Schwerpunkte des Vorhaben

Schwerpunkt „Design“

Im Rahmen des SP I „Design“ wird das Ziel verfolgt, die im Abwasser enthaltenen Energie und stofflichen Ressourcen optimal zu nutzen und gleichzeitig den Energieverbrauch der Abwasserreinigungsverfahren zu senken. Hierzu werden die notwendigen Prozessschritte durch innovative Verfahren ergänzt oder ersetzt, technische Fragen der innovative Verfahren und ihre Wechselwirkungen untereinander sowie mit bewährten Technologien erforscht. Erprobte und innovative Verfahren werden abschließend in einer Modell-Bibliothek zusammengestellt.

Es werden die folgenden Verfahrensschritte betrachtet:

• Erhöhung der für die Kohlenstoffnutzung zur Verfügung gestellten Organik.
  Hierfür werden verschiedene Möglichkeiten der Kohlenstoffausschleusung aufgezeigt (u.a. großtechnische Pilotuntersuchungen zum Einsatz von Feinsieben, Untersuchungen zur ersten hoch- bzw. mittelbelasteten biologischen Stufe eines zweistufigen Verfahrens).
• Klärung offener Fragestellungen zur Deammonifikation im Teil- und Hauptstrom, damit die energetisch günstigen autotrophen Verfahren zur Stickstoffelimination in das Gesamtkonzept der kommunalen Abwasserreinigung der Zukunft breitere Anwendung finden.
• Erhöhung der Effizienz der Faulung und Entwässerung.
  Dafür werden Energiebilanzen für verschiedene Optimierungsstrategien der Faulung und Entwässerung erstellt und übertragbare Techniken entwickelt, die sowohl auf die Energiegewinnung als auch auf verfahrenstechnische Energieeinsparpotentiale abzielen.
• Energieeffiziente Desinfektion und Spurenstoffelimination, da diese Verfahren zukünftig für ausgewählte Kläranlagen relevant sein werden. In diesem Projekt stehen der Energiebedarf und dessen Optimierung im Vordergrund. Die Auswirkungen von Umstellungen in den vorgeschalteten Abwasserreinigungsprozessen werden berücksichtigt.
• Rückgewinnung der im Abwasser enthaltenen stofflichen Ressourcen.
  Dabei werden Verfahren zur Phosphor- und gegebenenfalls Metallrückgewinnung hinsichtlich des Rückgewinnungspotentials recherchiert. Bezüglich der Rückgewinnung von cellulosehaltigen Faserstoffen aus dem Abwasser werden großtechnische Versuche betrieben.

Die Konzentrierung auf die aufgeführten Aspekte erfolgt unter Berücksichtigung ihrer Relevanz zur Erreichung der übergeordneten Ziele. Das Gesamtmodell im SP II „Operation“ ist jedoch offen gestaltet, so dass die Einbindung von Modulen nicht betrachteter oder zukünftiger Verfahrenstechniken möglich ist.

Für alle Verfahrensstufen werden Energiekennwerte erarbeitet, Informationen zu den Stoffflüssen ermittelt und Investitions- und Betriebskosten abgeschätzt. Diese umfangreichen Verfahrensinformationen werden modelltechnisch in softwareunabhängigen Modellmodulen eindeutig formuliert, um die verfahrensspezifischen Energie-, Stofffluss- und Kostenaspekte in das im SP II „Operation“ aufzubauende Gesamtmodell einbinden zu können.

Koordination des Schwerpunkts:
Institut für Siedlungswasserwirtschaft (ISA) der RWTH Aachen

Schwerpunkt „Operation“

Das Ziel im SP II „Operation“ ist die Entwicklung eines gekoppelten Gesamtmodells (aufgebaut als modulares Baukastensystem) als Simulationswerkzeug zur Abbildung von Energie- und Stoffflüssen einer ganzheitlich betrachteten Kläranlage einschließlich der resultierenden Auswirkungen auf die Jahreskosten. Das Gesamtmodell umfasst die folgenden drei Modellebenen:

• Prozessebene: Es wird ein über alle Verfahrensstufen einer Kläranlage durchgängiges Prozessmodell erstellt, das ergänzend zu den Standardprozessen mit einer Vielzahl von ausformulierten Einzelmodulen ausgestattet ist, die insbesondere für die Verfahrenskonzeptionierung energieoptimierter Kläranlagen interessante Alternativen bieten (Input durch SP I „Design“). Für die entscheidungsrelevanten Stoffgrößen (z.B. C, N, P und TS) wird ein durchgängiger Stoffflussvektor formuliert, der an jeder Stelle der Anlage eine Abfrage der Komponenten als Konzentration und Fracht erlaubt.
• Energieebene: Es wird ein durchgängiges Energieflussmodell aufgebaut, in dem alle Energieströme im Längsschnitt der Kläranlage definiert und abgebildet werden. Der Energieflussvektor enthält eine Aufteilung in thermische, elektrische und biochemisch gespeicherte Energie ausgedrückt als kWhelektrisch-Äquivalente. Neben der Betrachtung der Einzelmodule ist eine Bilanzierung der Gesamtanlage hiermit möglich, ebenso wie die Ermittlung modul- oder anlagenspezifischer Kennwerte als Eingangsgrößen für den Transformationsprozess in SP III „Transformation“.
• Kostenebene:
  Ein Kostenmodell, das die Betriebskosten und Jahreskosten verfahrensstufendifferenziert berechnet und darstellt, ergänzt das Gesamtmodell. Zusätzlich kann zur Unterstützung des Transformationsprozesses (z.B. Entscheidung über den Investitionszeitpunkt) auch der Verlauf der Projektkostenbarwerte über den Betrachtungszeitraum auf dieser Modellebene dargestellt werden.

Für alle drei Ebenen erfolgt eine softwareunabhängige Formulierung der einzelnen Modellmodule, die anschließend zur Anwendung in die Software WEST (World Engine for Simulation and Training) implementiert werden. Im Rahmen des Projektes wird dieses Modell beispielhaft an drei Anlagen des Ruhrverbandes kalibriert. Diese spezifischen Anlagenmodelle bilden die Ausgangsbasis für die Modellrechnungen zur exemplarischen Anwendung des Stufenkonzeptes sowie zur Betriebsunterstützung mittels Kurzzeitprognose.

Koordination des Schwerpunkts:
Institut für Siedlungswasserwirtschaft und Abfalltechnik Leibniz Universität Hannover

Schwerpunkt „Transformation“

Ziel des SP III „Transformation“ ist es zum einen, mit dem Stufenkonzept einen methodischen Ansatz zur explorativen Analyse energieeffizienter Anlagen der Zukunft zu erarbeiten und zu testen. Hierbei werden Leitbilder für die Kläranlagenkonzepte der Zukunft erarbeitet und über eine Analyse der Transformationspfade mit der Gegenwart in Beziehung gesetzt. Zum anderen zielt SP III „Transformation“ darauf ab, methodische Anleitungen für Kläranlagenbetreiber zu erarbeiten, die mit Hilfe des innovativen Gesamtmodells Ziele und Pfadstrategien für eine Transformation ihrer Kläranlagen erarbeiten möchten.

Hauptergebnis sind übertragbare Handlungsempfehlungen zur Transformation heutiger KA-Konzepte in Richtung energieeffizienter Zukunftskonzepte. Diese Handlungsempfehlungen beinhalten inhaltliche und methodische Elemente:

• Die Leitbilder zukünftiger energieeffizienter Kläranlagen stellen robuste Ziel-Kläranlagen heraus, die sich unter verschiedenen denkbaren Rahmenbedingungen als zielführende Lösungen anbieten. Sie dienen der langfristigen inhaltlichen Orientierung der fachlichen Diskussion um energieeffiziente Kläranlagen. Indem bei der Erarbeitung typische Kläranlagenkonzeptionen der Gegenwart zugrunde gelegt werden, können die inhaltlichen Aussagen grundsätzlich auf andere Fälle übertragen werden.
• Die beispielhaften Transformationspfade beschreiben für repräsentative Kläranlagentypen mögliche Entwicklungspfade hin zu Leitbildern als Investitionsabfolgen. Zugleich wird beispielhaft analysiert, inwieweit und unter welchen Rahmenbedingungen die Transformationspfade durch die Kläranlagenbetreiber ergriffen würden, d.h. sich für diese wirtschaftlich sinnvoll darstellen, an welchen Entscheidungsknoten Pfadabhängigkeiten entstehen und wie hierbei die Flexibilität der Systeme erhöht werden könnte.
• Hieraus werden zugleich methodische Praxisempfehlungen
  (im Sinne von Entscheidungsregeln) zur Transformation von Kläranlagen abgeleitet, welche die Kläranlagenbetreiber in der Weiterentwicklung im Umgang mit Planungsunsicherheit, Pfadabhängigkeit und Flexibilität ihrer Kläranlagen unterstützen.

Die zur Ableitung der Handlungsempfehlungen genutzte Methode des Stufenkonzeptes stellt darüber hinaus ein eigenständiges Ergebnis des Projektes dar. Sie gewährt einen praxisbezogenen methodischen Rahmen, um das Gesamtmodell zielführend zu nutzen. Mit der Anwendung auf typische Kläranlagen erfolgt zugleich die Validierung der Modelle und Methode, so dass die Übertragbarkeit der Methode gewährleistet ist.

Koordination des Schwerpunkts:
Institut für Infrastruktur und Ressourcenmanagement Universität Leipzig