Klärschlammprojekt - Europa fördert Sachsen

 

Der Zweckverband Frohnbach erhält Fördermittel für das Klärschlammprojekt.

Lesen hierzu mehr: Klärschlammverwertung

 

Maßgeschneiderte, wirksame und energiesparende Anlagen für saubere Gewässer und stabile Abwassergebühren

Der Zweckverband Frohnbach ist am 14. November 1995 entstanden. Ihm obliegt die öffentliche Aufgabe der Abwasserbeseitigung nach dem Sächsischen Wassergesetz für die Stadt Limbach-Oberfrohna und für die Gemeinde Niederfrohna mit insgesamt rund 30.000 Einwohnern. Der Zweckverband Frohnbach ist eine Körperschaft öffentlichen Rechts. Seine Tätigkeit ist am Gemeinwohl ausgerichtet. Eine Gewinnerzielung obliegt dem Verband nicht.

Seine Aufgabe besteht im wesentlichen darin,

  • anfallendes Abwasser schadlos zu beseitigen und
  • dies mit möglichst geringem wirtschaftlichem Aufwand zu erreichen.

Hoher Entwässerungskomfort und gute Gewässerqualität

Der Anschlußgrad an die öffentlichen Abwasserbehandlungsanlagen beträgt rund 85 Prozent und die Qualität der Abwasserbehandlung hat sich ständig verbessert. Zum überwiegenden Teil erfolgt mit den heute betriebenen verbandseigenen Klärkapazitäten neben der weitgehenden Entfernung der Schmutzstoffe nunmehr auch die gezielte Eliminierung der Nährstoffe Stickstoff und Phosphor aus dem Abwasserstrom. Den Nährstoffen wird die sogenannte Eutrophierung der Gewässer zugeschrieben. Darunter versteht man ihre Anreicherung in einem Oberflächengewässer (z.B. Nordsee) mit der Folge beschleunigten Wachstums von Algen und höheren Pflanzen (Stichwort "Algenpest").

Klärwerk
Abb. 1: Dargestellt ist die Verteilung der Abwasserbehandlung bezüglich der vorhandenen Behandlungskapazität aller öffentlichen Kläranlagen im Verbandsgebiet, wobei die Verhältnisse im Jahre 1995 denen von heute gegenübergestellt sind. Aus rund 99 Prozent des Schmutzwassers wird auch der Nährstoff Stickstoff zumindest in Form von Ammonium weitgehend entfernt (grüne Flächen). Bei etwa 97 Prozent gelingt dies auch für Nitrat und zu rund 95 Prozent sogar für den Nährstoff Phosphor.

Die leistungsfähigere Technik hat zu einer Verbesserung der Gewässergüte geführt. Besonders deutlich wird dies beim Frohnbach, dem größten Vorfluter im Verbandsgebiet. Er ist durch ein ungünstiges Mischungsverhältnis gekennzeichnet. Bei Trockenwetter machen Abwassereinleitungen aus der zentralen Kläranlage Niederfrohna – mit 40.000 Einwohnerwerten an Behandlungskapazität ist sie die größte Kläranlage im Verbandsgebiet – mehr als die Hälfte des natürlichen Abflusses des Gewässers aus. Zudem wird es durch Direkteinleitungen aus einem Textilveredlungsbetrieb vorbelastet. Dennoch ist mittlerweile wieder eine gute Gewässerqualität erreicht worden (Gewässergüteklasse 2).

zentrales Klärwerk
Abb. 2: Während noch im Jahre 1995 der Frohnbach der Kategorie "stark verschmutzt" zuzuordnen gewesen war (Gewässergüteklasse 3), gilt er nunmehr nur noch als gering bis mäßig belastet. Das Erreichen der Gewässergüteklasse 2 ("mäßig belastet") ist im Freistaat Sachsen das allgemeine strategische Ziel, das bis zum Jahre 2015 für alle Gewässer erreicht werden soll. Noch bessere Verhältnisse müssen nur einige wenige Gewässer aufweisen, etwa wo dies wegen ökologischer Besonderheiten geboten ist (z.B. Bergbäche).

Energetisch günstige Planung

Beim Entwurf des Neubaus der zentralen Kläranlage Niederfrohna hatten von Beginn an nicht nur Aspekte der Reinigungsleistung im Vordergrund gestanden. Wichtig war auch, unnützen Energieverbrauch durch geschickte Planung bereits von vornherein zu vermeiden. So arbeiten die Bioreaktoren und die Nachklärung der Anlage nicht nach dem herkömmlichen Durchlaufverfahren, sondern im Aufstaubetrieb (SBR = Sequencing-Batch-Reactor). Damit bleibt die bei herkömmlicher Bauart erforderliche Rückführung von Belebtschlamm und von Abwasser mittels großer Pumpwerke erspart. Immerhin hätte das bedeutet, 150 bis 600 Prozent der der Kläranlage zufließenden Menge ständig im Kreis zu pumpen. Dafür wären mindestens 10 Prozent des Energiebedarfs einzusetzen gewesen.

Verwertung vorhandener mechanischer Energie

KlärwerkZudem ist die Anlage so geplant worden, daß sie vom Zulauf bis zur Einleitung in den Frohnbach vollständig im freien Gefälle durchflossen wird. Anderswo übliche Hebewerke werden hier nicht benötigt. Störanfälligkeit und Energiebedarf bleiben dadurch gering. Die Energieeinsparung liegt bei etwa 15 Prozent.

Eine weitere Besonderheit besteht darin, daß der am Kläranlagenauslauf bis zur Einleitstelle in den Frohnbach noch verbliebene Höhenunterschied von etwa 2,5 Metern zur Energiegewinnung genutzt wird. Dazu ist im Ablaufgerinne ein oberschlächtiges Wasserrad mit Generator installiert worden, welches mit dem behandelten Abwasser betrieben wird. Auf diese Art und Weise werden rund um die Uhr etwa 2 kW für den Kläranlagenbetrieb erzeugt.

Abb. 3: Das Wasserrad von 2 m Durchmesser und 0,7 m Breite kann mit stark wechselnden Mengen von 30 bis 250 l/s betrieben werden, wie sie beim Prozeß der Abwasserreinigung auf der Kläranlage anfallen. Es handelt sich um eine wartungsarme und sehr langlebige Technik. Sie hilft, beim Bezug von Elektroenergie zu sparen. Die Amortisationsdauer liegt bei weniger als zehn Jahren.

Energiesparende Verfahrensführung und Konstruktion

Bekanntlich stellt in der Regel die zentrale Kläranlage den größten Energieverbraucher in ihrem Einzugsgebiet dar und etwa zwei Drittel deren Energieverbrauchs werden allein für die Sauerstoffversorgung (Druckbelüftung) der Bioreaktoren benötigt. Erhebliche Einsparungen der energetisch teuren Druckluft lassen sich bereits dadurch erzielen, daß ein möglichst großer Teil des zur mikrobiellen Oxydation von Ammonium zu Nitrat (Nitrifizierung) zur Verfügung gestellten Luftsauerstoffes durch anschließend besonders weitgehende mikrobielle Reduktion des Nitrates zu Stickstoffgas (Denitrifizierung) als chemisch gebundener Sauerstoff für den Schmutzstoffabbau wieder „zurückgewonnen“ werden. Dies gelingt mit der diskontinuierlichen Verfahrensführung (SBR) auf der zentralen Kläranlage Niederfrohna besonders gut. Neben der technologisch bedingt sehr hohen Raum-Zeit-Ausbeute verhindert die zeltartige Abdeckung aller Bioreaktoren ein deutliches Abkühlen des Abwassers und der die Reinigung bewirkenden Bakterien während der kalten Jahreszeit. Dadurch erfolgen Nitrifizierung und Denitrifizierung durchgehend das ganze Jahr, was der Gewässerqualität und der Wirtschaftlichkeit zu Gute kommt. Der Beitrag zur Energieeinsparung beträgt mehr als 10 Prozent. Weitere energetische Einsparungen in etwa derselben Größenordnung ergeben sich durch eine mechanische Abtrennung absetzbarer Feinstoffe aus dem Abwasserstrom (Vorklärung). Der anfallende Vorklärschlamm ist reich an Schmutzstoffen. Anstatt sie mit Luftsauerstoff im Bioreaktor (teuer) zu oxidieren, werden diese kohlenstoffhaltigen Verbindungen gemeinsam mit anderen auf der Kläranlage anfallenden Reststoffen (z.B. biologischer Überschußschlamm) einer mikrobiellen Faulung unterzogen. Dabei wandelt sich unter Luftabschluß der größte Teil dieser Stoffe in Biogas (Klärgas) um. Das Klärgas dient zur Stromerzeugung mittels eines Blockheizkraftwerkes. Es kann rund 50 m³/h Gas verarbeiten und hat eine elektrische Leistung von etwa 80 kW. Damit läßt sich der Energiebedarf des Klärwerkes zu einem Drittel bis zur Hälfte decken. Des weiteren führt die gezielte Bewirtschaftung mit dem 500 m³ fassenden Gasspeicher zur Verringerung des Bezuges von besonders teurem Tagesstrom und zur Absenkung kostspieliger Abnahmespitzen. Nicht zuletzt halbiert sich durch die Klärschlammfaulung der Klärschlammanfall. Dies führt deshalb zu etwa 50 Prozent geringeren Entwässerungs- (Energie!), Transport- und Entsorgungskosten.

Klärwerk
Abb. 4: Die Kläranlage mit ihren vier druckbelüfteten, zeltartig abgedeckten Bioreaktoren (Bildmitte) und mit der Klärschlammfaulungsanlage (Faulreaktor und Gasspeicher rechts im Vordergrund). Der Freistaat Sachsen und die Europäische Union haben den Bau dieser äußerst modernen Anlage mit Fördermitteln unterstützt.

Klärwerk
Abb. 5: Der Faulreaktor – hier im Bau – weist einige konstruktive Besonderheiten auf: Es handelt sich um eine langlebige Stahlbetonkonstruktion in Segment-Fertigteilbauweise. Der Behälter ist nicht – wie allgemein üblich – drucklos. Die Mischung des Inhaltes erfolgt nicht mittels großer, energieintensiver, schnell verschleißender und störanfälliger Rührwerke oder Umwälzpumpen, sondern aufgrund des sich bei der Faulung aufbauenden Gasdruckes im wesentlichen selbsttätig und ohne nennenswerten Energieeinsatz über ein mittig eingebautes Leitrohr mit feststehenden Strömungsleitschaufeln.

Klärwerk
Abb. 6: Blockheizkraftwerk zur Verstromung des Klärgases. Der MANSechszylinder-Ottomotor wird künftig von einem Heißgasmotor (Stirlingmotor) abgelöst werden. Der Stirlingmotor hat keine „innere“ Verbrennung und ist deshalb für den Betrieb mit Klärgas die robustere und langlebigere Maschine. Das Vorhaben ist in Europa einmalig und wird vom Freistaat Sachsen finanziell unterstützt.

Nutzung von Abwärme unmittelbar am Anfallort

Die bei der Klärgasverbrennung anfallende Abwärme dient zur Heizung der Halle mit den Schlammentwässerungsmaschinen im Winter und erspart damit den Einsatz einer nicht unerheblichen Menge an Brennstoff (Erdgas).

Zudem transformiert eine Wärmepumpe mit einer Wärmeleistung von 16 kW die beim Betrieb der Drucklufterzeuger für die Bioreaktoren im Betriebsraum (Verdichterkeller) anfallende Abwärme. Damit wird das gesamte darüberliegende Verwaltungsgebäude mit einer Nutzfläche von rund 600 m² beheizt. Es hat einen Jahreswärmebedarf von rund 17.000 kWh.

Klärwerk
Abb. 7: Verdichter (blau) und Wärmepumpe (weiß) im Keller des Verwaltungsgebäudes.

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Abb. 8: Das abwärmebeheizte Verwaltungsgebäude

Weniger Aufwand – stabile Abwassergebühren

Die großen Anstrengungen um eine an die örtlichen Bedingungen angepaßte, besonders langlebige, wirkungsvolle und energiesparende Verfahrenstechnik haben sich gelohnt. Damit konnten Kosten der Abwasserbehandlung (z.B. Abwasserabgabe, Reparaturen, Energiebezug, Klärschlammentsorgung) maßgeblich und auf Dauer gesenkt werden. Hinzu kamen Verrechnungen der Investitionskosten mit der Abwasserabgabe und staatliche Fördermittel als Ertragszuschüsse. All dies versetzte den Verband in die Lage, die Gebührensätze für die öffentliche Abwasserbehandlung seit dem Jahre 1998 über zehn Jahre hinweg konstantzuhalten. Darüber hinaus wurde ab dem Jahre 2009 für die nächsten fünf Jahre sogar eine leichte Gebührensenkung möglich.