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Die Erfindung betrifft ein Druckluftsystem einer Abwasserreinigungsanlage sowie ein Verfahren zur Verbesserung eines solchen Druckluftsystems.
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Insbesondere befasst sich die Erfindung mit Möglichkeiten zur Energieeinsparung bei der Drucklufterzeugung und dem Drucklufttransport bei kommunalen und industriellen Abwasserreinigungsanlagen.
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Bei derartigen Abwasserreinigungsanlagen wird Luft mittels geeigneter Aggregate (z. B. mittels Gebläsen, Verdichtern usw.) auf ein höheres Druckniveau angehoben und kommt anschließend prozess- oder verfahrenstechnisch zum Einsatz. Druckluftsysteme sind grundsätzlich durch die folgenden Prozesse gekennzeichnet:
- • Drucklufterzeugung
- • Drucklufttransport
- • Lufteintrag
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Aus
DE 10 2004 036 081 B4 und aus
DE 10 2006 054 566 B3 sind Vorrichtungen zur Abwasserreinigung bekannt. Die für den Drucklufttransport erforderlichen Leitungssysteme dieser Systeme bestehen üblicherweise aus Stahl- oder Edelstahl. Bei den beschriebenen Vorrichtungen ist hinter einem Verdichter ein Kreuzstromwärmetauscher angeordnet, der zur Trocknung von Klärschlamm eingesetzt wird.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Effizienz der vorstehend beschriebenen Abwasserreinigungssysteme zu erhöhen.
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Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß mit den Merkmalen der Ansprüche 1 bzw. 8.
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Ein erfindungsgemäßes Druckluftsystem einer Abwasserreinigungsanlage umfasst ein Druckluft-Aggregat, mittels welchem Luft auf ein höheres Druckniveau anhebbar ist, und ein Leitungssystem zum Transport der mit dem Druckluft-Aggregat erzeugten Druckluft von dem Druckluft-Aggregat zu einem Lufteintragungssystem, mittels welchem die Druckluft an einer Abwasserbehandlungsstelle (z. B. ein Sandfang, ein Gerinne oder ein Belebungsbecken) eintragbar ist. Dabei weist das Leitungssystem im Bereich zwischen dem Druckluft-Aggregat und dem Lufteintragungssystem mindestens teilweise und vorzugsweise über die gesamte Länge eine Wärmeisolierung und/oder Mittel zur Erwärmung der Temperatur der Luft in dem Leitungssystem auf.
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Erfindungsgemäße Druckluftsysteme werden insbesondere für die beiden nachfolgend beschriebenen Abwasserbehandlungsarten eingesetzt:
- 1. Eintragung von Luft zur Erzielung und Erhaltung einer bestimmten Sauerstoffkonzentration und
- 2. Eintragung von Luft zur Erzeugung einer Bewegung des zu reinigenden Wassers. Dies erfolgt vorzugsweise durch die gerichtete Eintragung eines bestimmten Luftvolumens.
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Mit einem erfindungsgemäßen Druckluftsystem wird die Effizienz einer Abwasserreinigungsanlage gesteigert, indem Energieverluste in dem Leitungssystem deutlich reduziert bzw. vermieden werden. Dies wiederum ermöglicht es, das Aggregat zur Drucklufterzeugung mit geringerer Leistung zu betreiben oder durch ein Aggregat mit geringerer Leistung auszutauschen. Der mit der Erfindung bewirkte Effekt, der bislang im Zusammenhang mit Abwasserreinigungsanlagen völlig unbeachtet war, wird im Folgenden noch einmal im Detail erläutert.
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In Verbindung mit der Drucklufterzeugung ist üblicherweise eine Erhöhung der Lufttemperatur im Druckluftsystem zu beobachten. Der Energieverbrauch bei der Drucklufterzeugung ergibt sich daher aus der notwendigen Energie für die Erhöhung des Druckniveaus sowie der notwendigen Wärmeenergie zur Erwärmung der Luft. Die Erwärmung der Luft wird bei der Drucklufterzeugung bisher als Nebeneffekt angesehen, der weder gezielt herbeigeführt wird noch gewünscht ist. Bei vielen Aggregaten zur Drucklufterzeugung, insbesondere bei den regelmäßig verwendeten Verdichtern, ist er jedoch unvermeidbar.
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Die Erfindung zielt darauf ab, die Temperatur der Luft im Bereich zwischen dem Druckluft-Aggregat durch Verwendung einer Wärmeisolierung so gut wie möglich zu erhalten bzw. Mittel zur aktiven Beeinflussung der Temperatur vorzusehen, um Energie einzusparen.
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Versuche haben gezeigt, dass die Minimierung von Temperaturverlusten bzw. die gezielte Beeinflussung der Temperatur der Luft in den Leitungssystemen von Abwasserreinigungsanlagen zu höheren Volumenströmen bei gleichem Energieeinsatz bzw. zu geringerem Energieeinsatz bei gleichen Volumenströmen führt. Durch gezielte Beeinflussung der Lufttemperatur in Leitungssystemen lassen sich Energieverluste beim Lufttransport in den Leitungen minimieren.
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Erfindungsgemäße Druckluftsysteme haben den Vorteil, dass mit geringem Energieaufwand ein möglichst hohes Luftvolumen in das Abwasser eintragbar ist (z. B. bei belüfteten Sandfängen) bzw. möglichst viel Sauerstoff im Abwasser gelöst werden kann (z. B. bei Belebungsanlagen). Der Umfang des in Lösung gehenden Sauerstoffes ist dabei im Wesentlichen abhängig von der Art des Lufteintrages in das Abwasser, dem Luftvolumen und der Konzentration an Sauerstoffmolekülen im Luftvolumen. Das erforderliche Luftvolumen kann über die Temperatur der Luft im Druckluftsystem gezielt beeinflusst werden. Darüber hinaus sind auch die Reibungsverluste im Druckleitungssystem bei sonst gleichen Randbedingungen von der Lufttemperatur im System abhängig. Durch die gezielte Temperaturbeeinflussung der Luft im Leitungssystem kann der Energiebedarf optimiert werden.
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In einer praktischen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Druckluftsystems weist das Leitungssystem als Wärmeisolierung eine Isolierschicht aus einem Werkstoff mit einem Wärmeleitwert λ mit λ ≤ 0,15 W / mK auf. Besonders bevorzugt sind Werkstoffe mit einem Wärmeleitwert von λ ≤ 0,1 W / mK. Durch die Verwendung derartiger Werkstoffe können bei den erfindungsgemäßen Druckluftsystemen mit verhältnismäßig geringen Zusatzkosten besonders hohe Effizienzsteigerungen erzielt werden. Die Zusatzkosten amortisieren sich daher bereits nach relativ kurzer Zeit. Geeignet als Werkstoff sind alle hitzebeständigen Dämmstoffe, insbesondere folgende:
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- • geschäumte Kunststoffe,
- • geschäumte Elastomere und
- • Naturdämmstoffe.
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In Abhängigkeit des verwendeten Werkstoffs und in Abhängigkeit des Leitungsverlaufs sind Schutzmaßnahmen gegen Feuchtigkeit zu treffen.
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In einer weiteren praktischen Ausführungsform umfasst das Leitungssystem als Wärmeisolierung eine Isolierschicht mit einer Dicke von mindestens 5 mm. Besonders bevorzugt sind Isolierschichten mit einer Dicke zwischen 10 mm und 200 mm.
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Isolierschichten werden vorzugsweise auf der Außenseite an bereits bestehenden Leitungssystemen angeordnet. Die Verwendung einer Wärmeisolierung hat neben einer Effizienzsteigerung der Minimierung von Energieverlusten in dem Leitungssystem arbeitsschutzrechtliche Vorteile, da die Gefahr, sich an einem erhitzten Leitungssystem zu verbrennen, deutlich reduzierbar oder sogar vermeidbar ist.
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Alternativ oder in Ergänzung zu einer Wärmeisolierung kann das Leitungssystem auch Mittel zur Beheizung der Luft aufweisen. Dies kann insbesondere durch Wärmetauscher, ein Doppelrohrsystem, ein oder mehrere elektrische Heizelemente, einer mit Brennstoff betriebenen Verbrennungsheizung oder mittels Solarmodulen erfolgen. Vorzugweise sind die Mittel zur Beheizung der Luft innerhalb des Leitungssystems angeordnet, da die Mittel in diesem Fall vorteilhaft mit einer Wärmeisolierung kombinierbar sind. Die Beheizung der Luft ist dann von Vorteil, wenn die für die Beheizung der Luft benötigte Energie geringer ist als die Energieeinsparung am Druckluft-Aggregat. Es kann auch vorteilhaft sein, die Luft nur zu beheizen statt eine Wärmeisolierung vorzusehen, wenn die Beheizung der Luft günstiger ist als die Installation einer Wärmeisolierung.
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Das Optimierungspotential eines erfindungsgemäßen Druckluftsystems mittels einer Wärmeisolierung und/oder mit Hilfe von Mitteln zur Beheizung der Luft kann insbesondere experimentell oder mit Hilfe modelltechnischer Betrachtungen ermittelt werden.
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Zur Auswahl einer sinnvollen Optimierungsvariante einer bestehenden Abwasserreinigungsanlage kann beispielsweise wie folgt vorgegangen werden:
- • Bestandsaufnahme
- • Definition der Zielparameter (Luftvolumen, Sauerstoffeintrag, ggf. weitere Parameter)
- • modelltechnische Abbildung des existierenden Druckluftsystems (Ist-Zustand)
- • Ermittlung geeigneter Optimierungsvarianten
- • modelltechnische Abbildung der ermittelten Varianten
- • Simulationsrechnungen und Ermittlung der Betriebskosten der abgebildeten Varianten
- • Ermittlung der Investitionskosten der Varianten
- • Vergleich der Gesamtkosten während einer angenommenen Nutzungszeit einer Abwasserreinigungsanlage und Auswahl einer Variante
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Modelltechnische Betrachtungen können beispielsweise mittels geeigneter Softwaretools durchgeführt werden. Dabei sind abhängig vom zu simulierenden Anwendungsfall sowohl statische als auch dynamische Modelle umsetzbar.
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Es kann auch vorteilhaft sein, wenn das Leitungssystem im Bereich zwischen dem Druckluft-Aggregat und dem Lufteintragungssystem Mittel zur Kühlung der Luft aufweist. Eine derartige Kühlung kann insbesondere über Wärmetauscher oder eine bestimmte Leitungsgestaltung (z. B. durch eine Leitungsführung innerhalb des Erdreiches oder durch ein Gewässer oder durch das Vorsehen von Kühlrippen) erzielt werden. Mit Hilfe einer Kühlung kann die Temperatur beispielsweise in Bereichen, in denen Verbrennungsgefahr an dem Leitungssystem besteht, gezielt abgesenkt werden, um den Arbeitsschutz einer Abwasserreinigungsanlage zu erhöhen. Bei Verwendung eines Wärmetauschers als Mittel zur Kühlung kann abgeführte Wärme sogar gezielt an einen anderen Ort transferiert und dort genutzt werden. Alternativ oder in Ergänzung dazu können Mittel zur Kühlung auch dazu eingesetzt werden, Luft im Bereich unmittelbar hinter einem Druckluft-Aggregat abzukühlen, um Reibungsverluste über dem Transportweg durch das Leitungssystem zu reduzieren. In diesem Fall kann es vorteilhaft sein, die Luft anschließend, insbesondere am Ende des Leitungssystems unmittelbar vor dem Lufteintragungssystem, wieder zu erwärmen.
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In einer weiteren praktischen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Druckluftsystems ist in dem Leitungssystem eine Messvorrichtung zur Bestimmung der Temperatur und/oder des Drucks angeordnet. In diesem Fall kann das Druckluftsystem einfach und kostengünstig überwacht werden. Dazu muss lediglich ein Temperaturbereich und/oder ein Druckbereich vorgegeben werden, der bei ordnungsgemäßem Betrieb an der jeweiligen Messstelle in dem Leitungssystem des Druckluftsystems vorherrscht. Liegt ein Messwert außerhalb des vorgegebenen Bereichs, kann eine Warnmeldung ausgegeben oder versendet werden (z. B. per Mobilfunk), um den Betreiber des Druckluftsystems über den Vorfall zu informieren.
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Wenn das Mittel zur Beheizung der Luft mit einem Steuer- oder Regelelement in Verbindung steht oder ein Steuer- oder Regelelement umfasst, können externe Einflüsse, wie z. B. eine wechselnde Außentemperatur, beim Betrieb des Druckluftsystems berücksichtigt werden. Beispielsweise kann es die Effizienz eines Systems erhöhen, wenn ein Leitungssystem bei Unterschreiten einer bestimmten Außentemperatur beheizt wird, um Energieverluste zu reduzieren. In diesem Fall ist es erforderlich, dass das Steuer- oder Regelelement mit einem Mittel zur Erfassung der Außentemperatur in Verbindung steht. Dies gilt insbesondere für Leitungen, die keine oder eine relativ dünne Wärmeisolierung aufweisen.
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Wenn sowohl ein Steuer- oder Regelelement als auch eine Messvorrichtung zur Bestimmung der Temperatur und/oder des Drucks im Leitungssystem vorhanden sind, kann das Mittel zur Beheizung der Luft auch in Abhängigkeit der mit der Messvorrichtung ermittelten Werte gesteuert oder geregelt werden. So kann beispielsweise vorgegeben werden, dass die Temperatur und/oder der Druck in den Leitungssystem stets oberhalb eines vorgegebenen Niveaus liegt.
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Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Verbesserung eines erfindungsgemäßen Druckluftsystems. Auf die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Druckluftsystem beschriebenen Vorteile wird hiermit verwiesen.
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Bei Versuchen an Druckluftsystemen hat sich gezeigt, dass durch das Vorsehen einer Wärmeisolierung und/oder durch das Vorsehen von Mitteln zur Beheizung der Luft in dem Leitungssystem zwischen dem Druckluft-Aggregat und dem Lufteintragungssystem es ermöglicht wird, das Druckluft-Aggregat auf einem geringeren Leistungsniveau zu betreiben bzw. Druckluft-Aggregate mit geringerer Leistung einzusetzen. Dadurch können die Investitions- und Betriebskosten eines erfindungsgemäßen Druckluftsystems sowohl bei bestehenden als auch bei neu zu errichtenden Abwasser reinigungsanlagen reduziert werden.
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Alternativ oder in Ergänzung dazu kann das Druckluft-Aggregat mit einer Leistungsregelung oder mit einer Steuerung für die Betriebszeiten versehen werden. Durch gesteuerte oder geregelte Reduzierung der Leistung oder durch Verkürzung der Betriebszeiten kann die Effizienz eines erfindungsgemäßen Druckluftsystems erhöht werden.
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Der Effekt, den sich die Erfindung zunutze macht, lässt sich anhand der allgemeinen Gasgleichung veranschaulichen. Danach gilt folgender Zusammenhang: p·V / T = const (mit: p = Druck; V = Volumen; T = Temperatur)
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Demzufolge hat ein Temperaturabfall innerhalb der Rohrleitung eine Verringerung des Drucks und/oder des Volumens zur Folge. Mit abnehmender Temperatur des transportierten Gases nimmt daher das Gasvolumen ab. Daraus folgt, dass mit abnehmender Temperaturdifferenz im Leitungssystem auch geringere Reibungsverluste aufgrund geringerer Strömungsgeschwindigkeiten auftreten. Im Umkehrschluss kann festgestellt werden, dass das Gasvolumen mit zunehmender Temperatur zunimmt.
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Weitere praktische Ausgestaltungen der Erfindung sind nachfolgend im Zusammenhang mit den Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:
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1 ein erfindungsgemäßes Druckluftsystem einer Abwasserreinigungsanlage in einer schematischen Darstellung und
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2 das Leitungssystem des in 1 gezeigten erfindungsgemäßen Druckluftsystems in einer Schnittdarstellung gemäß Linie II-II in 1.
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1 zeigt ein Druckluftsystem 10 einer Abwasserreinigungsanlage mit einem Druckluft-Aggregat 12, einem Leitungssystem 14 zum Transport der mit dem Druckluft-Aggregat 12 erzeugten Druckluft von dem Druckluft-Aggregat 12 zu einem Lufteintragungssystem 16, welches innerhalb einer Abwasserbehandlungsstelle 18 angeordnet ist. Wie an dem in 1 verwendeten Symbol zu erkennen ist, handelt es sich bei Druckluft-Aggregat 12 in dem gezeigten Ausführungsbeispiel um einen Verdichter.
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Die Abwasserbehandlungsstelle ist bis zur Linie 20 mit Wasser befüllt, das gereinigt werden soll. Die Reinigung erfolgt wie nachstehend beschrieben: Zunächst wird Luft dem Druckluft-Aggregat 12 zugeführt und von diesem verdichtet. Die verdichtete Luft wird anschließend über das Leitungssystem 14 zu dem Lufteintragungssystem 16 geleitet und über dieses in das zu reinigende Abwasser eingeleitet.
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Mit dem Druckluftsystem soll gewährleistet werden, dass die Sauerstoffkonzentration in der Abwasserbehandlungsstelle innerhalb eines vorgegebenen Bereichs gehalten wird, der eine besonders effiziente Reinigung ermöglicht. Übliche Werte der Soll-Sauerstoffkonzentration liegen zwischen 1 mg/l und 2 mg/l.
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Zur Überwachung der Sauerstoffkonzentration kann ein Sauerstoffmesssystem 22 verwendet werden. Als Regelorgan 24 ist in der gezeigten Ausführungsform eine Drossel mit einer entsprechenden Mess- und Steuereinheit 26 in das Leitungssystem 14 integriert. Mit Hilfe des Regelorgans 24 lässt sich der der Strömungsquerschnitt und somit die Menge der Luft variieren, die dem Lufteintragungssystem 16 zugeführt wird.
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In der gezeigten Ausführungsform ist ferner zwischen dem Druckluft-Aggregat 12 und dem Regelorgan 24 eine Messvorrichtung 28 zur Überwachung des Luftdrucks und/oder der Temperatur in dem Leitungssystem 14 angeordnet.
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Wird das Regelorgan 24 geöffnet, um den Sauerstoffeintrag in die Abwasserbehandlungsstelle zu erhöhen, führt dies regelmäßig zu einem Druckabfall in dem Leitungssystem 14. Durch ein mit dem Druckluft-Aggregat 12 verbundenes Steuer- bzw. Regelelement 30 kann diesem Druckabfall durch Erhöhung des Leistungsniveaus des Druckluft-Aggregats 12 entgegengewirkt werden.
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2 zeigt einen Schnitt gemäß Linie II-II in 1 durch das Leitungssystem 14. Das Leitungssystem besteht aus einem inneren Rohr 32 und einer das Rohr 32 umschließenden Wärmeisolierung 34. Das Rohr 32 weist in der gezeigten Ausführungsform einen Innendurchmesser von 1 m auf. Die Wärmeisolierung besteht aus Mineralwolle und weist eine Dicke von 100 mm auf.
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Wie aus den Ansprüchen hervorgeht, können alternativ zu einer Wärmeisolierung 34 oder in Ergänzung dazu Mittel zur Beheizung der Luft vorgesehen sein, um Energieverluste im Leitungssystem 14 zu vermeiden oder zu reduzieren. Beispielsweise kann anstelle der in 2 gezeigten Wärmeisolierung 34 ein Doppelrohrsystem verwendet werden, dessen Außenrohr mit warmem oder heißem Wasser nach Art einer Mantelheizung durchströmt wird.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Druckluftsystem
- 12
- Druckluft-Aggregat
- 14
- Leitungssystem
- 16
- Lufteintragungssystem
- 18
- Abwasserbehandlungsstelle
- 20
- Linie
- 22
- Sauerstoffmesssystem
- 24
- Regelorgan
- 26
- Mess- und Steuereinheit
- 28
- Messvorrichtung
- 30
- Steuer-/Regelelement
- 32
- inneres Rohr
- 34
- Wärmeisolierung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102004036081 B4 [0004]
- DE 102006054566 B3 [0004]
