PKA angeordnet werden. This 119 m pipe length can be arranged in 10 spirals of 12 m (d = 1 m) in the inlet area of the PKA become.  

Erforderliche Wärmeübertragungsflüssigkeit, Druckabfall und Förderleistung der Pumpe bei ΔT = 5 K Required heat transfer fluid, pressure drop and delivery capacity of the pump at ΔT = 5 K.

1307 kg Wärmeübertragungsflüssigkeit transportieren die benötigte Wärmemenge von 7600 Wh innerhalb von 1 h. → 1307 kg/8 h = 163 kg/h1307 kg of heat transfer fluid transport the required amount of heat of 7600 Wh within 1 h. → 1307 kg / 8 h = 163 kg / h

→ Die Fördermenge muß mindestens 163 l Wärmeübertragungsflüssigkeit pro Stunde betragen.→ The flow rate must be at least 163 l of heat transfer fluid per hour.

DruckverlustePressure drops

  • - max. Fördermenge 200 l.h-1 → Δp bei 12 m Rohrleitung mit d = 22 mm
    → 0,3 hPa.m-1 × 12 m = 3,6 hPa    - Max. Flow rate 200 lh -1 → Δp with 12 m pipeline with d = 22 mm
    → 0.3 hPa.m -1 × 12 m = 3.6 hPa
  • - Kollektordruckverlust 200 l/4 = 50 l.h-1 = 150 hPa
    inkl. Sammelleitung = 200 hPa = 0,2 bar    - Collector pressure drop 200 l / 4 = 50 lh -1 = 150 hPa
    incl. manifold = 200 hPa = 0.2 bar

→ Es kann eine übliche Heizungspumpe, mit einer maximalen Förderleistung von 40 W verwendet werden.→ A conventional heating pump with a maximum flow rate of 40 W can be used become.

Dimensionierung der Kollektorfläche, des Speichervolumens und der Dämmwirkung der ZwischenschichtDimensioning of the collector area, the storage volume and the insulation effect of the Intermediate layer

Als Grundlage der Berechnungen dienen die 1998 im Raum Chemnitz ermittelten Klimadaten. In Abhängigkeit davon unterliegt die Temperatur des Erdreiches und demzufolge auch die Temperatur des Abwassers innerhalb eines Jahres gewissen Schwankungen von ca. 2-14°C (siehe Diagramm 1 und 2). Daraus läßt sich für die Erwärmung von täglich 500 l Wasser von 2-14°C auf 15°C ein jährlicher Energiebedarf von 1485 kWh ableiten.The climate data determined in the Chemnitz area in 1998 serve as the basis for the calculations. Depending on this, the temperature of the soil and consequently the temperature of the wastewater is subject to certain fluctuations of approx. 2-14 ° C within a year (see diagrams 1 and 2 ). From this, an annual energy requirement of 1485 kWh can be derived for heating 500 l of water daily from 2-14 ° C to 15 ° C.

Kalkulation der benötigten KollektorflächeCalculation of the required collector area

Der jährliche Kollektorertrag eines Flachkollektors mit einem Wirkungsgrad von ca. 30% beträgt in etwa 350 kWh.m-2.The annual collector yield of a flat plate collector with an efficiency of approx. 30% is approximately 350 kWh.m -2 .

Bei einem Energiebedarf von 1485 kWh.a-1 ergibt sich daraus eine benötigte Kollektorfläche von ca. 4 m2.With an energy requirement of 1485 kWh.a -1 this results in a required collector area of approx. 4 m 2 .

Diese Kollektorfläche reicht jedoch nicht aus, wenn man berücksichtigt, daß zu Zeiten des größten Energiebedarfes im Winter, der Kollektorertrag am geringsten ist. Aus diesem Grund ist es sinnvoll, die ungenutzte Energie der Sommermonate zu speichern, um sie bei Bedarf im Winter zu nutzen, wenn die Leistung des Sonnenkollektors nicht ausreicht, um das Abwasser von 2°C auf 15°C zu erwärmen. Mit der Speicherung von Wärmeenergie sind aber je nach Isolierung des Speichers und Dauer mehr oder weniger große Energieverluste verbunden. Diese Energieverluste stehen der Erwärmung des Abwassers nicht mehr zur Verfügung und müssen durch eine Vergrößerung der Kollektorfläche kompensiert werden.However, this collector area is not sufficient if one takes into account that at the time of the largest Energy requirements in winter, the collector yield is the lowest. For this reason, it makes sense that to store unused energy in the summer months so that it can be used in winter when needed Power of the solar collector is not sufficient to heat the waste water from 2 ° C to 15 ° C. With Depending on the insulation of the storage and the duration, the storage of thermal energy is more or less less major energy losses associated. These energy losses represent the heating of the wastewater no longer available and must be compensated for by increasing the collector area become.

Wie in einem späteren Abschnitt erläutert, sind die Energieverluste trotz sorgfältiger Isolierung so groß, daß die Kollektorfläche mindestens auf 8 m2 verdoppelt werden muß. Je größer die Kollektorfläche, desto geringer ist im Winter der zusätzliche Energiebedarf aus dem Speicher. As explained in a later section, the energy losses, despite careful insulation, are so great that the collector area must be doubled to at least 8 m 2 . The larger the collector area, the lower the additional energy requirement from the storage in winter.

Gleichzeitig steht aber auch im Sommer mehr Energie zur Verfügung, die gespeichert werden muß. Um die Kosten für den Bauaufwand zu minimieren sollten, deshalb die Kollektorfläche und die Speichergröße möglichst optimal aufeinander abgestimmt sein.At the same time, however, there is more energy available in summer that must be stored. Around to minimize the cost of construction, therefore the collector area and the Memory size should be optimally coordinated.

Volumen des SpeichersVolume of memory

Zweckmäßig ist es, den Speicher direkt unter dem Klärbecken zu platzieren, denn so läßt sich die Wärmeübertragung vom Speicher zum Klärbecken günstig durch die beschriebene Zwischenschicht realisieren, und Wärmeverluste an der Oberfläche des Speichers kommen der Erwärmung des Abwassers zugute. Unter diesen Voraussetzungen ist die Länge und Breite mit den Maßen des Klärbeckens weitgehend vorgegeben, und das Volumen des Speichers kann nur noch über die Tiefe variiert werden. Im vorliegenden Beispiel hat das Klärbecken eine Fläche von 40 m2 (5 × 8 m), so daß sich bei schrägen Seitenwänden eine Fläche des Speichers von 28 m2 (4 × 7 m) ergibt. Bei einer Tiefe des Speichers von 1,5 m beläuft sich das Speichervolumen auf 42 m3. Da der Temperatur im Speicher gewisse Grenzen gesetzt sind, denn mit steigender Temperatur erhöhen sich auch die Verluste, kann die speicherbare Energiemenge nur mit einer Vergrößerung des Speichervolumens und damit der Speichertiefe variiert werden. Jedoch sollte dabei berücksichtigt werden, daß die Größe des Speichers auch einen Einfluß auf die Baukosten hat.It is expedient to place the storage tank directly under the clarifier, because the heat transfer from the tank to the clarifier can be realized cheaply through the intermediate layer described, and heat losses on the surface of the tank benefit the heating of the waste water. Under these conditions, the length and width are largely predetermined with the dimensions of the clarifier, and the volume of the reservoir can only be varied over the depth. In the present example, the clarifier has an area of 40 m 2 (5 × 8 m), so that with sloping side walls there is an area of the reservoir of 28 m 2 (4 × 7 m). With a depth of the reservoir of 1.5 m, the reservoir volume amounts to 42 m 3 . Since the temperature in the storage tank is subject to certain limits, because with increasing temperature the losses also increase, the amount of energy that can be stored can only be varied by increasing the storage volume and thus the storage depth. However, it should be taken into account that the size of the storage also has an impact on the construction costs.

Als Speichermedium kann feuchter Sand Verwendung finden, wie er im Klärbecken zum Einsatz kommt. Die Wärmekapazität beträgt ca.: CSand = 0,7 kWh.m-3.K-1 Moist sand, such as that used in the clarifier, can be used as a storage medium. The heat capacity is approx .: C sand = 0.7 kWh.m -3 .K -1

Daraus ergibt sich bei einer Temperaturerhöhung um 30 K eine Speicherkapazität von ca. 600 kWh (0,7 kWh.m-3.K-1 × 30 k × 28 m3 = 588 kWh).With a temperature increase of 30 K, this results in a storage capacity of approx. 600 kWh (0.7 kWh.m -3 .K -1 × 30 k × 28 m 3 = 588 kWh).

Der Verlauf der Speichertemperatur unter verschiedenen Bedingungen ist in Diagramm 1 bzw. 2 dargestellt.The course of the storage tank temperature under different conditions is shown in diagrams 1 and 2 shown.

Wärmeverluste und WärmedämmungHeat loss and insulation

Eine Wärmedämmung des Speichers ist unbedingt erforderlich, da zum Einen die Wärmeverluste eingeschränkt werden müssen, aber zum Anderen auch verhindert werden soll, daß sich das Abwasser im Sommer unnötig aufheizt. Eine Erwärmung des Abwassers über das Temperaturoptimum der Mikroorganismen würde zu Leistungseinbußen der PKA führen. Zudem erhöht sich aufgrund verstärkter Verdunstung die Gefahr des Trockenlaufens bei geringer Auslastung der PKA beispielsweise während der Urlaubszeit. Die Dämmung sollte so beschaffen sein, daß ein Wert von 0,3 kW.m-2.K-1 erreicht wird. Um im Winterbetrieb eine ausreichende Wärmemenge vom Speicher zum Klärbecken übertragen zu können, muß sich die Wärmeleitung der Zwischenschicht durch die in der Beschreibung erwähnte Flutung bis auf ca. 1,5 kW.m-2.K-1 steigern lassen. Die Spannweite der Wärmeleitfähigkeit der Zwischenschicht muß um so größer sein, je geringer die Kapazität des Speichers ist. Denn ein geringes Speichervolumen bewirkt eine schnelle Temperaturabnahme. Wenn der Temperaturgradient zwischen Speicher und Klärbecken als treibende Kraft des Wärmeübergangs kleiner wird, muß demzufolge die Leitfähigkeit der Zwischenschicht steigen, um die gleiche Wärmemenge übertragen zu können.Thermal insulation of the storage tank is absolutely necessary, because on the one hand the heat losses must be limited, but on the other hand it should also be prevented that the wastewater does not heat up unnecessarily in summer. Heating the wastewater above the optimum temperature of the microorganisms would lead to reduced performance of the PCA. In addition, due to increased evaporation, the risk of running dry with low occupancy of the PCA increases, for example during the holiday period. The insulation should be such that a value of 0.3 kW.m -2 .K -1 is achieved. In order to be able to transfer a sufficient amount of heat from the storage tank to the clarifier in winter operation, the heat conduction of the intermediate layer must be increased to approximately 1.5 kW.m -2 .K -1 by the flooding mentioned in the description. The range of the thermal conductivity of the intermediate layer must be greater, the smaller the capacity of the memory. Because a small storage volume causes a rapid decrease in temperature. If the temperature gradient between the storage tank and the clarifier as the driving force of the heat transfer becomes smaller, the conductivity of the intermediate layer must therefore increase in order to be able to transfer the same amount of heat.

Da auch der Leitfähigkeit der Zwischenschicht Grenzen gesetzt sind, wird deutlich, wie wichtig ein ausgewogenes Verhältnis zwischen der Kollektorfläche, dem Speichervolumen und der Zwischen­ schicht für die Funktion der Kläranlage ist. Since there are limits to the conductivity of the intermediate layer, it becomes clear how important a balanced ratio between the collector area, the storage volume and the intermediate layer for the function of the sewage treatment plant.  

In Diagramm 1 wird der Einfluß der Speichertemperatur und der Energiemenge des Kollektors auf die Erwärmung des Abwassers gegenüber dem Temperaturverlauf des Abwassers ohne Erwärmung verdeutlicht.In diagram 1 the influence of the storage temperature and the amount of energy of the collector on the Heating of the waste water compared to the temperature profile of the waste water without heating clarifies.

Bedeutung der verwendeten BezugszeichenMeaning of the reference symbols used

WT: Abwassertemperatur im Einfluß jahreszeitlicher Temperaturschwankungen
LT: Lufttemperaturen des Jahres 1998 in Chemnitz
WTK: Abwassertemperatur im Einfluß jahreszeitlicher Temperaturschwankungen mit Erwärmung durch einen Sonnenkollektor
WTKS: Abwassertemperatur im Einfluß jahreszeitlicher Temperaturschwankungen mit Erwärmung durch einen Sonnenkollektor und eines Wärmespeichers
ST: SpeichertemperaturWT: wastewater temperature influenced by seasonal temperature fluctuations
LT: Air temperatures in Chemnitz in 1998
WTK: Wastewater temperature under the influence of seasonal temperature fluctuations with heating by a solar collector
WTKS: Wastewater temperature under the influence of seasonal temperature fluctuations with heating by a solar collector and a heat store
ST: storage tank temperature

Mit dem Ausklingen der Sommermonate kühlt sich allmählich die Erdoberfläche ab, so daß sich auch das Abwasser auf dem Weg zur Kläranlage und bei der Passage durch dieselbe abkühlt. Die Schwankungen der Abwassertemperatur können dabei je nach den örtlichen Gegebenheiten von ca. 14°C im September bis auf ca. 2°C im Februar sinken.As the summer months fade, the surface of the earth gradually cools down, so that too the wastewater cools down on the way to the sewage treatment plant and through it. The Fluctuations in wastewater temperature can vary from approx. 14 ° C in September to about 2 ° C in February.

Durch die Verwendung einer regenerativen Energiequelle, wie in diesem Fall eines Sonnenkollektors, ist es möglich, die Abwassertemperatur WTK mit einer 8,8 m2 großen Kollektorfläche von 2°C auf 5°C bis 10°C zu erhöhen. Je nach Sonneneinstrahlung, die durch die Lufttemperatur LT annähernd widergespiegelt wird, kann die Abwassertemperatur starken täglichen Schwankungen unterliegen. Dieser Effekt würde sich bei der Verwendung größerer Kollektorflächen noch verstärken, da an sonnigen Tagen in der gleichen Zeit mehr Energie zur Erwärmung des Abwassers zur Verfügung steht.By using a regenerative energy source, such as a solar collector in this case, it is possible to increase the wastewater temperature WTK from 2 ° C to 5 ° C to 10 ° C with a 8.8 m 2 collector surface. Depending on the solar radiation, which is approximately reflected by the air temperature LT, the wastewater temperature can be subject to strong daily fluctuations. This effect would be increased if larger collector areas were used, since more energy is available to heat the wastewater at the same time on sunny days.

Eine weitgehend gleichbleibende Abwassertemperatur ist jedoch, wie bereits weiter oben erwähnt, wichtig, damit sich die Zusammensetzung Mikroorganismenarten stabilisieren kann und eine gleichbleibende Reinigungsleistung der Kläranlage ermöglicht wird.However, as already mentioned above, a largely constant wastewater temperature is important so that the composition can stabilize microorganism species and a constant cleaning performance of the sewage treatment plant is made possible.

Eine ausreichende Energieversorgung ließe sich mit einer Vergrößerung der Kollektorfläche nur dadurch erreichen, daß man die Kollektorfläche so groß dimensioniert, daß sie auch bei schlechtesten Witterungsbedingungen noch ausreichend Energie liefert, um das Abwasser auf ein bestimmtes Maß zu erwärmen.A sufficient energy supply could only be achieved by increasing the collector area achieve that by dimensioning the collector surface so large that it can be used even in the worst Weather conditions still provide enough energy to bring the wastewater to a certain level heat.

Im konkreten Fall bedeutet dies, daß für die Erwärmung von 500 l von 2°C auf 15°C 7,6 kWh.d-1 verbraucht werden, wofür bei schlechten Witterungsverhältnissen, wie beispielsweise im Januar, mehr als 200 m2 Kollektorfläche notwendig wären. Dies stellt gegenüber einer Kollektorfläche von ca. 4-8 m2, die bei vollständiger Nutzung des gesamten jährlichen Kollektorertrages zur gleichmäßigen Erwärmung des Abwassers ausreichen würden, eine Vervielfachung dar.In the specific case, this means that the heating of 500 l from 2 ° C to 15 ° C consumes 7.6 kWh.d -1 , which would require more than 200 m 2 of collector area in bad weather conditions, such as in January . This represents a multiplication compared to a collector area of approx. 4-8 m 2 , which would be sufficient to evenly heat the wastewater if the entire annual collector yield was used in full.

Eine derartige Überdimensionierung bedeutet aber gleichzeitig, daß an Tagen mit einer höheren Sonneneinstrahlung immer zuviel Energie vorhanden ist, die abgeführt werden muß, und der Anlage nicht zugute kommen kann.Such oversizing also means that on days with a higher one Solar radiation is always too much energy that must be dissipated, and the system cannot benefit.

Die Lösung des Problems liegt in der Speicherung von Energie, die momentan nicht zur Erwärmung des Abwassers benötigt wird. Soll die Abwassertemperatur beispielsweise über das gesamte Jahr ca. 15°C betragen, so wird ersichtlich, daß das Abwasser während der Sommermonate kaum zusätzlich erwärmt werden muß. Die zur Verfügung stehende Energie fließt demzufolge in einen Wärmespeicher, dessen Speichertemperatur ST sich erhöht. Diese gespeicherte Energie steht dann bei sinkenden Temperaturen und schlechten Witterungsbedingungen zusätzlich zur Erwärmung des Abwassers zur Verfügung. The solution to the problem lies in the storage of energy that is currently not used to heat the Sewage is needed. For example, if the wastewater temperature is about 15 ° C all year round , it can be seen that the wastewater hardly heats up during the summer months must become. The available energy therefore flows into a heat accumulator, the Storage temperature ST increases. This stored energy is then at falling temperatures and bad weather conditions in addition to heating the wastewater.  

In Diagramm 1 ist ersichtlich, daß die Abwassertemperatur mit der Energie des Kollektors und der zusätzlichen Energie des Wärmespeichers WTKS in Zusammenhang mit der Funktion der Zwischen­ schicht geringere Schwankungen aufweist, als dies ohne der gespeicherten Energie WTK der Fall ist. Des weiteren kann man erkennen, daß bei den vorgegebenen Dimensionierungen von Kollektorfläche und Speichergröße, die Abwassertemperatur WTKS zeitweise unter 10°C sinkt. Die Kollektorfläche von 8,8 m2 ist bereits im Oktober nicht mehr in der Lage, die zur Erwärmung des Abwassers benötigte Energiemenge zu liefern, so daß die Reserven des Wärmespeichers relativ schnell aufgebraucht sind. Im Januar ist die Speichertemperatur ST so niedrig, daß der Speicher kaum noch zur Erwärmung des Abwassers beitragen kann und die Temperaturschwankungen des Abwassers zunehmen.In diagram 1 it can be seen that the waste water temperature with the energy of the collector and the additional energy of the heat accumulator WTKS in connection with the function of the intermediate layer has less fluctuations than is the case without the stored energy WTK. Furthermore, it can be seen that with the given dimensions of the collector area and storage size, the waste water temperature WTKS temporarily drops below 10 ° C. As early as October, the 8.8 m 2 collector area is no longer able to supply the amount of energy required to heat the wastewater, so that the heat storage reserves are used up relatively quickly. In January, the storage temperature ST is so low that the storage can hardly contribute to heating the waste water and the temperature fluctuations of the waste water increase.

Mit relativ geringen Veränderungen z. B. der Speichertiefe von 1,5 m auf 1,8 m (entspricht einer Volumenvergrößerung von 20%) und der Vergrößerung der Kollektorfläche von 8,8 m2 auf 15,4 m2, läßt sich jedoch die Leistungsfähigkeit der Kläranlage leicht den gewünschten Zielen anpassen (siehe Diagramm 2).With relatively minor changes, e.g. B. the storage depth of 1.5 m to 1.8 m (corresponds to a volume increase of 20%) and the increase in collector area from 8.8 m 2 to 15.4 m 2 , the performance of the sewage plant can easily be the desired Adjust goals (see diagram 2).

Man erkennt in Diagramm 2, daß es möglich ist, durch ein ausgewogenes Verhältnis zwischen Kollektorfläche und Speichervolumen die Temperatur des Abwassers nahezu über das gesamte Jahr konstant zu halten.It can be seen in diagram 2 that it is possible to achieve a balanced relationship between Collector area and storage volume the temperature of the wastewater almost all year round to keep constant.

Eine weitere Variationsmöglichkeit zur Optimierung der Anlage bietet die Veränderung der maximalen Speichertemperatur ST. Diese wurde wie in Diagramm 1 und 2 dargestellt auf 45°C begrenzt. Unter Umständen kann die maximale Speichertemperatur auf durchaus übliche Werte von 50 bis 60°C erhöht werden. Dadurch ließe sich ca. 30% mehr Energie speichern. Demgegenüber steht jedoch ein höherer Wärmeverlust, der entsprechend höhere Ansprüche an die Isolierung des Wärmespeichers stellt und die Kosten anwachsen läßt. Another variation option for optimizing the system is to change the maximum Storage temperature ST. This was limited to 45 ° C as shown in diagrams 1 and 2. Under Under certain circumstances, the maximum storage tank temperature can be increased to the usual values of 50 to 60 ° C become. This would save about 30% more energy. In contrast, there is a higher one Heat loss, which places higher demands on the insulation of the heat accumulator and the Costs increase.  

Diag. 1 Diag. 1

Darstellung des Zusammenhanges zwischen Lufttemperatur und Abwassertemperatur ohne Erwärmung WT sowie der Erhöhung der Abwassertemperatur WTK durch Sonnenkollektoren (8,8 m2) und der Abwassertemperatur WTKS mit der zusätzlichen Energie eines Wärme­ speichers (1,5 m tief = 42 m3) Representation of the relationship between air temperature and wastewater temperature without heating WT as well as the increase in wastewater temperature WTK by solar collectors (8.8 m 2 ) and the wastewater temperature WTKS with the additional energy of a heat store (1.5 m deep = 42 m 3 )

Diag. 2 Diag. 2

Darstellung des Zusammenhanges zwischen Lufttemperatur und Abwassertemperatur ohne Erwärmung WT sowie der Erhöhung der Abwassertemperatur WTK durch Sonnenkollektoren (15,4 m2) und der Abwassertemperatur WTKS mit der zusätzlichen Energie eines Wärme­ speichers (1,8 m tief = 50 m3) Presentation of the relationship between air temperature and wastewater temperature without heating WT and the increase in wastewater temperature WTK by solar collectors (15.4 m 2 ) and the wastewater temperature WTKS with the additional energy of a heat storage (1.8 m deep = 50 m 3 )

Berechnung der Abkühlung des Abwassers bei der Passage durch die PKACalculation of the cooling of the waste water at the passage through the PKA

Im Einlaufbereich der Kläranlage ist das Abwasser auf eine Temperatur von 15°C erwärmt worden. Während der weiteren Passage durch die Kläranlage wird sich das Wasser den herrschenden Umgebungstemperaturen asymptotisch annähern (Berechnung nach: RITTER, K.: Untersuchungen zur Abkühlung antropogen erwärmten Flußwassers unter besonderer Berücksichtigung der Verdunstung. Dissertation TH Aachen, (1981)). Wie schnell die Umgebungstemperatur erreicht wird, hängt entscheidend von den Isolationseigenschaften des Klärbeckenmaterials (z. B. Schichtdicke über dem Wasserstand, Körnung, Wärmeleitfähigkeit) ab und kann demzufolge sehr unterschiedlich sein.In the inlet area of the sewage treatment plant, the wastewater has been heated to a temperature of 15 ° C. During the further passage through the wastewater treatment plant, the water becomes the prevailing Approach ambient temperatures asymptotically (calculation according to: RITTER, K .: Investigations for cooling anthropogenically heated river water with special consideration of the Evaporation. Dissertation TH Aachen, (1981)). How quickly the ambient temperature is reached depends crucially on the insulation properties of the clarifier material (e.g. layer thickness water level, grain size, thermal conductivity) and can therefore be very different.

ΔT0 = Temperaturunterschied zwischen Abwasser und Luft am Einlauf [K]
e = Basis des Natürlichen Logarithmus
k = Austauschfaktor [W.m-2.K-1]
p = Dichte des Wassers 999 kg.m-3 bei 10°C
h = Höhe des Wasserstandes [m]
c = spez. Wärme des Wassers 4186,8 Ws.kg-1.K-1
t = Zeit [s]ΔT 0 = temperature difference between waste water and air at the inlet [K]
e = basis of the natural logarithm
k = exchange factor [Wm -2 .K -1 ]
p = water density 999 kg.m -3 at 10 ° C
h = height of water level [m]
c = spec. Heat of water 4186.8 Ws.kg -1 .K -1
t = time [s]

Tabelle 1 Table 1

Zusammenstellung der zum Berechnen der Wasserabkühlung benötigten Werte bei verschiedenen Lufttemperaturen Compilation of the values required to calculate water cooling at different air temperatures

Bei einer Verweildauer des Abwassers in der Kläranlage von 4 Tagen entfällt ein Tag auf die Passage des Einlaufbereiches in der das Abwasser auf 15°C erwärmt wird. Im weiteren Verlauf kühlt sich das Abwasser allmählich, je nach den herrschenden Lufttemperaturen (0°C, 5°C, 10°C) ab und verläßt nach weiteren drei Tagen die Kläranlage mit Temperaturen zwischen 3,8 (bei 0°C Lufttemperatur) und 11°C (bei 10°C Lufttemperatur). Lufttemperaturen unter 0°C führen zu keiner stärkeren Abkühlung des Wassers, da durch die sich bildende Eisschicht an der Klärbeckenoberfläche die Verdunstung verhindert wird und auf diese Weise dem Klärbecken weniger Wärme entzogen wird.If the wastewater stays in the sewage treatment plant for 4 days, the passage does not include one day the inlet area in which the wastewater is heated to 15 ° C. As it progresses, it cools down Wastewater gradually, depending on the prevailing air temperatures (0 ° C, 5 ° C, 10 ° C) from and leaves after another three days the sewage treatment plant with temperatures between 3.8 (at 0 ° C air temperature) and 11 ° C (at 10 ° C air temperature). Air temperatures below 0 ° C do not lead to any stronger ones  Cooling of the water, as the ice layer on the surface of the clarifier creates the Evaporation is prevented and less heat is extracted from the clarifier.

In Diagramm 3 ist der Temperaturverlauf des Abwassers bei der Passage durch die Kläranlage graphisch dargestellt. Das Abwasser fließt mit einer Temperatur von angenommenen 5°C in die Kläranlage und wird im Einlaufbereich innerhalb der ersten 24 h auf 15°C erwärmt. Bei der weiteren Passage innerhalb der nächsten 72 h kühlt sich das Abwasser wieder entsprechend den herrschenden Außentemperaturen ab. Demgegenüber nähert sich die Abwassertemperatur ohne Erwärmung (oE) weiter asymptotisch der Lufttemperatur von 0°C an.Diagram 3 shows the temperature profile of the wastewater as it passes through the sewage treatment plant represented graphically. The waste water flows into the at a temperature of 5 ° C WWTP and is heated to 15 ° C in the inlet area within the first 24 hours. With the further Passage within the next 72 hours, the wastewater cools down again according to the prevailing Outside temperatures. In contrast, the wastewater temperature approaches without heating (oE) continues to asymptotically the air temperature from 0 ° C.

Diag. 3 Diag. 3rd

Temperaturverlauf des Abwassers während der Passage durch die Kläranlage nach der Erwärmung auf 15°C bzw. ohne Erwärmung (o. E.) bei verschiedenen Lufttemperaturen Temperature profile of the waste water during passage through the sewage treatment plant after heating to 15 ° C or without heating (not specified) at different air temperatures

Bei Lufttemperaturen von 0°C würde die Wassertemperatur ohne zusätzliche Erwärmung von 5 auf 0,7°C sinken und im Mittel ca. 2,4°C betragen. Demgegenüber beträgt die mittlere Wassertemperatur durch die Erwärmung ca. 7,9°C, was einer Steigerung um ca. 200% entspricht.At air temperatures of 0 ° C, the water temperature would rise to 5 without additional heating Fall 0.7 ° C and average approx. 2.4 ° C. In contrast, the mean water temperature is by warming approx. 7.9 ° C, which corresponds to an increase of approx. 200%.

In dieser Berechnung wurde nicht berücksichtigt, wie sich die vorhandene Erdwärme aus der Umgebung der Kläranlage auf die Temperaturabnahme des Abwassers auswirkt. Hinzukommt, daß der unter der Kläranlage befindliche Wärmespeicher trotz hoher Isolierung das Abwasser erwärmt, was sich aufgrund des größeren Temperaturgradienten besonders bei niedrigen Temperaturen des Abwasser bemerkbar macht. This calculation did not take into account how the existing geothermal energy is generated Surrounding the sewage treatment plant affects the temperature decrease of the wastewater. In addition, that the heat storage located under the sewage treatment plant heats the wastewater despite high insulation, which is due to the larger temperature gradient, especially at low temperatures Sewage noticeable.  

Aufstellung der verwendeten BezugszeichenList of the reference symbols used

11

Substrat
Substrate

22

Wärmetauscher im Substrat
Heat exchanger in the substrate

33rd

Substratbehälter
Substrate container

44

Folie als Boden des Substratbehälters und obere Begrenzung der Zwischenschicht
Foil as the bottom of the substrate container and the upper boundary of the intermediate layer

55

Zwischenschichtmaterial mit hoher Wärmeleitfähigkeit (Kies)
Interlayer material with high thermal conductivity (gravel)

66

Zwischenschichtmaterial mit niedriger Wärmeleitfähigkeit (Styroporplatten)
Interlayer material with low thermal conductivity (styrofoam plates)

77

Folie zur Abdeckung des Wärmespeichers und untere Begrenzung der Zwischenschicht
Foil to cover the heat storage and lower limit of the intermediate layer

88th

sekundäre Energiequelle (Wärmespeicher)
secondary energy source (heat storage)

99

Wärmetauscher im Wärmespeicher
Heat exchanger in the heat storage

1010th

temperaturgeregeltes Steuerteil zur Ventilregulierung der Heizkreisläufe
temperature-controlled control part for valve regulation of the heating circuits

1111

Temperaturmeßfühler im Substrat
Temperature sensor in the substrate

1111

a Temperaturmeßfühler im Wärmespeicher
a Temperature sensor in the heat accumulator

1212th

primäre Energiequelle (Sonnenkollektor)
primary energy source (solar panel)

1313

Ventile zur Steuerung der Heizkreisläufe
Valves to control the heating circuits

1414

Flüssigkeit in der Zwischenschicht
Liquid in the intermediate layer

1515

Ein- bzw. Auslaßventil
Inlet and outlet valve

1616

Bereich erhöhter Wärmeübertragung
Area of increased heat transfer

5656

Zwischenschicht
Intermediate layer

Claims (26)

1. Verfahren zur biologischen Reinigung von Substraten 1 wie Abwasser, Klärschlamm oder ver­ unreinigte Böden mittels Wärmenutzung, wobei eine oder mehrere Energiequellen (primäre Energiequelle) 12 genutzt werden, deren Energieangebot Schwankungen unterliegt, wie beispiels­ weise bei regenerativen Energiequellen, dadurch gekennzeichnet, daß Temperaturschwankungen des zu reinigenden Substrates 1 weitgehend vermieden werden, indem durch die Verwendung eines Energiespeichers als sekundäre Energiequelle 8, Energiespitzen und temporäre Energiedefizite der primären Energiequelle ausgeglichen werden.1. A method for the biological purification of substrates 1 such as waste water, sewage sludge or contaminated soils using heat, one or more energy sources (primary energy source) 12 being used, the energy supply of which is subject to fluctuations, such as, for example, in the case of regenerative energy sources, characterized in that temperature fluctuations of the substrate 1 to be cleaned are largely avoided by compensating for the primary energy source by using an energy store as the secondary energy source 8 , energy peaks and temporary energy deficits. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Energieflüsse zwischen primärer Energiequelle 12, Energiespeicher 8 und Substrat 1 regelbar sind.2. The method according to claim 1, characterized in that the energy flows between primary energy source 12 , energy storage 8 and substrate 1 are controllable. 3. Verfahren nach Anspruch 1 und/oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Regelung der Energieflüsse von der primären Energiequelle 12 zum Substrat 1 bzw. zum Energiespeicher 8 und vom Energiespeicher 8 zum Substrat 1 über die Ermittlung der Substrattemperatur 11 erfolgt.3. The method according to claim 1 and / or 2, characterized in that the regulation of the energy flows from the primary energy source 12 to the substrate 1 or to the energy store 8 and from the energy store 8 to the substrate 1 via the determination of the substrate temperature 11 . 4. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß mit der zur Verfügung stehenden Primärenergie 12 zuerst das zu reinigende Substrat 1 bis auf eine vorgegebene Solltemperatur erwärmt und im Falle, daß mehr Energie zur Verfügung steht als benötigt wird, diese über einen parallelen Kreislauf in einen Energiespeicher 8 geleitet wird.4. The method according to one or more of the preceding claims 1 to 3, characterized in that, with the primary energy 12 available, the substrate 1 to be cleaned is first heated to a predetermined target temperature and in the event that more energy is available than is required is, this is fed into an energy store 8 via a parallel circuit. 5. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß im Falle von schwankungsbedingten zu geringen Energiemengen der primären Energiequelle(n) 12, die vorgegebene Solltemperatur des Substrates nicht erreicht wird, zusätzlich die zuvor in Phasen eines Energieüberschusses (Energiespitzen) gespeicherte Energie aus dem Energiespeicher 8 entnommen wird.5. The method according to one or more of the preceding claims 1 to 4, characterized in that in the event of fluctuations in the energy quantities of the primary energy source (s) 12 which are too small, the predetermined target temperature of the substrate is not reached, additionally the previously in phases of an excess of energy (Energy peaks) stored energy is taken from the energy store 8 . 6. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Primärenergie zunächst in einen Energiespeicher 8 fließt, und die zum Erwärmen des Substrates 1 benötigte Energie generell nur aus dem Energiespeicher 8 entnommen wird.6. The method according to one or more of the preceding claims 1 to 5, characterized in that the primary energy initially flows into an energy store 8 , and the energy required for heating the substrate 1 is generally taken only from the energy store 8 . 7. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß nur so viel Energie zum Erwärmen des Substrates 1 verbraucht wird, bis die zuvor eingestellt Solltemperatur erreicht ist.7. The method according to one or more of the preceding claims 1 to 6, characterized in that only as much energy is used to heat the substrate 1 until the previously set target temperature is reached. 8. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die primär erzeugte Energie in Form von Wärmeenergie vorliegt und in einem Wärmespeicher 8 gespeichert wird.8. The method according to one or more of the preceding claims 1 to 7, characterized in that the primarily generated energy is in the form of thermal energy and is stored in a heat accumulator 8 . 9. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die primär erzeugte Energie nicht in Form von Wärmeenergie vorliegt und nach Umwandlung in Wärmeenergie in einem Wärmespeicher 8 gespeichert wird.9. The method according to one or more of the preceding claims 1 to 7, characterized in that the primarily generated energy is not in the form of thermal energy and is stored in a heat accumulator 8 after conversion into thermal energy. 10. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die primär erzeugte Energie nicht in Form von Wärmeenergie gespeichert und zum Zwecke der Erwärmung des Substrates 1 in Wärmeenergie umgewandelt wird. 10. The method according to one or more of the preceding claims 1 to 7, characterized in that the primarily generated energy is not stored in the form of thermal energy and is converted into thermal energy for the purpose of heating the substrate 1 . 11. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß zur Speicherung der Energie einer primären Energiequelle 12 mit schwankendem Energieangebot ein Energiespeicher 8 vorgesehen ist.11. The device for performing the method according to one or more of the preceding claims 1 to 10, characterized in that an energy store 8 is provided for storing the energy of a primary energy source 12 with fluctuating energy supply. 12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß als primäre Energiequelle ein Sonnenkollektor 12 vorgesehen ist, der seine Energie an das Substrat 1 bzw. an einen Energiespeicher 8 abgibt.12. The apparatus according to claim 11, characterized in that a solar collector 12 is provided as the primary energy source, which emits its energy to the substrate 1 or to an energy store 8 . 13. Vorrichtung nach Anspruch 11 und/oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß als Energiespeicher ein Wärmespeicher 8 vorgesehen ist.13. The apparatus of claim 11 and / or 12, characterized in that a heat accumulator 8 is provided as an energy store. 14. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Energieabgabe an das Substrat 1 bzw. den Wärmespeicher 8 mittels Wärmetauscher 2, 9 erfolgt.14. The device according to one or more of the preceding claims 11 to 13, characterized in that the energy output to the substrate 1 or the heat accumulator 8 takes place by means of heat exchangers 2 , 9 . 15. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Energiefluß vom Sonnenkollektor 12 zum Substrat 1 bzw. zum Wärme­ speicher 8 durch Ventile 13 gesteuert wird.15. The device according to one or more of the preceding claims 11 to 14, characterized in that the energy flow from the solar collector 12 to the substrate 1 or to the heat store 8 is controlled by valves 13 . 16. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche 11 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmespeicher 8 sich in unmittelbarer Nähe zu dem zu reinigenden Substrat befindet, so daß die Wärme passiv durch den Temperaturgradienten vom Wärmespeicher 8 auf das zu reinigende Substrat 1 übertragen wird.16. The device according to one or more of the preceding claims 11 to 15, characterized in that the heat accumulator 8 is located in close proximity to the substrate to be cleaned, so that the heat is passively transmitted by the temperature gradient from the heat accumulator 8 to the substrate 1 to be cleaned becomes. 17. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche 11 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß sich zwischen Wärmespeicher 8 und dem zu reinigenden Substrat 1 eine Zwischenschicht 56 befindet, deren Wärmeleitfähigkeit variabel ist.17. The device according to one or more of the preceding claims 11 to 16, characterized in that there is an intermediate layer 56 between the heat accumulator 8 and the substrate 1 to be cleaned, the thermal conductivity of which is variable. 18. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche 11 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenschicht 56 zumindest teilweise aus einem oder aus verschiedenen Materialien besteht, die von Flüssigkeit, vorzugsweise Wasser, durchdrungen oder umflossen werden können, so daß das in den Hohlräumen enthaltene Gas durch die zugeführte Flüssigkeit verdrängt wird, und sich dadurch die Wärmeleitfähigkeit der Zwischenschicht 56 ändert.18. The device according to one or more of the preceding claims 11 to 17, characterized in that the intermediate layer 56 consists at least partially of one or of different materials which can be penetrated or flowed around by liquid, preferably water, so that this in the cavities contained gas is displaced by the supplied liquid, and thereby the thermal conductivity of the intermediate layer 56 changes. 19. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche 11 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkeitszufuhr bzw. der Flüssigkeitsentzug der Zwischenschicht 56 gesteuert wird.19. The device according to one or more of the preceding claims 11 to 18, characterized in that the liquid supply or the liquid withdrawal of the intermediate layer 56 is controlled. 20. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche 11 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß sich der Wärmespeicher 8 unter dem Behälter mit dem zu reinigenden Substrat befindet, und die Zwischenschicht 56 oben vorzugsweise durch den Boden des Substratbehälters 4 und nach unten vorzugsweise durch die fluiddichte Abdeckung 7 des Wärmespeichers begrenzt wird.20. The device according to one or more of the preceding claims 11 to 19, characterized in that the heat accumulator 8 is located below the container with the substrate to be cleaned, and the intermediate layer 56 preferably above through the bottom of the substrate container 4 and downwards preferably through the fluid-tight cover 7 of the heat accumulator is limited. 21. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche 11 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenschicht am Boden aus nicht verrottenden Materialien mit geringer Wärmeleitfähigkeit 6, wie beispielsweise Styroporplatten oder -kugeln und darüber aus Materialien mit höherer Wärmeleitfähigkeit 5, wie Kies, Schotter oder Abfallprodukten besteht. 21. The device according to one or more of the preceding claims 11 to 20, characterized in that the intermediate layer on the bottom of non-rotting materials with low thermal conductivity 6 , such as polystyrene plates or balls and above that of materials with higher thermal conductivity 5 , such as gravel, crushed stone or waste products. 22. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche 11 bis 21, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Boden der Zwischenschicht 7 ebenmäßig und waagerecht ausgelegt ist, so daß sich die eingeleitete Flüssigkeit 14 gleichmäßig über die Fläche verteilt und eine gleichmäßige Wärmeleitfähigkeit der Zwischenschicht 56 bewirkt.22. The device according to one or more of the preceding claims 11 to 21, characterized in that the bottom of the intermediate layer 7 is designed evenly and horizontally, so that the introduced liquid 14 is distributed uniformly over the surface and causes a uniform thermal conductivity of the intermediate layer 56 . 23. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche 11 bis 22, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Boden der Zwischenschicht 7 an einer oder mehreren Stellen Vertiefungen aufweist, worin sich aufgrund der Schwerkraft eine Flüssigkeit 14 stärker ansammelt und je nach Füllstand zu mehr oder weniger großen Wärmebrücken zwischen Wärmespeicher 8 und Substratbehälter 3 führt, woraus eine ungleichmäßige Verteilung der Wärmeleitfähigkeit der Zwischenschicht 56 mit Bereichen erhöhter Wärmeübertragung 16 resultiert.23. The device according to one or more of the preceding claims 11 to 22, characterized in that the bottom of the intermediate layer 7 has depressions at one or more points, wherein due to gravity, a liquid 14 accumulates more and more or less depending on the level large thermal bridges between the heat accumulator 8 and the substrate container 3 , which results in an uneven distribution of the thermal conductivity of the intermediate layer 56 with areas of increased heat transfer 16 . 24. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche 11 bis 23, dadurch ge­ kennzeichnet, daß sich zum Fluten bzw. Belüften der Zwischenschicht 56 an geeigneter Stelle Einlaß- bzw. Auslaßventile 15 befinden, die den Flüssigkeitsfüllstand 14 der Zwischenschicht 56 regulieren.24. The device according to one or more of the preceding claims 11 to 23, characterized in that there are inlet or outlet valves 15 for flooding or venting the intermediate layer 56 at a suitable point, which regulate the liquid level 14 of the intermediate layer 56 . 25. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche 11 bis 24, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Einlaß- bzw. Auslaßventile 15 zur Regulierung des Flüssigkeitsfüllstandes 14 der Zwischenschicht 56 über ein Steuerteil 10 geregelt werden.25. The device according to one or more of the preceding claims 11 to 24, characterized in that the inlet and outlet valves 15 for regulating the liquid level 14 of the intermediate layer 56 are controlled by a control part 10 . 26. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche 11 bis 25, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Ansteuerung des Steuerteils 10 zur Regulierung des Flüssigkeitsfüllstandes der Zwischenschicht 56 durch die Erfassung der Substrattemperatur über einen oder mehrere Temperaturmeßfühler 11 erfolgt.26. The device according to one or more of the preceding claims 11 to 25, characterized in that the control of the control part 10 for regulating the liquid level of the intermediate layer 56 is carried out by detecting the substrate temperature via one or more temperature sensors 11 .
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