Diplomarbeit Kläranlage Mödling-fertig

5/13/2018 Diplomarbeit Kl ranlage M dling-fertig - slidepdf.com

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MASTER THESIS

zur Erlangung des akademischen Grades

„Master of Science in Engineering“

im Studiengang MEE

Energetische Optimierung der

Abwasserreinigungsanlage Mödling

ausgeführt von DI Michaela Weissgram2371 Hinterbrühl, Hauptstr. 19/9/9

1. Begutachter: DI Friedrich Brandstetter2. Begutachter: DI Werner Tippel



Ort, Datum



Eidesstattliche Erklärung

„Ich erkläre hiermit an Eides statt, dass ich die vorliegende Arbeit selbständig angefertigt

habe. Die aus fremden Quellen direkt oder indirekt übernommenen Gedanken sind als

solche kenntlich gemacht. Die Arbeit wurde bisher weder in gleicher noch in ähnlicher

Form einer anderen Prüfungsbehörde vorgelegt und auch noch nicht veröffentlicht.“

Ort, Datum Unterschrift



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Kurzfassung

Motivation und Zielsetzung

In der Stadtgemeinde Mödling hat Umweltpolitik einen hohen Stellenwert. Seit 1991 ist die

Stadtgemeinde Mödling Klimabündnisgemeinde und hat sich somit verpflichtet, die

Treibhausemissionen und damit den CO2-Ausstoß bis zum Jahr 2010 um 50 % gegenüber

gegenüber dem Stand von 1987 zu senken . Im Jahr 2003 wurde ein Energiekonzept

erstellt und im Februar 2004 wurde die schrittweise Einführung des

Umweltmanagementsystems EMAS beschlossen. Im Sommer 2007 fiel der Startschuss für

das Europäische Forschungs- und Demonstrationsprojekt Holisitc. Im Rahmen diesesProjektes konnten schon einige Maßnahmen zur Verbesserung der Energieeffizienz der

Stadt Mödling umgesetzt werden [Stadtgemeinde Mödling, 2011] . Dennoch sind noch

zahlreiche Maßnahmen und Projekte notwendig um die geplanten Energie - und CO2

Einsparungen zu erreichen.

Eines der möglichen zukünftigen Projekte ist Thema dieser Diplomarbeit.

Projektansatz

Die Stadtgemeinde Mödling ist Betreiber einer kommunalen Kläranlage mit 130.000Einwohnergleichwerten, respektive 90.000 Anschlüssen. Der jährliche Energiebedarf ist

mit 2,5 – 3GWh und damit etwa 33kWh/ EWa im üblichen Bereich von 27 bis 35kWh/Ewa,

bietet allerdings noch Verbesserungsmöglichkeiten [Siekmann, Jakob, 2008].

Im Rahmen dieser Arbeit bilden Energieeffizienzmaßnahmen aber nur eine Säule der

energetischen Optimierung. Die zweite große Säule bildet die energetische Verwertung

des anfallenden Klärschlammes sowie die Einsparung im Transport. Die Möglichkeit der

Klärschlammvergasung und Verstromung wird im Rahmen des Holistic Projektes

bearbeitet [Stadtgemeinde Mödling, 2011, Becker et al.]. Diese Diplomarbeit hat es sich

zum Ziel gesetzt die unterschiedlichen Möglichkeiten der Klärschlammtrocknung zuvergleichen. Nachfolgend an die Klärschlammtrocknung soll je nach Trocknungskonzept

die thermische Verwertung des Klärschlammes mittels Verbrennung oder die Verwertung

mit Pyrolyse betrachtet werden. Zudem soll das CO2 Einsparungspotential betrachtet

werden. Momentan wird Klärschlamm mit etwa 30-35% Trockensubstanz von Wr. Neudorf

bis Ternitz mit Lastkraftwagen transportiert [Wittmann E., 1990]. Durch die Erhöhung des

Trockensubstanzanteiles kann die zu transportierende Menge verringert werden, wodurch

auch die CO2 Belastung durch den Transport per LKW gesenkt werden kann. Die CO2

Belastung der thermischen Verwertung soll der CO2 Einsparung durch Verringerung der

zu transportierenden Klärschlammenge gegenübergestellt werden. Der optimale Anteil an

Trockensubstanz soll unter Berücksichtigung der Wirtschaftlichkeit sowie dem geringsten

CO2-Ausstoß ermittelt werden.



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Zu den, ob der späteren Durchführbarkeit dieser Studie, nicht zu vernachlässigenden

wirtschaftlichen Parametern zählen einerseits die Investitions- ebenso wie die

Betriebskosten der zu vergleichenden Technologien. Weiters ist allerdings besonderesAugenmerk auf die Möglichkeit diverser Landes-, Bundes-, und EU- Förderungen zu legen

und in die Kostenbetrachtung einzubetten.

Stand der Technik

In einer Literaturrecherche konnten einige gängige Verfahren der Klärschlammtrocknung

und Verwertung ermittelt werden [Cord-Landwehr, Klaus, 2002].

Dazu zählen die mittlerweile als klassisch zu bezeichnenden thermischen Methoden derWirbelschichttrocknung, sowie der Trocknung im Drehetageofen [Thomé- Kozmiensky,

Karl J, 1994 ]. Zu den neueren Verfahren zählt das Verfahren der solaren Trocknung. Bei

diesem werden allerdings im Allgemeinen niedrigere Trockensubstanzanteile als bei

vergleichsweise dem Vorgang der Wirbelschichttrocknung erlangt. Es gilt zu ermitteln ob

mit der erzielten Gewichtsreduktion die Wirtschaftlichkeit gewährleistet, oder im Falle einer

nachgestellten Verbrennung ein stabiler Verbrennungsprozess erreicht werden kann

[Thomé- Kozmiensky, Karl J, 1994]. Auch die CO2 Bilanz des gesamten Prozesses soll

betrachtet werden.

Als weiteres Verfahren soll auch die Möglichkeit zur Anwendung konzentrierenderSolarthermie mittels Parabolspiegeln betrachtet werden. Aufgrund des geografischen

Breitengrades und der daraus resultierenden Sonneneinstrahlung wird dieses Verfahren

aber unter keinen Umständen ganzjährig anwendbar sein. Höchstens in den

Sommermonaten ist diese Technologie aussichtsreich. Ihr wahres Potential im Bezirk

Mödling muss allerdings erst im Laufe der Arbeit erhoben werden.

Konkretere Ansätze gibt es bei den Energieeffizienzmaßnahmen im Betrieb der

Kläranlage. Hier macht allein die Sauerstoffeinbringung in das Belebungsbecken etwa 2/3

des jährlichen Energiebedarfes aus. Unter der Annahme eines Energieverbrauches von

bis zu 3GWh/Jahr wären das alleine 2GWh. Die Belüftung erfolgt momentan mittels

Stabwalzen die die Oberfläche verwirbeln und so Sauerstoff einbringen. Über diesen

Vorgang ist der Sauerstoffgehalt im Becken schwer regulierbar und im Verhältnis zur

eingesetzten Energie ist der erzielte Sauerstoffeintrag geringer als bei anderen

Technologien. Es herrschen jedoch Vorteile in der Betriebsführung und Wartung. Im

Betrieb hat sich herausgestellt dass die Messung des Sauerstoffgehalts zu geringeren

Abbauraten führt, als ein Belüftungsbetrieb über die Messung der Redox -Spannung.

Im Bezug auf das Belüftungssystem soll der Einfluss der Verwendung von Membran -

Tellerbelüftern oder Keramikstabbelüftern auf den biologischen Abbauprozess, sowie auf

die Energieeffizienz beleuchtet werden.



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Auch in der Regelungstechnik der Kläranlage steckt Optimierungspotential im Bereich

Stromeinsparung. Der letzte große Umbau der Kläranlage wurde in den Jahren 1988 bis

1990 durchgeführt [Wittmann E., 1990 ], im Jahr 2005 wurden die letzten Änderungenvorgenommen. Seit 1990 hat sich aber die Energieeffizienz vieler Geräte maßgeblich

verbessert. Anhand des Stromverbrauches sollen die größten Verbraucher ermittelt und

mit heute gängigen Modellen verglichen werden, sowie die Pumpen auf den heutigen

Bedarf an Durchflussleistung optimiert werden. Selbiges gilt für die in den ersten

Entwässerungsschritten verwendeten Pressen.

Im Bezug auf Wärmebedarf in der Kläranlage kann für den Eigenbedarf auch die

Verwendung einer Wärmepumpe angedacht werden. Hier soll das Abwasser als

Wärmelieferant dienen – es hat im Gegensatz zum Boden, der konstant 10°C bietetkonstant um die 15°C [Huber, H. 2011].

Am Rande wird auf Wunsch der Kläranlagenleitung auch der Standort der Kläranlage als

möglicher Platz für Kleinwind betrachtet.

Schlagwörter: Kläranlage, solarthermische Klärschlammtrocknung, erneuerbare

Energieträger



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Abstract

In 1991 the town of Mödling joined the Climate Alliance and hence is obliged to lower theemission of green house gases. The municipality of Mödling is in charge of a sewage plant

with around 90.000 accesses, equalling 130.000 of population equivalent.

The optimization in terms of energy efficiency as well as energetic usage of sewage

sludge and the lowering of CO emissions are the main points of this thesis. It is one of the

goals to compare different methods for the drying of sludge and evaluate the techniques

and their usability and affordability. Depending on the drying efficiency different concept

for the down-stream processing of dryed sewage sludge are available.

Among these is the use of exhaust heat from combustion. For all combustion processes a

minimum dry mass of around 60% is needed, as there must be enough energy in thesludge to evaporate the water it contains. At the moment sludge with a dry-mass content

of 34% is brought to Ternitz by truck, where it is fed to open air composting. By lowering

the water-content of the sludge and gaining a dry-mass between 70 and 90% the CO2

emission by trucks can be lowered significantly.

This reduction in CO2 emission is compared to the CO2 emission of the various drying

concepts to find the optimal solution.

Furthermore all applicable sponsorships shall be evaluated to find out the real costs for the

licensee of the sewage plant.

Among the compared technologies are the drying technologies of solar thermal drying,concentrating solar power drying, fluidizised bed drying and belt drying.

The evaluated down stream processes are open air composting in Ternitz, which is also

the status quo, combustion of 80-90% dry mass sewage sludge in Wopfing in the cement

mill and the under-stoechiometric combustion with pyrolysis.

Furthermore measures for energy efficiency are elucidated. Especially the aeration of the

activated sludge tank in terms of regulation, but also in terms of new, more efficient

actuation is subject of this thesis. However, the pumps and the de-watering process of

thickend sludge from 7% to 34% are also checked for their energy saving potential.

Keywords: sewage plant, solar thermal drying, pyrolysis, CO2, renewable energy from

sludge



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Danksagung

Wie die meisten wissenschaftlichen Arbeiten wäre auch die Vorliegende nicht ohnezahlreiche Unterstützer und helfende Hände zu Stande gekommen.

Als erstes möchte ich mich bei meinen beiden hervorragenden Betreuern bedanken,

Werner Tippel vom GVA der sich bereit erklärt hat die Betreuung von Verbandsseite zu

übernehmen und Friedrich Brandstetter, der die Arbeit von Seiten der FH beaufsichtigt hat.

Werner möchte ich vor allem dafür danken, dass er sich immer Zeit genommen hat und

auch in Phasen wo ich selbst kaum Erfolgsaussichten für das vorliegende Konzept hatte

nicht nur stets ein freundliches Wort, sondern auch einen neuen Ansatzpunkt für mich

bereit hatte.Fritz Brandstetter hingegen war immer eine Ansprechstelle wenn es um den

konzeptionellen Teil der Arbeit ging. Gerade in der Anfangszeit, aber auch bei Hinweisen

für Förderungen hatte er stets ein offenes Ohr für meine Fragen und Anliegen. Dafür

gebührt auch ihm mein Dank.

Nicht vergessen darf man die vielen Helfer und Experten die sich für mich Zeit genommen

haben. Das Thema der vorliegenden Arbeit ist breit und es war nicht immer leicht

jemanden zu finden der mit Rat und Tat zur Seite stehen konnte und auch wirklich auf dem

letzten Stand der Technik war. Zum Glück gibt es aber in den meisten Firmen ein oderzwei gute Seelen die mir ihre Zeit und ihr Wissen nahezu uneingeschränkt zur Verfügung

gestellt haben. Hier ist vor allem Jakob Strassegger zu erwähnen, der in der Nähe von

Graz ein gleichnamiges technisches Büro leitet. Er war mir nicht nur eine große Hilfe bei

Fragen der solaren Klärschlammtrocknung, sondern stand mir mit umfassendem Wissen

um die energetische Optimierung von Kläranlagen zur Seite. Leider haben wir uns erst

kurz vor Ende der Arbeit kennengelernt, dennoch half er mir viele vorher unklare Details zu

verstehen.

Ebenfalls von ganz großer Bedeutung für meine Arbeit war Herbert Huber, der

Geschäftsführer der ARA Mödling. Er ist nicht nur ein Spezialist für alle Fragen zurKläranlage Mödling, sondern zeichnet sich durch sein Umfassendes Wissen und Interesse

in und an der ganzen Branche aus. Es gab kaum ein Thema, eine Maßnahme oder eine

Technologie der Herr Huber noch keine Beachtung geschenkt hat, und dieses bereitwillig

geteilte Wissen hat mir meine oftmals langwierige Literarurrecherche sehr vereinfacht.

Weiters möchte ich Herrn Martin Sahanek von ABB, der sich am Telefon Zeit für mich und

meine schier unendlichen Fragen zur Antrieben genommen hat und Herrn Gaiffi von Kopf

AG, der mir detaillierte Daten zum Kopf Pyrolyseverfahren zukommen lies, sowie sich mit

der groben Auslegung einer Pyrolyse für die ARA Mödling beschäftigte für ihre Zeit

danken.



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Ohne all diese Hilfe und bereitwillige zur Verfügung Stellung von Wissen hätte ich meine

Arbeit weder so rasch noch so detailliert beenden können.

Auch die finanzielle Seite darf nicht unerwähnt bleiben. So danke ich dem Finanzreferat,

dem Referat Abfallwirtschaft und dem Bürgermeister der Stadtgemeinde Mödling sowie

dem GVA für ihre finanzielle Unterstützung in dieser Zeit.

Zuletzt möchte ich noch, Dank an die FH auszusprechen, die mir diese Ausbildung möglich

gemacht hat. Hier natürlich Studiengangsleiter Huber Fechner, aber auch ganz besonders

Gabi Strohmeier die uns in allen Phasen des Studiums beigestanden ist. Wann immer es

mit dem Arbeitsalltag nicht vereinbar war ließ sie sich zu einer Sonderregelung überreden

und nie hat sie einen von uns Studenten aufgegeben. Dafür auch dir Gabi vielen Dank.



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Inhaltsverzeichnis

Motivation und Zielsetzung................................................................................................. 4 Projektansatz ..................................................................................................................... 4 Stand der Technik .............................................................................................................. 5 1 Einleitung:..........................................................................................................12 1.1 Die Kläranlage Mödling – Zahlen und Fakten .....................................................12 1.2 Verfahrenstechnik der Kläranlage Mödling .........................................................13 1.3 Anlageneffizienz .................................................................................................16 2 Energieeffizienzmaßnahmen .............................................................................17 2.1 Belüftung ............................................................................................................19 2.1.1 Antriebe ............................................................................................................21 2.1.2 Regelung und Betriebsführung .........................................................................27 2.1.3 Alternative Belüfter ...........................................................................................29 2.2 Pumpen..............................................................................................................35 2.3 Pressen..............................................................................................................36 3 Klärschlammnutzung .........................................................................................37 3.1 Klärschlammtrocknung .......................................................................................39 3.1.1 solare Trocknung..............................................................................................40 3.1.2 Konzentrierende solarthermische Trocknung....................................................46 3.1.3 Wirbelschichttrocknung.....................................................................................46 3.1.4 Bandtrocknung .................................................................................................47 3.2 Verfeuerungstechniken.......................................................................................47 3.3 Pyrolyse..............................................................................................................48 3.4 Landwirtschaftliche Nutzung des Klärschlamms .................................................51 4 Verwendung erneuerbarer Energieträger am und ums Gelände der ARA..........57 4.1 Wind...................................................................................................................57 4.2 PV ......................................................................................................................57 4.3 Wärmepumpe.....................................................................................................57 5 Wirtschaftlichkeitsrechnung erstellter Szenarien unter Betrachtung der

Förderwürdigkeit ...............................................................................................................58 5.1 Belüfter – Antriebe..............................................................................................58



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5.2 Kammerfilterpresse.............................................................................................61 5.3 Solare Trocknung ...............................................................................................61 5.4 Pyrolyse..............................................................................................................64 6 CO2 Einsparungspotential erstellter Szenarien..................................................69 6.1 CO2 im Transport ...............................................................................................69 6.2 CO2 Einsparungspotential im Strombedarf.........................................................71 6.2.1 Antriebe ............................................................................................................71 6.2.2 Kammerfilterpresse...........................................................................................72 6.2.3 Klärschlammverbrennung.................................................................................72 6.2.4 Solare Trocknung .............................................................................................72 7 Zusammenfassung ............................................................................................73 Literaturverzeichnis ...........................................................................................................76 Abbildungsverzeichnis ......................................................................................................81 Tabellenverzeichnis ..........................................................................................................83 Abkürzungsverzeichnis .....................................................................................................84 Anhang: ABB – Technische Daten....................................................................................85 ..........................................................................................................................................88



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1 Einleitung:

Aufgrund der geringen Industriedichte, sowie der hohen Bebauungsdichte sind die

Möglichkeiten der Stadtgemeinde erneuerbare Energieträger zu forcieren begrenzt. Die

Stadt Mödling ist jedoch für die Abwasserreinigungsanlage am Eumigweg, Wr. Neudorf

zuständig, in die Großteile des Bezirks ihre Abwässer einleiten. Kommunale Kläranlagen

sind mit ihrem Anfall an verwertbarer Biomasse für die Entwicklung eines

Energiekonzeptes unverzichtbare Faktoren [Becker et al.,]. Allerdings ist die rechtliche

Situation von besonderer Bedeutung. Nicht alle gängigen Trocknungsverfahren sind für

Klärschlamm praktikabel [Bretschneider H., et al, 1993 ]. Es ist auf Grenzwerte bei

Schwermetallen und Schadstoffen bei der Einleitung von Industrieabwasser sowie auf die

zu erreichenden Abbauraten, die Hygienisierung und Stabilisierung von Klärschlamm zu

achten, zumal das getrocknete Endprodukt noch verwertbar, sprich brennbar,

kompostierbar oder landwirtschaftlich aufbringbar sein sollte [Bretschneider H., et al, 1993 ]

1.1 Die Kläranlage Mödling – Zahlen und Fakten

Bei der Abwasserreinigungsanlage (kurz ARA) Mödling handelt es sich seit der letzten

Erweiterung 2005 im Zusammenhang mit dem Anschluss der Gemeinde Biedermannsdorf

um eine Kläranlage mit 130.000 EW. Die Einwohnerwerte (EW) werden wie folgt berechnet

[Bretschneider H., et al, 1993 ]:Zahl der einleitenden Einwohner + umgerechnete industrielle Einwohnergleichwerte.

Tatsächlich werden etwa 90.000 Anschlüsse eingeleitet [Huber, H. 2011]. Ihr

Einzugsgebiet reicht von den Wienerwaldgemeinden, bis zur industriereichen Gemeinde

Vösendorf.

Abbildung 1 Einzugsgebiet der Abwasserreinigungsanlage Mödling [Wittmann E., 1990]



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In Abbildung 1 sind die angeschlossenen Gemeindegebiete zu sehen. Außer der

Stadtgemeinde Mödling selbst umfasst das Einzugsgebiet die Gemeinden Brunn am

Gebirge, Maria Enzersdorf, Wiener Neudorf, Hinterbrühl, den Abwasserverband ObererMödlingbach und Gießhübl, sowie Biedermannsdorf. Das Industriezentrum in Wiener

Neudorf verfügt über eine eigene Kläranlage. Die Marktgemeinde Vösendorf hat zwar noch

Anteile an der Kläranlage der Stadtgemeinde Mödling, führt aber zurzeit ihr gesamtes

Abwasser der eigenen Kläranlage zu.

Die Gemeindegebiete von Gießhübl, Gaaden und den Wienerwaldgemeinden sind aus

topographischen Gründen nur zum Teil an der Kläranlage der Stadtgemeinde Mödling

angeschlossen [Stadtgemeinde Mödling, 2011].

In der folgenden Tabelle sind die wichtigsten Größen und Kennwerte der ARA Mödlingzusammengefasst.

Ausbaugröße: 130.000 Einwohnerwerte

Abwassermengen:

Tageswassermenge bei Trockenwetter: Ca. 18.000m³

Trockenwetterzufluß: Ca 300l/s

Maximaler Regenwetterzufluss: >1.000 l/s

Fremdwasseranteil: Ca 20%

Schmutzfracht: Ca 4.000 kg BSB5/d

Nutzinhalte:

Vorklärbecken 1.500m³ (z Zt nicht in Betrieb)

Belebungsbecken 12.500m³

Nachklärbecken 14310m³

Fläche ca 5ha

Tabelle 1 Zusammenfassung der Kennwerte ARA Mödling [Umwelterklärung, 2007]

1.2 Verfahrenstechnik der Kläranlage Mödling

In der Abwasserreinigungsanlage Mödling geschieht die Reinigung des Abwassers in

mehreren Schritten.

Erst erfolgen die Mechanischen Schritte:

- Grob- und Feinrechen : hier wird das Wasser von Grobstoffen gereinigt.

Dabei werden in der ARA Mödling Rechen bis zu einer Mindestspaltbreite von 6mm

verwendet. Das Rechengut wird in einem Container gesammelt, ausgewaschen und



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entwässert. Im Schnitt werden pro Jahr 120 -130t Rechengut mit der Firma Saubermacher

Mödling oder dem bestbietenden Konkurrenzunternehmen abtransportiert.

- Sandfang : hier werden der mit dem Abwasser zur Kläranlage transportierte Sandund andere feste mineralische Inhaltsstoffe gezielt abgeschieden, um Ablagerungen in den

anderen Anlagenteilen zu vermeiden.

Daraufhin folgen die Biochemischen und Biologischen Abbauschritte.

- Anaerobes Becken : Dieses Becken wird nicht belüftet, lediglich ein Rührwerk hält

die Feststoffe in Schwebe. Hier wird bis zu einer Zulaufgeschwindigkeit von 240l/s in

einem Verhältnis von 100% der Zulaufgeschwindigkeit belebter Überschussschlamm aus

den Nachklärbecken mit ebenfalls bis zu 240l/s zugeführt. In diesem Becken werden die

Mikroorganismen durch mangelnde Belüftung ausgehungert um später imBelebungsbecken die Phosphoraufnahme zu verbessern.

- belüftetes Belebungsbecken : In der ARA Mödling gibt es 2 Belebungsbecken. Sie

können nach Belieben parallel oder nacheinander betrieben werden. Es wird das

Verfahren der aerob-simultanen Stabilisierung verwendet, bei der die im Belebungsbecken

die verbliebenen Schmutzstoffe, unter mechanischer Zufuhr von Luftsauerstoff von

Mikroorganismen, hauptsächlich Bakterien, abgebaut werden. Dies beruht auf dem Prinzip,

dass Mikroorganismen bei geringer organischer Belastung, wie sie auf der ARA Mödling

vorherrscht ausgehungert werden wodurch sie gezwungen sind, nahezu alle nur irgendwie

verfügbaren Reserve-, Speicher- und sonstigen verwertbaren Stoffe als Nahrung zuverarbeiten. Dabei werden Kohlenstoffverbindungen zu CO2 (Kohlendioxid) umgewandelt.

Organische Stickstoffverbindungen und das fischgiftige Ammonium (NH4) werden über die

Zwischenstufen Nitrit (NO2) und Nitrat (NO3) in Stickstoffgas, das ohnehin zu ca 80%

Bestandteil der Luft ist, umgewandelt. Dies geschieht in unbelüfteten Zonen des

grundsätzlich belüfteten Belebungsbeckens. Einerseits sind das tiefere Schichten,

andererseits Bereiche in denen die Oberflächenstabbelüfter abgeschaltet sind. Die aerobe

simultane Stabilisierung führt zu einem hohen Schlammalter und vergleichsweise langer

Verweildauer.

Weiters werden Kohlenstoff, Stickstoff und auch Phosphor von den Mikroorganismen zumZellaufbau verwendet. Die Menge an Biomasse (Mikroorganismen) die auf diese Weise

zuwächst, muss dem System kontinuierlich entnommen werden. Diese überschüssige

Menge ist der anfallende Klärschlamm. Lediglich der Abbau von Phosphor ist gewissen

Grenzen unterworfen, so dass ein gewisser Anteil durch Zugabe von Eisensalzen gefällt

werden muss, um die gesetzlich vorgeschriebenen Ablaufwerte einhalten zu können.

- Nachklärbecken: 3 Nachklärbecken sind baulich vorgesehen. Aus den

Belebungsbecken wird der Ablauf gesammelt und im Verteilerbauwerk auf die drei

Nachklärbecken aufgeteilt. Hier können die von der Biomasse gebildeten Schlammflocken

aufgrund ihrer höheren Dichte durch gravimetrische Sedimentation abgetrennt werden.Das nunmehr gereinigte Abwasser wird dann in den Krottenbach abgeleitet. Der am Boden

der Nachklärbecken gesammelte Klärschlamm wird je nach Zuflussgeschwindigkeit ins



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anaerobe Becken, oder ab einer Zuflussgeschwindigkeit über 240l/s auch direkt ins

Belebungsbecken geleitet. Die Pumpen die den Schlamm ins Belebungsbecken

transportieren können eine Leistung bis zu 800l/s gewährleisten. Der überschüssigeSchlamm in den Nachklärbecken wird mit Schneckenpumpen in den Schlammstapler

befördert und dann der Entwässerung zugeführt.

- Phosphorabbau: Dieser Verfahrensschritt soll getrennt betrachtet werden,

nachdem er nicht nur an einem Ort stattfindet. Erst werden im anaeroben Becken die

Mikroorganismen ausgehungert um einen besseren biologischen Phosphorabbau im

Belebungsbecken zu gewährleisten. Als zweiter Abbauschritt wird im Belebungsbecken

Eisen (II) Sulfat zur chemischen Fällung zugefügt. Im Entwässerungsschritt wird bei der

Presse noch Eisen (III) Chlorid als Fällungsmittel zugefügt. Hier wird zur Verbesserung der

Scherfestigkeit auch Brennkalk zugefügt. Kalk und Eisensulfat reagieren zu Gips, der dieRohre verstopfen würde [Huber, H. 2011], weswegen an dieser Stelle die Verwendung von

Eisen (II) Sulfat zu unterlassen ist. Der Kalk dient außer zur Verbesserung der

Scherfestigkeit auch noch der Hygienisierung des Klärschlammes. Ohne diesen

Hygienisierungsschritt würde bei längerer Lagerung der Faulungsprozess eintreten, was

aufgrund der geringen Entfernung zu bewohntem Gebiet vermieden werden muss.

In der nachgestellten Abbildung 2 ist ein schematischer Plan der Abwasseranlage Mödling

zu sehen.

Abbildung 2: Anlagenschema der Kläranlage Mödling [Wittmann E., 1990]



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1.3 Anlageneffizienz

Im 2007 erschienen Umweltbericht der Stadtgemeinde Mödling für die ARA Mödling kann

man typische Werte für die Abbaueffizienz finden.

Abbauraten: Erreichte Abbaurrate

MÖ

Geforderte Abbaurate

Abbau d. biologisch abbaubaren

Kohlenstoffverbindungen

98,60% >96%

Abbau Kohlenstoffverbindungen

gesamt

95,10% >85%

Ammoniumabbau 99,00% kein geforderter Abbaugrad

Stickstoffabbau gesamt 83,30% gefordert >70%

Phosphorabbau gesamt 94,80% kein geforderter Abbaugrad

Tabelle 2 in der ARA Mödling erreichte und von der gesetzlich erforderlichen Abbauraten berechnet

in % aus den Werten der Tabelle 3 [Umwelterklärung, 2007]

Maßgeblich für den vorgeschriebenen Betrieb sind die Ablaufgrenzwerte laut

Wasserrechtsbescheid. Genau sind sie zu finden in der Abwasseremissionsverordnung für

kommunale Abwässer, BGBl 1996/210 in der Fassung II 2000/392, Anlage A,Emissionsbegrenzung gemäß § 1, Absatz 1. Sie finden sich nachstehend, in Tabelle 3 .

ParameterGrenzwert lt

WasserrechtsbescheidKläranlage Mödling

Ammonium-Stickstoff 3,0 mg/l 0,30 mg/l

Nitrat-Stickstoff 8,0 mg/l 2,28 mg/l

Gesamt-Phosphor 1,0 mg/l 0,39 mg/l

BSB5 15 mg/l 2,67 mg/lAbfiltrierbare Stoffe 30 mg/l 2,00 mg/l

Tabelle 3: Kläreffizienz der ARA-Mödling anhand einiger Parameter im Vergleich zu den gesetzlich

vorgeschriebenen Grenzwerten [Umwelterklärung, 2007]

Wie in den vorangegangen Tabellen ersichtlich ist, werden alle vorgeschriebenen

Grenzwerte und Abbauraten eingehalten bzw. dort deutlich unterschritten, wo es die

Verfahrenstechnik und/oder der Einsatz sinnvoller Mengen an Betriebsmitteln zulassen.

Als Maß für die Relation der vom Gesetzgeber geforderten zur tatsächlich erbrachten

Reinigungsleistung werden der Leistungsgrenzkennwert (LWG) und der erreichteLeistungskennwert (LW) gegenübergestellt [ÖAWV – Arbeitsbehelf Nr.9 ].



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Beide Werte werden aus den Ablaufkonzentrationen der Parameter CSB, NH4-N, NO3-N

und Gesamt-Phosphor, unter Zuhilfenahme bestimmter Faktoren, errechnet. Beim LWG

werden die vorgeschriebenen Grenzwerte, beim LW die gemessenen Werte zurBerechnung herangezogen. Je geringer die Konzentrationen dieser vier Parameter im

Ablauf der Kläranlage sind, desto kleiner (und besser) ist ihr LW. Die maximal

zugelassenen LWG basieren angenähert auf den Grenzwerten der Emissionsverordnung.

Dabei wird bei Anlagen über 5000 EW angenommen, dass für CSB und NH4-N 80% des

Grenzwertes als zulässiger Maximalwert angesehen werden. Bei NO3-N und Ges.-P wird

der Maximalwert zur Bestimmung der Höchstzulassungsgrenze herangezogen [ÖAWV –

Arbeitsbehelf Nr.9].

Tabelle 4 Grenzwerte für Leistungskennwerte laut [ÖAWV – Arbeitsbehelf Nr.9]

Zum Vergleich mit dem zu erreichenden Leistungsgrenzwert von 2,5 ab einer Größe von

mehr als 10.000 EW kann in der ARA Mödling ein Leistungswert von 0,7 erlangt werden.

2 Energieeffizienzmaßnahmen

Bei Kläranlagen wird viel Energie an unterschiedlichen Orten verbraucht. Natürlich

gehören Anlagenteile wie Pumpen und im Besonderen die Klärschlammbelüftung zu denHauptenergieabnehmern. Aber auch das Betriebsgebäude mit seinen Heiz – und

Energiekosten, hat einen beachtenswerten Energiebedarf. Ausserdem ist auf Kläranlagen

stets die hohe Menge an verwendeten Chemikalien wie Kalk oder Eisen (III) Chlorid und

Eisen (II) Sulfat zu evaluieren.

Im Jahr 2007 wurde ein Entwicklungsplan für die Kläranlage fixiert, das EMAS-Zertifikat

erfolgte 2008. Bei den darin festgehaltenen Maßnahmen geht es um wirtschaftliche

ebenso wie energetische Verbesserungsmöglichkeiten. Die festgelegten Maßnahmen sind

aus Tabelle 5 ersichtlich.



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Tabelle 5 Umweltprogramm der Kläranlage Mödling [Umwelterklärung, 2007]

Für sämtliche elektrische Verbraucher ist vor allem die Dimensionierung ausschlaggebendfür den optimalen Arbeitspunkt und damit auch den effizientesten Einsatz. Dies soll in den

nachfolgenden Punkten für die diversen Großverbraucher ermittelt und die Sinnhaftigkeit

eines spontanen oder schleichenden Tausches im laufe der Arbeit diskutiert werden.

Dazu ist vorerst eine Betrachtung des Stromverbrauches an den unterschiedlichen

Abnehmerstellen nötig. Leider sind nicht alle Abnehmer getrennt aufgeführt, aber für die

meisten lassen sich sehr genaue Zahlen ermitteln. Leidiglich im Filterhaus kann es zu

Abweichungen in den realen Werten kommen, da hier der Stromzähler auch die Werte der

Brunnenanlage mitberücksichtigt, für die es keine genauen Abschätzungen gibt.Beispielgebend ist in Tabelle 6 der Jahresstromverbrauch des Jahres 2010 angeführt.

Ziel Maßnahme Termin Wer

Reduktion des

Kalkverbrauchs und der

damit verbundenen LKW-

zufahrten um 15-20%

Adaptierung der Kalkaufbereitung

(Brandkalk statt Hydratkalk)

31.12 Huber

Wegfall der Chemikalien (-

100%) für die

Onlinemessung der

Belebungsbecken & neue

Option f. d. Steuerung der

Belüfter

Ersatz des bestehenden

nasschemischen

Onlineanalysegerätes durch

elektrochemische Sensoren

31.12 Huber

Energieeinsparung bei der

Heizung des

Betriebsgebäudes

(Ölverbrauch -5 %)

Erneuerung der defekten

Thermostatventile auf den

Radiatoren.

31.12 Lorenz

Energieeinsparung bei der

Warmwasseraufbereitung

des Laborgebäudes (z. Zt.

nicht messbar, da keine

Subzählung, ca. -10%)

Optimierung der Gesamtanlage

(Solarteil, Wärmepumpe) durch

kleinere Umbauten.

31.12 Huber

Erhöhung der

Datensicherheit bei den

Übergabeschächten

Umbau aller Außenstationen

(alte Hardware, keine Ersatzteile

mehr beim Hersteller)

31.10 Huber

Ausbildung einer SVP Kurs für einen Mitarbeiter 30.6 Huber

Reduktion von

Problemstoffen im Zulauf *

Zusätzliche Info auf der Homepage

der ARA.

31.12 Huber /

Boeger



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Anaerobbecken

Rechen-

gebäude

R.Pump

e

Rührwerk

e

Belebungs-

becken

Nachklär

-becken

RLS

Pumpwerk

Filtergeb

.

+Brunne

n

Vorent-

wässern

g

Schlam

m-

presse

EVU

Lieferung

Gesamt-

verbrauch

Jan.2010 9.812,25 122,00 11.313,0 181.468,41 7.267,75 13.016,64 12.406,7 2.157,00 14.741,0 283.200,4 283.200,39

Feb.2010 9.261,67 109,00 7.861,00 156.299,91 6.300,95 11.196,24 11.801,9 2.432,00 7.506,00 239.052,3 239.052,33

Mar.2010 9.913,80 118,00 8.588,00 183.112,47 7.332,95 12.719,52 12.469,3 2.742,00 6.736,00 268.563,6 273.971,57

Apr.2010 8.778,96 115,00 8.265,00 177.147,70 8.911,55 14.462,40 11.597,1 2.794,00 4.882,00 260.838,6 260.838,60

Mai.2010 7.033,62 116,00 8.608,00 189.060,79 8.619,60 16.855,92 10.174,7 1.703,00 3.617,00 271.795,3 271.795,26

Jun.2010 6.411,93 112,00 8.283,00 188.380,23 8.474,25 16.719,44 10.355,7 2.273,00 3.982,00 270.274,3 270.274,29

Jul.2010 6.259,59 115,00 8.512,00 188.366,13 9.775,95 13.999,20 10.986,7 2.379,00 3.536,00 268.096,3 268.096,29

Aug.2010 6.436,50 116,00 8.478,00 189.544,89 8.521,45 14.842,48 10.379,2 1.192,00 2.991,00 266.102,1 266.102,10

Sep.2010 6.295,89 112,00 8.242,00 173.684,27 7.879,45 14.251,28 9.955,45 1.231,00 3.641,00 257.502,3 257.502,30

Okt.2010 6.070,29 118,00 8.569,00 190.497,11 8.322,30 13.528,40 10.853,7 2.138,00 4.854,00 268.657,3 268.657,29Nov.2010 5.422,56 114,00 8.300,00 205.920,16 8.124,50 11.852,32 10.358,9 1.742,00 6.074,00 278.316,7 278.316,72

Dez.2010 7.121,70 121,00 8.612,00 185.173,42 7.813,95 14.783,76 11.884,2 2.141,00 14.584,0 278.089,4 278.089,35

Min. 5.422,56 109,00 7.861,00 156.299,91 6.300,95 11.196,24 9.955,45 1.192,00 2.991,00 239.052,3 239.052,33

Max. 9.913,80 122,00 11.313,0 205.920,16 9.775,95 16.855,92 12.469,3 2.794,00 14.741,0 283.200,4 283.200,39

Summe 88.818,7 1.388,0 103.631 2.208.655 97.344,7 168.227,6 133.224 24.924,0 77.144,0 3.210488 3.215.896,5

Tabelle 6 Energieverbrauch 2010 an den Verbrauchsstellen in [kWh] [Grühbaum, 2011]

Aus der obenstehenden Tabelle sind die Hauptverbraucher leicht herauszulesen. Mit

2,2GWh Jahresverbrauch ist sind die Belüfter im Belebungsbecken mit Abstand diebedeutendsten Stromverbraucher. Mit 168MWh/a ist das RLS Pumpwerk zwar deutlich

weniger energieintensiv, jedoch der zweitgrößte Verbraucher. Dem folgt mit 133MWh/a

das Filtergebäude.

Demzufolge ist die oberste Priorität bei der Verbesserung der Energieeffizienz die

Belüftung der Belebungsbecken.

2.1 Belüftung

Bei der Klärschlammbelüftung verwendet die Kläranlage Mödling eine Stabwalze die dieOberfläche verwirbelt um Sauerstoff einzubringen. Als Richtwert kann ein Sauerstoffertrag

von 1,6 -1,9kg/kWh angenommen werden [Bretschneider H., et al, 1993 ]. Hier sollte der

Sauerstoffertrag alternativer Lösungen betrachtet werden. Im Abwasseranlagen -

Benchmarking ist die Erneuerung der Sauerstoffeinbringung eine beliebte Methode der

Energieeffizienzsteigerung. Aufgrund des hohen Grundwasserspiegels und der daraus

resultierenden geringen Tiefe der Klärbecken ist hier allerdings eine detaillierte Recherche

notwendig.

Verwendet wird ein Mammutrotor-Belüfter mit dem Elektromotor HxUR452G2V1HxK225SMB4V1 ABB – Motor – Finnland und einem Eisenbeiss-Enns Getriebe vom Typ

KGF-280/89.01.1412.



20

Der Motor ist seit 1.1.1989 in Betrieb.

Stromaufnahme: 87ASpannung: 380V

Drehzahl: 1473 rpm

Leistung 45kW

Anschluss: Dreieck

Leistungsfaktor cos ϕ: 0,84

Die Verwendung von Oberflächen – Stabbelüftern ist zwar Seitens des reinen

Sauerstoffertrags betrachtet nicht die effizienteste Lösung, bietet allerdings in Betrieb und

Wartung einige Vorteile.

In der Kläranlage Mödling wir der Sauerstoffeintrag anhand der Kennwerte Redox-

Spannung und Sauerstoffgehalt mittels an- und ausschalten der Stabbelüfter bei fixer

Drehzahl geregelt. Zur Verminderung der Blindleistung wurden

Blindleistungskompensatoren in Form von Kondensatoren installiert.

Die Blindleistung spiegelt sich im Leistungsfaktor cos ϕ wider.

Mit Hilfe der Kompensation durch Kondensatoren konnte die Blindleistung deutlich

verringert werden.

Die in der EN 60034-30 erwähnte Methode der Installation von Frequenzumwandlern kann

in der ARA Mödling bei der Belüftungsregelung keine Verwendung finden, da die Belüfter

bei konstanter Drehzahl laufen und daher keine Drehzahlregelung mittels

Frequenzumwandler brauchen.

Zu den Vorteilen der Oberflächenbelüftung zählt einerseits, dass die Belüfter jederzeit zur

Wartung zugänglich sind, ohne dass dafür in den Prozessablauf eingegriffen werden

müsste. Zu wartende Belüfter können einfach abgeschalten, und ihre Aufgabe von

anderen der insgesamt zwölf Belüfter übernommen werden.

Während Membran Tellerbelüfter und Keramik Stabbelüfter mit der Zeit verstopfen können

und aufwändige Reinigungsprozeduren angewendet werden müssen, bleibt der

Sauerstoffeintrag durch Oberflächenbelüfter über die Jahre konstant. [Rott U. et al, 2006 ]

Zudem kommt es bei Membranbelüftern mit der Zeit zu einer Verrringerung der

Rohrdurchmesser durch Silikatbildung, was im schlimmsten Fall zu völliger Verstopfung

Scheinleistung

Blindleistung

Wirkleistung

ϕ



21

führen kann, in jedem Fall aber die Effizienz maßgeblich verringert und aufwendige

Wartung notwendig macht. [Frey W., 2003 ]

Allerdings sind beim Betrieb von Oberflächenrotoren einige wichtige Punkte zu beachten.

So steigt etwa bei einer steigenden Anzahl von im Betrieb befindlichen Rotoren die Menge

an eingetragenem Sauerstoff, jedoch der Eintrag je Belüftungsaggregat sinkt. Ebenso

steigt der Energieeintrag insgesamt, was letztendlich zu einer Verringerung des

Sauerstoffertrags- und Ökonomiewertes führt [Passevant Roediger Products ].

Ähnliche Auswirkungen hat die Verringerung des Abstands zwischen den Rotoren. Mit

Drehzahlsteigerung kann man die Energieaufnahme erhöhen, jedoch über wiegt die

Steigerung des Sauerstoffeintrages.Im Allgemeinen (und auch in der ARA Mödling) werden Rotoren mit einer Drehzahl von

72rpm betrieben [Passevant Roediger Products ].

Zusätzliche Verbesserungen in der Sauerstoffaufnahme können nur durch zusätzliche

Einbauten erreicht werden. In dem Zusammenhang haben sich Leitschilde bewährt, die

stromab vom Rotor positioniert zu einer Erhöhung des Sauerstoffeintrages um bis zu 30%

führen können [Passevant Roediger Products ].

Zusammenfassend kann gesagt werden, dass Oberflächenbelüfter unter Betracht aller

Parameter (Investition, Wartung und Betriebskosten) besser sind als ihr landläufiger Ruf.Gerade für die Erreichung so geringer Sauerstoff-Werte von 0,5-0,7mgO2 /l in der ARA

Mödling können sie optimal eingesetzt werden.

Aus diesem Grund soll in erster Instanz das Potential energieeffizienterer Antriebe für die

Oberflächenbelüftung erhoben werden, und erst in zweiter Instanz ein Vergleich mit

anderen gängigen Belüftertypen angestrebt werden.

2.1.1 Antriebe

Erster Ansatz zur Effizienzverbesserung ist die Optimierung des Motorblockes. Dazu

wurden bereits erste Maßnahmen ergriffen, Blindleistungskompensatoren wurden zur

Minimierung der Blindleistung installiert. Informationen über das durchschnittliche

Drehmoment am Antriebsarm sollen eine Anpassung des verwendeten Motors

ermöglichen.

Seit Anschaffung der Motoren im Jahr 1989 ist das Bewusstsein für Energie massiv

gestiegen. Demzufolge wurden neuere, effizientere Elektromotoren entwickelt.

Hier ist auch die Europäische Norm EN 60034-30 zu erwähnen, in der die neuen

Energieeffizienzklassen für Niederspannungsmotoren geregelt sind.

Eine Gegenüberstellung der Energieeffizienzklassen ist in Abbildung 3 dargestellt.



22

Abbildung 3: Energieeffizienzklassen in der EU [Energieratgeber Schweiz, 2011]

Bisher wurden Niederspannungs-Drehstrommotoren in die Wirkungsgradklassen EFF3,

EFF2 und EFF1 eingeteilt. Es gab allerdings Unterschiede in den Nationalen Normen,

deswegen definiert und harmonisiert die neue Norm IEC 60034-30 nun weltweit die

Wirkungsgradklassen IE1, IE2 und IE3 für Niederspannungs-Drehstrommotoren.

Es wurden im Rahmen dieser Norm ebenfalls neue Verfahren zur Messung des

Wirkungsgrades von Niederspannungs-Drehstrommotoren eingeführt. Die neue Norm führt

zu einer deutlich erhöhten Genauigkeit unter definierten Laborbedingungen. Zudem wurde

der Leistungsbereich auf 0,75 bis 375kW erweitert und die Erwähnung der

Wirkungsgradklasse sowie des Wirkungsgrades in % auf dem Typenschild ist

verpflichtend.

Mittlerweile ist die Verordnung (EG) Nr. 640/2009 vom 22. Juli 2009 in Kraft getreten.

Damit wird es in Europa erstmals verbindliche Regelungen für Motoren und den Einsatz

von Frequenzumrichtern geben.

Sie schreibt folgendes vor:

ab 16.06.2011 müssen Motoren (0,75 kW - 375 kW) mindestens dem Wirkungsgrad IE2

entsprechen.

ab 01.01.2015 müssen Motoren (7,5 kW - 375 kW) mindestens IE3, oder IE2 mit

Frequenzumrichter entsprechen.

ab 01.01.2017 müssen Motoren (0,75 kW - 375 kW) mindestens IE3, oder IE2 mit

Frequenzumrichter entsprechen [Energieratgeber Schweiz, 2011].



23

Abbildung 4: Wirkungsgrade von E-Motoren innerhalb der neuen Effizienzklassen IE1 bis IE3

[Energieratgeber Schweiz, 2011]

In Abbildung 4 erkennt man, dass die 4-polige Maschine einen besseren Wirkungsgrad als

die 2- oder 6-polige Maschine hat.

Dem gegenüber gestellt stehen die Werte der alten Effizienzklassen EFF1 bis EFF3.

Wichtig zu erwähnen ist hier, dass die alten Effizienzwerte anders ermittelt wurden. Die

Zusatzverluste werden nicht mehr pauschal mit 0,5% angenommen, sondern gemessen

[IEC 60034-2-1; 2007], darum ist beim Vergleich sind alte Werte nach neuer Messmethode

um 0,3 bis 0,7 Prozentpunkte schlechter zu bewerten. [CEMEP, 2005 ]Beispielhaft ist Abbildung 5 der Firma Siemens, aber auch ABB hat diese Größenordnung

der Abweichung bestätigt. [Sahanek, M. 2011]

Abbildung 5: Vergleich neuer und alter Messmethoden bei IE2 bzw. EFF1 Motoren [SIEMENS,2010 ]



24

Im Vergleich zu den neuen Effizienzwerten sind in der folgenden Abbildung die die

Effizienzwerte der Normen EFF2 und EFF1 zu sehen.

Abbildung 6: Typische Wirkungsgrade der Effizienzklassen EFF1 bis EFF3 [Energieratgeber Schweiz, 2011]

Unter Annahme folgender Werte für den Motor HxUR452G2V1 HxK225SMB4V1

Stromaufnahme 87A

Spannung 380V

Drehzahl 1470rpm

Leistung 45kW

Leistungsfaktor cos ϕ 0,84

Wirkungsgrad 92,6 % (entspricht etwa 93,2% nach alter Meßmethode, siehe Anhang A)



25

kann im Vergleich mit dem modernen Motor der Firma TEE, ARCELIK QH225M4 mit den

Werten

Spannung 400V

Drehzahl 1481rpm

Leistung 45kW

Leistungsfaktor cos ϕ 0,84

Wirkungsgrad 95 %

eine Energieeinsparung von rund 2,3% und damit rund 4,3 MWh/Jahr und Antrieb erreicht

werden. Bei 12 Antrieben ergibt sich daraus eine Energieeinsparung von rund 52 MWh/a.

Rechnet man mit einem Energiepreis von 7 Cent/kWh ergibt sich daraus eine Ersparnis

von 3600€/Jahr. Bei einem Motorkaufpreis von 1700€ (GKS Motors) errechnet sich daraus

eine Amortisationszeit von etwa 5,6 Jahren.

Abbildung 7: Berechnung der Stromersparnis bei Tausch eines ABB Motors durch den Motor

ARCELIK QH225M4

Natürlich erfolgte diese bestenfalls überschlagsmäßige Berechnung noch ohneEinbeziehung der tatsächlichen Last und damit ohne den Antrieb für den Bedarf zu

optimieren.



26

Zur Berechnung verwendet wurde das TOOL EuroDEEM, Version 1.0.17 herausgegeben

am 26.Juni 2007, vom Joint Research Center der Europäischen Kommission [EuroDEEM,

2007 ]

Um die tatsächliche Last einbeziehen zu können, müsste eine durchgehende Messung

des Drehmoments am Antrieb vorgenommen werden.

Aus Kostengründen wurde auf diese Maßnahme jedoch verzichtet.

Um auf das mittlere Drehmoment zu kommen wurde über den Stromverbrauch auf die

mittlere Motorleistung zurückgerechnet. Dabei wurden im Jahresverlauf des Jahres 2010

trockene sowie niederschlagsreiche Monate berücksichtigt.

Natürlich ist es mit dieser Methode absolut unmöglich auf die Lastspitzen im Tagesablauf

(e.g. Platzregen) einzugehen, bei denen es nicht gelang den Wasserstand und damit die

Last konstant zu halten.

Über die Monate gemittelt ist es allerdings möglich auf eine durchschnittliche Leistung

rückzuschließen.

In der nachfolgenden Tabelle sind die Berechnungsgrundlagen für die monatliche

Durchschnittsleistung der Belüftermotoren zu sehen. Die kWh Verbrauch des Rührwerks

sind angegeben, da sie vom dem Gesamtverbrauch subtrahiert werden müssen. Der

daraus resultierende Verbrauch der Belüftermotoren [kWh] wird dann durch dieGesamtbetriebsstunden der Belüftermotoren [h] dividiert um auf die

Durchschnittsbetriebsleistung [kW] zu kommen.

h Belüfter

kWh

Rührwerk

ges.

Verbrauch

kWh kW Belüfter

Jänner 4326,08 3814,24 181.468,41 41,07

Feburar 3761,2 3539,64 156.299,91 40,61

März 4342,51 3753,04 183.112,47 41,30

April 4218,55 3811,5 177.147,70 41,09

Mai 4466,12 3641,94 189.060,79 41,52

Juni 4551,18 3109,32 188.380,23 40,71

Juli 4563,58 3402,62 188.366,13 40,53

August 4552,41 3503,3 189.544,89 40,87

September 4497,23 3316,24 173.684,27 37,88

Oktober 4415,69 3713,46 190.497,11 42,30

November 3999,99 3004,64 205.920,16 50,73

Dezember 3544,78 3422,32 185.173,42 51,27

Tabelle 7 Berechnung der durchschnittlichen Leistung mittels Gesamtverbrauch in kWh und

Betriebsstunden der Belüftermotoren.



27

Diese Durchschnittsleistung ist natürlich nur grob überschlagsmäßig, ist allerdings in der

Lage auf den gewöhnlichen Motorbetriebspunkt zu verweisen.

Aus der gemittelten Leistung von 41kW lässt sich mit der Formel:

Leistung [W]= Drehmoment [Nm] x Drehmoment [rad/s]

Umgewandelt in Drehmoment [Nm]= 9550x (Leistung [kW]/Drehzahl [rpm]) folgendes

Durchschnittsdrehmoment berechnen:

Durchschnittsdrehmoment = 9550x 41kW/1473rpm = 265,81Nm

Nenndrehmoment= 9550x 45kW/1473rpm= 291,7Nm

Abbildung 8 typische Motorkennlinie eines Niederspannungs-Asynchronmotors [Elektromotor.at]

Wie in Abbildung 8 zu sehen, liegt das Kippmoment MK deutlich über dem

Nennkennmoment MN, was die höheren Werte für die Monate November und Dezembererklärt. Eine Verringerung des Nenndrehmomentes ist also nicht empfehlenswert, da sich

der Motor sonst über lange Zeit über dem optimalen Betriebspunkt bewegen würde.

2.1.2 Regelung und Betriebsführung

Eine andere Herangehensweise an die Verbesserung der Energieeffizienz ist die

Regelung der Belüftung. Zu diesem Thema wurde im Februar 2008 ein FuE-Projekt von

Dr.-Ing. Ralf Tschepetzki und DI (FH) Ingolf Seick veröffentlicht, die mit mathematischen

Modellen arbeitet [Balzert H., 2005 ].

An der Beispielanlage konnte Belüftungsenergie bei geringeren O2-Konzentrationen in den

vorderen und dafür höheren O2-Konzentrationen in den hinteren Beckenabschnitten



28

gespart werden, ohne die N-Elimination zu beeinträchtigen. […] Der Luftverbrauch ging um

bis zu 15% zurück, was einer jährlichen Reduzierung der CO2-Emission um ca. 1 Mio kg

CO2-Äquivalent entspricht [Tschepetzki, R., Seick I., 2008 ].Da dieses System auf einem Kläranlagensystem mit Druckluft und einem längs

durchlaufenen Kaskadenbecken entwickelt wurde, ist die Implementierung des

wissenschaftlichen Ansatzes in die ARA Mödling ausgesprochen schwierig und das

Ergebnis ist ungewiss.

Aus diesem Grund wäre es von Vorteil sich einem der Regelungssysteme

unterschiedlicher Anbieter zu widmen, die sich mit dem Thema Belüftungsregelung und

Energieeffizienz beschäftigen. Besonders die Einbeziehung weiterer Parameter,

beispielsweise pH- Wert oder NH4 als Regelgröße sind in anderen Anlagen in der Lagegewesen den Stromverbrauch der Belüftung zu verringern. Onlinemessungen für diese

Parameter sind auf der ARA Mödling installiert und müssen lediglich in die Steuerung

einbezogen werden.

Zudem kann durch Änderungen im Betrieb der Anlage Energie eingespart werden.

Dazu gibt es durchaus erwähnenswerte Sofortmaßnahmen.

Zu den Sofortmaßnahmen zählt die Verringerung der Trockensubstanz im

Belebungsbecken.Die Trockensubstanz hat einen direkten Einfluss auf den Sauerstoffverbrauch.

Abbildung 9: Einfluss des Trockensubstanzgehaltes auf den Sauerstoffbedarf und damit indirekt auf

den Energiebedarf im Belebungsbecken [Siekmann, Jakob, 2008 ]

Momentan werden die Belebungsbecken mit einem Trockensubstanzgehalt von etwa 5-

5,5g/l bestückt. Mit einer Verringerung auf 4g/l könnte der Sauerstoffbedarf um 10%



29

verringert werden, was zu einer direkten Verringerung des Strombedarfs führen würde.

Diesem Vorgehen ist aber durch die simultane Stabilisierung in der Kläranlage Mödling der

Riegel vorgeschoben. Eine Verringerung der Trockensubstanz, und damit eineVerringerung des Sauerstoffgehalts, würde zu einer verringerten Stabilisierungsleistung

und damit zu vermehrtem Klärschlammanfall führen. Es handelt sich hier bei der

Verfahrensführung der simultanen Stabilisierung um ein labiles Gleichgewicht – ein

vermehrter Klärschlammanfall könnte die Nachklärbecken überfordern. Zudem würde eine

Erhöhung des Klärschlammanfalles die Entsorgungskosten in die Höhe treiben.

Zu den zusätzlichen Regelparametern gehört der pH-Wert.

Untersuchungen haben gezeigt, dass der pH-Wert für die Nitrifikation ganz entscheidend

ist. Das Puffersystem im aquatischen Milieu ist das Kohlesäuresystem. Da die Bestandteiledes Kohlensäuresystems und der pH-Wert sich wechselseitig beeinflussen, besteht über

den pH-Wert ein direkter Zusammenhang zur Nitrifikation. So fordern einschlägige

Bemessungsgrundlagen leicht alkalische pH-Werte und eine Mindestkonzentration an

Säurekapazität von 1,5mmol/l. Durch tiefere Belebungsbecken, effizientere

Belüftungssysteme oder den Einsatz von Metallsalzen als Fällmittel werden das

Kohlensäuresystem und der pH-Wert negativ beeinflusst [Schönherr, F. 2009 ].

Im Fall der ARA Mödling sind hier am ehesten die Metallsalze ausschlaggebend. So kann

es positive Auswirkungen auf die Nitrifikation haben den pH- Wert zu kontrollieren und

konstant im leicht alkalischen Bereich zu halten, und damit eine Verringerung desSauerstoffbedarfes und damit einen verminderten Energiebedarf der Belüfter erzielen zu

können.

Eine weitere Regelgröße könnte der NH4-Parameter darstellen. Diese Regelung kann

besonders rasch eingeführt werden, da diese Messung in der ARA Mödling schon online

durchgeführt wird. Bis jetzt wurde dieser Wert allerdings noch nicht als Regelgröße

verwendet. Hier wäre der Einsatz gängiger, oder maßgeschneiderter Regelungssoftware

zu empfehlen und die Investitionskosten würden sich in einem vertretbaren Rahmen

halten.Generell muss aber erwähnt werden, dass sich der O2-Gehalt mit 0,5-0,7mg/l im Vergleich

mit anderen Anlagen ohnehin schon auf sehr niedrigem Niveau befindet und Einsparungen

daher nur gering ausfallen werden.

2.1.3 Alternative Belüfter

Unter Betrachtung der geringen potentiellen Einsparung von maximal 2,5% mit

effizienteren Antrieben soll in diesem Punkt auch alternative Belüftungsmethoden

angeführt werden.



30

Die wichtigsten Belüftersysteme werden nach der Art des Lufteintrages wie folgt

unterschieden:

Druckbelüfter blasen verdichtete Luft über Belüftungskörper meist am Beckenboden in dasWasser ein.

Mechanische Oberflächenbelüfter tragen durch Kreisel oder durch Walzen an der

Wasseroberfläche Luft ein.

Strahldüsenbelüfter mischen Luft intensiv mit dem aus dem Belebungsbecken

angesaugten Abwasser [Bretschneider H., et al, 1993 ]

Bei der Druckluftbelüftung stehen unterschiedliche Verfahren, darunter

Membranrohrbelüfter, Membran Tellerbelüfter oder Keramikscheibenbelüfter zur

Verfügung.

Generell kann bei der Druckbelüftung auch nach der Blasengröße unterschieden werden.

Sauerstoffzufuhr in g/m³m Sauerstoffertrag in kg/kWhArt der

Belüftung Günstig mittel günstig mittel

feinblasig 10 8 1,8 1,3

Mittelblasig 5,5 4,5 1,1 0,8

grobblasig 4,5 4,0 0,9 0,7

Stabwalze 1,6-1,9 1,4-1,9

Kreisel 1,8-2,2 1,3-1,8

Tabelle 8: Sauerstoffzufuhr und Sauerstoffertrag bei unterschiedlichen Belüftungsarten

[Bretschneider H., et al, 1993 S 902-903]

Wie der obenstehenden Tabelle zu entnehmen ist, sind feinblasige Druckbelüfter zwar

durchaus in der Lage mit der Energieeffizienz von Oberflächenbelüftern mitzuhalten,

sobald allerdings die Bläschengröße zunimmt, sind mechanische Oberflächenbelüfter klar

im Vorteil. Der momentane Sauerstoffeintrag in das Becken beträgt 0,5-0,7mg/l O2, ein im

Vergleich zu anderen Anlagen ausgesprochen geringer Wert.

Interessant ist nun die Abschätzung mit welchem Energieverbrauch andere Technologien

diesen Wert erreichen können.

Da eine detaillierte Berechnung der einzusparenden Energie den Rahmen dieser

Diplomarbeit sprengen würde, sind auf den nächsten Seiten einige gängige Fabrikate und

ihre Kennlinien, beziehungsweise ihr O2 Eintrag in kgO2/kWh gegenübergestellt.

Grundsätzlich sei allen angeführten Technologien aber vorangestellt, dass das

Belebungsbecken der ARA Mödling nur 3m Beckentiefe hat, was zu massiver

Verschlechterung der O2-Aufnahme führt.

Beispielgebend sein hierfür die Grafik der Firma ITT Wastewater Treatment angeführt.



31

Abbildung 10: ITT Wastewater Treatment Leistungskurve des EPDM Druckluft Moduls Silver SeriesII bei 3-,4-,5 und 6m Eintauchtiefe [ITT Wastewater Treatment, 2010]

Wie in Abbildung 10 zu sehen ist, liegen die Werte der SOTE (Standard Oxygen Transfer

Efficiency) bei 4m Eintauchtiefe etwa 7 Prozentpunkte über jenen für 3m Eintauchtiefe.

Ein weiteres, mehrfach zitiertes Problem der Druckbelüfter ist die Effizienzabnahme mit der

Zeit. Innerhalb der letzten Jahre haben sich mehrere Forschungsprojekte mit diesem

Thema beschäftigt. Zu den großen Problemen gehören Materialschwächen an Membranen

die zu Mikrorissen führen und dadurch die Feinblasigkeit nicht mehr garantieren können,

wodurch der Sauerstoffeintrag massiv verringert wird [Rott U. et al, 2006 ]. Sowohl Anbieterals auch Betreiber von Kläranlagen stehen vor dem Problem die Auswirkungen von

Produktänderungen bei Belüftungselementen (z.B. Schlitzlänge/breite, Schlitzabstände)

auf den Sauerstoffeintrag kgO2 /h] sowie den Sauerstoffertrag [kgO2 /kWh] und damit auf

den Energieverbrauch nicht abschätzen zu können [Urban et al.].

Während also generell in den ersten Jahren nach der Installation die Energiekosten für

Druckbelüfter deutlich günstiger sind, als die für Oberflächenbelüfter, sind durch höhere

Wartungskosten sowie Effizienzverluste und geringere Haltbarkeit die Betriebskosten

beider Systeme über die Zeit vergleichbar.Zusammenfassend können die Vor- und Nachteile der verschiedenen Belüftermethoden in

Tabelle 9 betrachtet werden.



32

Tabelle 9 Stärken und Schwächen von Belüftungssystemen [Frey W., 2003 ]

Zum Vergleich zu den alternativen Belüftungsformen ist in Abbildung 11 der

Zusammenhang zwischen Sauerstoffeintrag, Sauerstoffertrag und Eintauchtiefe bei

Oberflächenbelüftung mit Stabwalzen zu sehen.

Abbildung 11: Zusammenhang zwischen OC, P, Op und Eintauchtiefe von Mammutrotoren (nach

einer Firmenschrift der Fa. Passavant) [Frey W., 2003 ]



33

In der Abbildung ist deutlich zu sehen, dass bei höherer Eintauchtiefe zwar die Leistung

massiv zunimmt (rote Linie) das heißt wesentlich mehr Energie verbraucht wird, der

Sauerstoffeintrag/kWh bleibt allerdings gleich. Daraus kann also geschlossen werden,dass die Eintauchtiefe sich zwar auf den Sauerstoffgehalt auswirkt, jedoch nur indirekt auf

den Stromverbrauch, da mit dem höheren Stromverbrauch auch im gleichen Maß mehr

Sauerstoff eingebracht werden kann.

Membranrohrbelüfter

Membranrohrbelüfter zählen zu den feinblasigen Druckbelüftern, bei denen die

Sauerstoffzufuhr über eine poröse Membran oder eine geschlitze Kunststofffolie erfolgt. Es

wird eine Blasengröße von wenigen Millimetern erreicht.

Bei den Membranrohrbelüftern handelt es sich um eine schlauchförmige perforierte

Membran gewünschter Länge die mittels Kompressor mit Druckluft oder je nach Verfahren

mit reinem Sauerstoff versorgt wird. In Kläranlagen wird für gewöhnlich eher die günstigere

Belüftung mit Druckluft gewählt.

0

1

2

3

4

5

6

7

8

0 5 10 15

Luftvolumenstrom in Nm³/h

O 2 E r t r a g i n k

g / k W h

4m Tiefe

3m Tiefe

Abbildung 12: a) ENVICON Membranrohrbelüfter Typ EMR, technische Daten gemessen nach ATV

M209 (Reinwasser, Wassertiefe 4m, gemittelt über eine Belegungsdichte von 0,8-1,2mBEL/m²), b)Abschätzung des O2 Ertrages bei 3m Tiefe lt. Abbildung 10 [Envicon, 2009 ]

Wie in Abbildung 12 zu sehen, können Membranrohrbelüfter bei Reinwasser und 3m Tiefe

einen Sauerstoffertrag von 2,1kg O2 /kWh bis zu 3,5kg O2 /kWh erreichen, im Vergleich zu

den konstant knapp 2kg O2 /kWh der Oberflächenstabbelüfter.

Membranscheibenbelüfter

Für Membranscheibenbelüfter gilt dasselbe Prinzip wie für Membranrohrbelüfter, die

Membran ist allerdings nicht schlauchförmig, sondern ist ähnlich wie bei einer Gießkanne

über einem tellerförmigen Düsenkopf befestigt.



34

0

1

2

3

4

5

6

7

8

0 5 10 15


O 2 E r t r a g i n k g / k W h

4m Tiefe

3m Tiefe

Abbildung 13: ENVICON Membranscheibenbelüfter Typ EMR, technische Daten gemessen nach

ATV M209 (Reinwasser, Wassertiefe 4m, Belegungsdichte von 1,1mBEL/m²) [Envicon, 2009 ] b)

Abschätzung des O2 Ertrages bei 3m Tiefe lt. Abbildung 10

Sie können bei Reinwasser einen Sauerstoffertrag von 1,8kg O2 /kWh bis ebenfalls 3,5kg

O2 /kWh erreichen, im Vergleich zu den konstant knapp 2kg O2 /kWh der

Oberflächenstabbelüfter.

Keramikscheibenbelüfter

Keramikscheibenbelüfter funktionieren ähnlich wie Membranscheibenbelüfter, allerdingsgibt es hier keine Membran, sondern stattdessen ein poröses Keramikmaterial, durch das

die Luftbläschen bei angelegtem Druck entweichen können.

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

3,5

4

4,5

0 5 10 15


O 2 E r t r a g i n k g / k W h

4m Tiefe

3m Tiefe

Abbildung 14: ENVICON Keramikscheibenbelüfter Typ EMR, technische Daten gemessen nach

ATV M209 (Reinwasser, Wassertiefe 4m, Belegungsdichte 1,1 St EKS/m²) [Envicon, 2009 ] b)

Abschätzung des O2 Ertrages bei 3m Tiefe lt. Abbildung 10



35

Beim Vergleich der drei Kennlinien fällt ins Auge, dass die beiden Membranbelüfter sehr

ähnliche Kennlinien aufweisen. Der Keramikbelüfter hat eine schlechtere Energieeffizienz

im Vergleich mit den Membranbelüftern.Die Werte des Oberflächenbelüfters von im Schnitt 2kgO2 /kWH werden von allen drei

Belüftervarianten deutlich (1,8-3kgO2 /kWh bei Keramikscheibenbelüftern, bei

Membranbelüftern sogar 1,8 -3,5 kgO2 /kWh) überstiegen. Die Ergebnisse für alle drei

Druckbelüfter wurden allerdings nicht unter Arbeitsbedingungen gemessen, sondern im

Reinwasser, wo im Betrieb anfallende Verstopfungen durch Ablagerungen an der

Membran sowie Verringerungen des Rohrdurchmessers durch Silikatablagerungen [Frey

W., Thonhauser C.,2003 ] nicht anfallen. Bei den Mammutrotoren gelten diese 2kg O2 /kWh

allerdings auch unter Arbeitsbedingungen.

Mögliche Einsparung an Energie pro Jahr bei einer erreichten Effizienz von 2,3kg/kWhergibt im Vergleich zu den 2kg/kWh der Stabwalzen einen jährlichen Energieverbrauch von

1,74GWh/a, also damit eine Einsparung von 261 MWh/Jahr. Das ergibt eine jährliche

Einsparung von 18.300€/a.

Zusammenfassend kann gesagt werden, dass aufgrund der Beckengeometrie, also der

Beckentiefe von 3m, Druckbelüfter ihre Vorteile nicht entfalten können. Bei einer so

geringen Tiefe sind Oberflächenbelüfter empfehlenswerter, zumal diverse Probleme mit

der Haltbarkeit und Wartung von Druckbelüftern bekannt sind. Tiefenbelüfter sind also

wirklich nur in sehr tiefen Becken empfehlenswert in denen ihre Belüftungseffizienz voll

zum Einssatz kommen kann und damit auch die zu erwartenden Schwierigkeiten in derWartung und Erhaltung des Systems überwiegt.

Wenn die Stabwalzen zur Belüftung behalten werden, dann muss an der Auslegung nicht

mehr geschraubt werden. Es werden ohnehin immer nur jene Belüfter betrieben, die

gerade benötigt werden.

2.2 Pumpen

Bei Betrachtung des generellen Stromverbrauches fällt nach der Belüftung des

Belebungsbeckens noch das Rücklaufschlamm (kurz RLS) Pumpwerk mit dem

Überschussschlamm aus den Nachklärbecken ins Belebungsbecken rückgeführt wird auf.

Hierzu sind zwei Rücklaufschnecken mit einem Motor vom Typ KA3225M-BB-014-051 mit

Baujahr 1989 im Einsatz, sowie eine Kompaktschnecke mit dem E-Motor DKF 180M250-4-

P, ebenfalls aus dem Jahr 1989.

Die Kompaktschnecke hat ein maximales Fördervolumen von 280l/s, während die

Rücklaufschnecken beide ein maximales Volumen von 800l/s befördern.

Die beiden Rücklaufschnecken werden im Wochenrhythmus gewechselt um die

Laufzeitstunden auf beide Schnecken aufzuteilen, die Kompaktschnecke ist in der Lage

die Grundlast bei trockenem Wetter abzudecken. Erst bei Fördervolumen über 280l/s wird

die Rücklaufschnecke dazugeschaltet.



36

Da es sich um ein Mischwassersystem mit zum Teil hoher hydraulischer Last handelt, ist

diese hydraulische Auslegung nötig.

DKF 180M250-4-P

Baujahr 1989

Stromaufnahme 35A

Spannung 380V

Drehzahl 1465rpm

Leistung 14,4 kW

KA3225M-BB-014-051

Baujahr 1989Stromaufnahme 85A

Spannung 380V

Drehzahl 1470rpm

Leistung 45kW

Generell ist die Beförderung von Rücklaufschlamm mittels Schnecken die gängigste

Vorgehensweise in Klärwerken. Die guten Wirkungsgrade ebenso wie die Tatsache dass

Schneckenpumpen nicht verstopfen macht sie zu idealen Rücklaufschlamm - Pumpen.

Zudem ist die schonende Beförderung der Belebtschlamm-Flocken zu erwähnen. Beigewöhnlichen Rotationspumpen würden die Flocken zerstört werden.

Von SIEMENS werden zwei verschiedene Schneckenpumpen angeboten.

Die Schneckenpumpe Externalift und die Rohrschnecke Internalift. Bei beiden ist das

Prinzip das gleiche, das einer achimedischen Schraube, allerdings sind die Internalift

Pumpen aussen verkleidet, was zu einem besseren Wirkungsgrad ( bis zu 85%) auch in

steilem Gelände bis zu 45° Steigung führt. Für die Schneckenpumpe Externalift gibt

Siemens einen Wirkungsgrad von 75% an. Hier ist allerdings zu erwähnen, dass bei

beiden Pumpen der Wirkungsgrad bei 36°und 45°Stei gung angegeben ist.

Bei den geringen zu überwindenden Steigungen in der ARA Mödling macht sich allerdingsder Effizienzunterschied dieser beiden Pumpen kaum bemerkbar.

Hier ist also keine Systemanpassung möglich.

2.3 Pressen

Die ARA Mödling verwendet für die Klärschlammentwässerung eine Kammerfilterpresse im

diskontinuierlichen Betrieb.

Mit ihr wird im Betrieb der ARA Mödling ein Entwässerungsgrad von 34% Trockensubstanz

erreicht. Jährlich verbraucht die Kammerfilterpresse etwa 130MWh an elektrischer

Energie.



37

Daraus kann der Stromverbrauch pro Tonne ausgetriebenen Wassers errechnet und mit

anderen Technologien verglichen werden.

Zu den Werten der Literatur kann erwähnt werden, dass oft Referenzwerte aus derPapierindustrie herangenommen werden, wobei Klärschlämme schlechter zu entwässern

sind, als Papierschlämme [Strassegger J., 2011].

Bei 7000t Klärschlamm mit 34% TS nach der Entwässerung jährlich und einer TS von 7%

vor Entwässerung kommt man auf 5kWh/t H2O.

7000t mit 34% TS bestehen aus 2380t TS und 4620t H2O

Klärschlamm mit 2380t TS und 7% TS muss eine Masse von 34.000t haben, davon 31620t

H2O. Im Laufe der Entwässerung werden also 27.000t H2O ausgetrieben, was zu einer

Energieausbeute von 4,8kWh/tH2O, beziehungsweise 4kWh/m³ zu trocknendenKlärschlammes führt.

In der ARA Mödling werden also unter Zugabe von 100kg Kalk/t TS und 45kg/t

Eisen(III)Chlorid und 4kWh/m³ 34% Feststoffgehalt erreicht.

In der Literatur werden geringere Werte für Filterpressen genannt.

So kann laut Bretschneider et. al mit Zugabe von 20-70kg/t Eisenchlorid und 80-120kg/t

Kalk unter einem Energieaufwand von 2-3kWh/m³ ein Feststoffgehalt von 40-50% erreicht

werden [Bretschneider H., et al, 1993 ]

Unter diesen Bedingungen würde die ARA Mödling bei 100kg Kalk/t Trockensubstanz etwa

etwa 5000t Klärschlamm mit knapp 50% TS/Jahr erhalten. Ausserdem würde dieserBetrieb bei 2kWh/m³ und 34.000m³ Schlammeinsatz/ Jahr zu einer Stromersparnis von

75MWh/Jahr, bei 3kWh/m³zu einer Stromersparnis von immerhin noch 30MWh/Jahr

führen.

Damit wäre die Stromersparnis trotz wesentlich geringerem Energieverbrauch mit der

Stromersparnis durch effizientere Belüfterantriebe vergleichbar.

Der Vergleich mit anderen Technologien in der Literatur gibt Werte von 1kWh/m³ bei

Siebbandpressen bei 50-200g Polyelektrolyt als Flockungsmittel und bis zu 30% TS an.

Die würde eine Einsparung von knapp 100MWh gegenüber dem aktuellen Betriebbedeuten. Bei der kontinuierlich betriebenen Zentrifugation kann laut Literatur ebenfalls mit

einem Energiebedarf von 2kWh/m³ gerechnet werden, was zu ähnlichen Werten führt, wie

die ideale Filterpresse aus der Literatur [Bretschneider H., et al, 1993 ].

3 Klärschlammnutzung

Auf der Kläranlage Mödling fallen jährlich ca. 6000 bis 8000 Tonnen gepressterKlärschlamm an. Dieser Klärschlamm kann zu 15% landwirtschaftlich verwertet werden,

die restlichen 85% werden einer Kompostierung zugeführt [Stadtgemeinde Mödling, 2011] .



38

Um die energetische Verwertung von Klärschlamm möglich zu machen ist ein bestimmter

Trocknungsgrad unumgänglich. Der Bedarf an Trockensubstanz je nachVerfeuerungsverfahren unterschiedlich. In der folgenden Abbildung kann eine beispielhafte

Abhängigkeit der Klärschlammverbrennung vom Trocknungsgrad visualisiert werden.

Abbildung 15 Abhängigkeit der energieautarken Prozessführung bei der Klärschlammverbrennung

von Wassergehalt und Heizwert [Thomé- Kozmiensky, Karl J, 1994 ]

Um eine selbstgängige Verbrennung des Klärschlammes zu erreichen, muss der Heizwert

des Klärschlammes über dem Energiebedarf zum Verdampfen des Wasser im

Klärschlamm liegen. In der Praxis liegt die Grenze für eine selbstgängige Verbrennung bei

einem Heizwert von 5000 kJ/kg. In Abhängigkeit vom Organikgehalt und den eingesetzten

Polymeren wird dieser Heizwert bei einem TS-Gehalt von etwa 40% erreicht [Thomé-

Kozmiensky, Karl J, 1994 ].

Zur Verringerung des Wasseranteils des Klärschlammes gibt es viele unterschiedliche

technische Verfahren.

Es gilt zwischen der (mechanischen) Entwässerung und der (thermischen) Trocknung von

Klärschlamm zu unterscheiden.

Die Grenze und Wirtschaftlichkeit dieser Verfahren ist in folgender Abbildung zu sehen.



39

Abbildung 16 Auswirkungen der Schlammwasserentfernung [ATV, 1996 zitiert in

Abwasserentsorgung, 2010 ]

Es ist also ganz deutlich zu sehen, dass die ersten Entwässerungsschritte kaum Energie

benötigen, während die spätere Entwässerung und vor allem dann ab der Trocknung

wesentlich mehr Energie bedarf und damit auch schnell unwirtschaftlich wird.

3.1 Klärschlammtrocknung

Alle Verfahren der Klärschlammtrocknung verdampfen das im Klärschlamm enthaltene

Wasser durch externe Energiezufuhr. Die erzielbaren Entwässerungsgrade durch

mechanische Verfahren der Klärschlammentwässerung sind begrenzt. Eine weitergehende

Entfernung des Schlammwassers lässt sich nur durch thermische Verfahren erreichen.

Für die Verdampfung von 1t Wasser ist folgende Energiemenge nötig:



40

Abbildung 17: Spezifischer Energiebedarf für die Verdampfung von 1t Wasser [Melsa et.al 1999 ].

Von den thermischen Verfahren finden bestimmt am häufigsten Wirbelschichttrockung und

Drehetagenöfen ihre Anwendung, aber auch Etagenöfen und Kombinationsverfahrenkönnen eingesetzt werden [Thomé- Kozmiensky, Karl J, 1994 ]. Ein neueres Verfahren

stellt die solarthermische Trocknung des Klärschlammes dar. In Tabelle 10 ist eine

Übersicht über den Energiebedarf der unterschiedlichen Thermischen

Trocknungsverfahren dargestellt.

Tabelle 10 Spezifischer thermischer Energiebedarf thermischer Trocknungsverfahren für

Klärschlamm [Fischli, Zweifel, 2004 ]

Einige der oben genannten Verfahren sollen in den nachfolgenden Kapiteln näher

beleuchtet werden.

3.1.1 solare Trocknung

Die solare Trocknung ist eines der neueren Verfahren der Klärschlammtrocknung.

In unseren Breiten liefert die Sonne jedes Jahr 1000 bis 1100kWH/m² in Form direkter und

diffuser Globalstrahlung [Bundesverband PHOTOVOLTAIC AUSTRIA, 2011].

Diese Strahlungsenergie wird in der thermosolare Klärschlammtrocknungsanlage zur

Erwärmung des zu trocknenden Klärschlammes genutzt, wodurch der innere

Wasserdampfdruck im Klärschlamm ansteigt. Durch den Wasserdampfdruckanstieg im

Schlamm, steigt das Dampfdruckgefälle zwischen Schlamminnerem und der

Umgebungsluft, sodass es zu einem natürlichen Druckausgleich, derWasserdampfdiffusion vom Schlamminneren in die Umgebungsluft kommt [Strassegger J.

Technisches Büro ].



41

Dazu wird eine transparent überdachte Halle, ähnlich einem Gewächshaus, auf einer

geteerten Fläche errichtet – Ventilatoren befördern dann die wasserdampfgesättigte Luft

aus der Anlage. Die natürliche Wasserdampfdiffusion geht sehr langsam vor sich, sodasses kaum zu Geruchsemission aus der Anlage kommt [Strassegger J., 2011].

In dieser Halle wird das Trockengut mechanisch gewendet. Dabei ist mit einem

Energiebedarf von etwa 20-30kWh/t Trockengut zu rechnen [Luboschik, 1997 ]

Die umwelttechnischen Vorteile liegen auf der Hand. Durch die thermische Nutzung der

Sonne kann auf fossile Energieträger weitgehend verzichtet werden, wodurch die CO2-

Bilanz des Prozesses positiv beeinflusst wird. Ein offensichtlicher Nachteil des Verfahrens

ist der hohe Flächenbedarf und die Abhängigkeit der Trocknungsleistung von den

Wetterbedingungen [Luboschik, 1997 ].

Nach den Ergebnissen von Luboschik, 1997 können pro m² Trocknergrundfläche zwischen

600 und 700kg Wasser pro Jahr verdunstet werden. Diese Werte beziehen sich auf die

klimatischen Bedingungen der Jahre 1994 bis 1997 in Kandern- Wollbach, einer Gemeinde

im südwestlichen Baden-Württemberg, mit für diese Region mildem Klima und viel

Sonnenschein [Thorbecke, J. 1994] . Bei dieser Trockenleistung wird eine Grundfläche von

1,0-1,2m² pro Tonne Rohschlamm und eine Schlammverweildauer von einem Jahr

benötigt. Aufgerechnet auf den durchschnittlichen Schlammanfall in der ARA Mödling von

etwa 7.000t/Jahr wäre eine Fläche von 7.000m² nötig. Bei einer Anlagengröße von

7.000m² und einer austreibbaren Wassermenge von 600kg²/m²/Jahr und 20-30kWh/t,wären das 84-126 MWh pro Jahr.

Aus dem Projekt von 1994 entwickelte sich die IST Energietechnik, die das damals erlange

Wissen heute unter dem patentierten System Wendewolf verkauft. Am Energieeintrag von

20-30kWh hat sich bis heute nichts geändert. Das System wird für Anlagen zwischen 400-

25.000t/Jahr (mechanisch entwässert) verwendet [ist Energietechnik, 2011].

Wichtig für die Trockenleistung ist der jährliche solare Energieeintrag.



42

Abbildung 18: Globalstrahlung in Österreich [Suri M. 2001-2008]

Wie in der obigen Abbildung zu sehen beträgt die Globalstrahlung im südlichen Raum

Wiens etwa 1150 kWh/m².

Dem gegenüber stehen die in Abbildung 19 sichtbaren Werte von 1100kWh/m² im

südwestlichen Baden-Württemberg. Die Globalstrahlung ist also nahezu identisch,

weswegen davon ausgegangen werden kann, dass eine ähnliche Trocknungsleistung

erreicht werden kann.



43

Abbildung 19: Globalstrahlung in Deutschland [Suri, M. et al, 2001-2008]



44

Für die Auslegung der Anlage muss berücksichtigt werden, dass die spezifische solare

Verdunstungsleistung durch die jahreszeitlichen Schwankungen der klimatischen

Randbedingungen im Jänner lediglich etwa bei 12kg/m² und in den Sommermonate beietwa 150kg/m² liegt [Institut für Kreislaufwirtschaft, 2005] .

Abbildung 20: Einstrahlung in Wh/(m²d) in Österreich im Jahresverlauf [Bundesverband

PHOTOVOLTAIC AUSTRIA,2011]

Wie deutlich zu sehen ist, kann gerade in den Monaten Oktober bis Februar eineKlärschlammtrocknung mittels solarer Trocknung nicht ausreichen.

An dieser Stelle sind die Werte der Huber Wastewater Solutions interessant.

Abbildung 21: Wasserverdunstung in einer solaren Trocknungsanlage im Jahresverlauf [Huber Technology, 2010 ]



45

In den Sommermonaten kann zwar mit einer Verdunstungsleistung von etwa 140 bis

150kg H2O/m² gerechnet werden, allerdings wird in den Wintermonaten nur eine

Verdunstungsleistung von etwa 20kg/m² erreicht. Übers Jahr gesehen kann so eineVerdunstungsleitung von bis zu 1000kg/m² je nach klimatischen Bedingungen erreicht

werden.

In der Regel werden 70% der jährlichen Verdunstungsleistung in den Sommermonaten

erreicht [Kassner W., 2003 ].

Nachdem nur begrenzte Flächen auf der Abwasserreinungsanlage Mödling zur Verfügung

stehen, soll eine Lagerung des Klärschlammes in den Verdunstungshallen über das ganze

Jahr hinüber vermieden werden.

Um die Verdunstungsleistung in den Wintermonaten zu verbessern, bietet sich eineKombination mit einer Klärschlammverbrennungsanlage an, deren Abwärme in der kalten

Jahreszeit zum beheizen der Verdunstungshallen verwendet werden kann.

Dieses Verfahrensschema wird in einer Anlage in der Schweiz mit Erfolg verwendet.

In der nachfolgenden Tabelle sind typische Werte dieser Anlage aus dem Jahr 2000 zu

sehen.

Abbildung 22 Energie- , Massenbilanz sowie Kosteneinsparung der ARA Glarnerland im Jahr 2000

[Zweifel et al. 2001]

Dabei sollte das Temperaturniveau von 30-50°C aller dings nicht überschritten werden, dazu rasches Trocknen zu Geruchsbelästigung führt.



46

3.1.2 Konzentrierende solarthermische Trocknung

Die konzentrierende Solarthermie ist eine ausgezeichnete Methode der Verwendung von

Solarenergie bei Prozesswärme-Anwendungen.

Auch wenn sie ihren Platz eher in den warmen, sonnigen Gegenden Südeuropas, des

Nahen Osten oder Nordafrikas hat, so hat sie doch für Hochtemperaturanwendungen über

130°C auch in Mitteleuropa ihre Berechtigung [ Jaehnig D., Rojas Bravo E., 2008 ].

Bei niedrigeren Temperaturen verlieren konzentrierende Kollektoren ihre Vorteile aufgrund

ihrer Eigenschaft diffuse Strahlung die in unseren Breiten vorherrscht nicht nutzen zu

können.

Bei Prozesswärmeabnehmern muss man zwischen unterschiedlichen benötigten

Temperaturniveaus unterscheiden.

Abbildung 23: Prozesse und ihre benötigten Temperaturen [Heß S., Rommel M., 2008 ]

Bei Prozesstemperaturen unter 120°C erfüllen verbes serte Flachkollektoren die Aufgabe

am wirtschaftlichsten [Heß S., Rommel M., 2008 ].

Aufgrund dieser Erkenntnis wird das Thema der konzentrierenden Solarthermie im

Rahmen dieser Arbeit nicht weiter verfolgt.

3.1.3 Wirbelschichttrocknung

Bei der Wirbelschichttrocknung wird heißes Abgas (Heißgas, Umluft oder Brüden) von

unten in den Trockner eingeblasen. Der zu trocknenden Klärschlamm wird in Schwebe

gehalten und im entstehenden Wirbelbett getrocknet. Eine Übertragung der Wärmeenergie

kann auch im Fließbett, mittels Wärmetauscher stattfinden. In einem derartigen Verfahren

wird das Wirbelbett durch im Kreislauf geführtes Inertgas gebildet [Nümm, H., 1990 ].

Obwohl die Wirbelschichttrocknung wie in Tabelle 11 zu sehen, einen höheren Einsatz anEnergie benötigt, sollte sie aufgrund des geringen Flächenbedarfs nicht ganz aus den

Augen gelassen werden.



47

3.1.4 Bandtrocknung

Bei der horizontalen Bandtrocknung durchläuft der zu trocknende Schlamm mittels

Förderbändern langsam einen von heißem Rauchgas durchströmten Raum. Das

Trocknungsmedium wird im Kreuzgegen- oder Kreuzgleichstrom zum feuchten

Klärschlamm geführt, um eine maximale Wasseraufnahme zu gewährleisten [Kunz PM.,

1998 ]. Die mechanische Beanspruchung während des Trocknungsvorganges ist sehr

gering, weswegen sich auch der Staubanfall gering hält. Bandtrocknungsverfahren sind mit

hohen Temperaturen (Rauchgas) ebenso wie mit niederen Temperaturniveaus möglich.

Niedertemperatur Bandtrocknungsverfahren haben den Vorteil, dass die Abluft nicht

gereinigt werden muss. Ihr Einsatz in der Klärschlammtrocknung nimmt durch dievielfältige Abwärmenutzung und den wartungsarmen Betrieb laufend zu [Huber

Technology, 2010 ].

Tabelle 11: Spezifischer Energiebedarf thermischer Trocknungsverfahren für Klärschlamm

[Förstner, 2008 ]

In obiger Abbildung wird verdeutlicht, in welchem Verhältnis diese konventionellen

Trocknungsverfahren zur solaren Trocknung, mit etwa 20-30kWh/t stehen.

3.2 Verfeuerungstechniken

Zur Verfeuerung getrockneten Klärschlammes stehen grundsätzlich mit Drehetageöfen,

Wirbelschichtverfahren [VDI, 1998 ] und Bandfeuerung mehrere Verfahren zur Verfügung.

Aufgrund der schwierigen Ascheeigenschaften - Klärschlammasche geht ab etwa 400°C in

einen lavaähnlichen Zustand über, bildet Schlacken und führt zur Verklebung des Rostes -

wird zur Klärschlammtrocknung meist das aufwändige und energieintensive Verfahren der

Wirbelschichtverbrennung herangezogen [Strassegger J., 2011]. Bei diesem Verfahren



48

werden die Teilchen während der Verbrennung in Schwebe gehalten. Aus Platzgründen ist

eine Kombination mit Wirbelschichttrocknung erstrebenswert.

Als Vorteil der Klärschlammverbrennung kann die Gewinnung von thermischer Energie

gesehen werden. Bei der Klärschlammzusammensetzung der ARA Mödling ist allerdings

ein Glühverlust von nur etwa 35% ermittelt worden, ein überraschend geringer Wert, der

auf einen verhältnismäßig geringen Brennwert des Klärschlammes schließen lässt. Übliche

Werte für aerob simultan stabilisierten Klärschlamm variieren zwischen 17MJ/kg

[Abfallwirtschaft Steiermark, 201], 14,6 MJ/kg (bei Rohschlamm mit 30% Glührückstand)

[Bretschneider H., et al, 1993 ] und 8-10 MJ/kg [Strassegger J., 2011]

Bei einer Annahme von 8MJ/kg könnten durch die Verbrennung von 2380t Klärschlamm

jährlich etwa 19040000 MJ/Jahr und damit ungefähr 5,293 GWhth/Jahr erzeugt werden.

Unter Berücksichtigung, dass Feuerungsanlagen etwa einen Wirkungsgrad von 75%

haben [Thomé- Kozmiensky, Karl J, 1994 , S.14] kann mit einer Wärmeausbeute von knapp

4GWhth gerechnet werden. Diese thermische Energie könnte besonders in den

Wintermonaten zur unterstützenden Trocknung bei Anwendung einer solaren Trocknung

verwendet werden und dadurch zur Verkürzung der Verweildauer des Klärschlammes in

der solaren Trocknung führen. Als gefährlich kann hier allerdings zu erwähnen, dass die

beschleunigte Trocknung zu einer höheren Geruchsbelastung führt [Strassegger].Aufgrund der Nähe zum bebauten Gebiet ist bei dieser Verfahrensführung also äusserste

Vorsicht geboten. Als Negativbeispiel kann hier die Kombination aus

Wirbelschichtfeuerung und solarer Klärschlammtrocknung mit Abwärmenutzung auf der

Kläranlage Bad Vöslau genannt werden. Dort wird von Schwierigkeiten mit

Geruchsbelästigung und dem Wirbelschichtofen berichtet [Strassegger J., 2011, Huber, H.

2011]

Als Alternative zur klassischen Verbrennung kann noch die Pyrolyse, also die

unterstöchiometrische Verbrennung des Klärschlammes genannt werden.

3.3 Pyrolyse

Bei der Pyrolyse handelt es sich um die thermo-chemische Spaltung organischer

Verbindungen, wobei durch hohe Temperaturen (500-900 °C) ein Bindungsbruch innerhalb

großer Moleküle erzwungen wird, was zu kleineren Molekülen führt. Dabei wird Biomasse

in ein Synthese- oder Brenngas umgewandelt und die Biomasse über eine Pyrolyse

verkohlt. Das entstehende Pyrolysegas ist ein Gemisch aus Kohlenmonoxid (CO),

Wasserstoff (H2), Kohlendioxid (CO2), Methan (CH4) sowie einer Reihe von Spurengasenund Verunreinigungen. Der Unterschied zur Vergasung und zur Verbrennung besteht

darin, dass dies ausschließlich unter der Einwirkung von Wärme und ohne zusätzlich



49

zugeführten Sauerstoff geschieht. Das Verbrennungsluftverhältnis ist λ = 0. [Kaltschmitt M.

et al, 2009 ]

Bei sauerstoffhaltigen Brennstoffen, also auch Klärschlamm können trotzdemOxidationsreaktionen an den Zersetzungsprozessen beteiligt sein.

Grundsätzlich können unterschiedliche technische Vergaser, nämlich Festbettvergaser,

Wirbelschichtvergaser und Flugstromvergaser eingesetzt werden. Sie unterscheiden sich

vor allem durch die Art des Kontakts zwischen Biomasse und Vergasungsmittel (Luft,

Sauerstoff oder Wasserstoff).

Pyromex – Hydrokrit Verfahren

Das Pyromex –Verfahren wird von Seiten der Firma nicht als klassische Pyrolyse, sondern

als eigenes Verfahren bezeichnet, es weist allerdings einige Kennzeichen der normalen

Pyrolyse auf. So wird auch hier organisches Material unter Sauerstoffausschluss in

kleinere Moleküle gespalten.

Abbildung 24 Reaktionsgleichungen im Pyromex Verfahren [Pyromex AG ]

Dies geschieht unter hohen Temperaturen von rund 1250°C. Das Herzstück, der Reaktor

kann mittels Induktion auf Temperatur gebracht werden und ist regelbar von 300 bis

1750°C. Das anfallende Synthesegas (Syngas) kann da nn beliebig weiterverwendet

werden.

Im Falle der Brennstoffzelle von Pyromex wird auf Basis der Reaktionsgleichungen

CO + H2O CO2 + H2

CH4 + 2H2O CO2 + 4H2 das entstehende Syngas in Wasserstoff umgewandelt.

Ein allgemeines Schema der Materialflüsse ist in der folgenden Abbildung zu sehen.



50

Abbildung 25 Materialfluss einer Pyromex Anlage [Pyromex AG ]

KOPF-Verfahren

Eine Schlüsselkomponente des KOPF Verfahrens ist der Vergasungsreaktor, in dem in

einer stationären Wirbelschicht bei Temperaturen von bis zu 900°C aus dem getrocknetenKlärschlamm ein brennbares Gas entsteht. Es wird in der Rohgasquenche abgekühlt und

dann durch Filtern und Trocknen weiter aufbereitet. Aus diesem Gas werden in einem

Blockheizkraftwerk Strom und Wärme erzeugt. Nach einer Verweilzeit von etwa 30

Minuten im Reaktor verbleibt vom Klärschlamm nur noch ein inertes Granulat. Es hat einen

hohen Gehalt an wertvollem Phosphor, der mit neuen Verfahren extrahiert und

anschließend zu Düngemittel verarbeitet werden kann. Letztlich übrig bleibt ein

Mineralgranulat, das als Zuschlagstoff zur Herstellung von Asphalt und als Verfüllmaterial

im Straßen- und Tiefbau hervorragende Einsatzmöglichkeiten bietet [Kopf Syngas. 2011].



51

Abbildung 26 Verfahrensshema einer Kopf- Klärschlammvergasung [Kopf Syngas. 2011]

Nach dem in Abbildung 26 angeführten Verfahrensschritten ist im Endprodukt ein hoherPhosphorgehalt nachzuweisen. Dieser erlaubt es bei Herstellung von Düngemitteln und

weit entfernten Abbaugebieten bergmännisch gewonnene Phosphormaterialien durch

einen heimischen Sekundärrohstoff zu ersetzen [Kopf Syngas. 2011].

Das Verfahren der Pyrolyse eröffnet, trotz seiner aufwendigen Installation,

außergewöhnliche Möglichkeiten für den Lebenszyklus des Produktes Klärschlamm. Statt

teurer Entsorgung des Schlammes können wertvolle Rohstoffe und Energie gewonnen

werden, während sich die Feststoff-Reste zum Straßenbau eignen. Damit bietet dieses

Verfahren nicht nur eine Verschiebung des Abfallproblems, sondern eine effiziente End-Lösung für den kontinuierlich anfallenden Klärschlamm. Details zur Umsetzbarkeit dieses

Verfahrens finden sich unter den nachfolgenden Punkten der CO2 Bilanz sowie der

Wirtschaftlichkeitsberechnung vielversprechender Verfahren.

3.4 Landwirtschaftliche Nutzung des Klärschlamms

Eine landwirtschaftliche Nutzung von Klärschlamm, so wie sie momentan auch

gehandhabt wird, setzt eine Klärschlammstabilisierung oder Klärschlammentseuchung

voraus. Verfahren zu diesem Zweck sollen erreichen, dass bei der Nutzung von

Klärschlamm auf Grünland und Feldfutteranbauflächen keine seuchenhygienischen

Risiken für Menschen und Tiere auftreten [EOLING AG Zürich,1997 ]. Demzufolge müssen



52

im Klärschlamm enthaltene, aus seuchenhygienischer Sicht bedenkliche pathogene Keime

durch das Entseuchungsverfahren abgetötet werden [Pfeiffer, W., 1990 ]

Die zuverlässige Abtötung kann durch gängige Verfahren der Wärmeeinwirkung,Bestrahlung, chemische Behandlung oder pH-Wert Verschiebung erreicht werden.

In der Klärschlammverordnung, Richtlinie 86/278/EWG über Klärschlamm (2003) sind

einige Details zur Klärschlammnutzung in Österreich angeführt.

In Österreich gelten in den einzelnen Bundesländern jeweils andere Höchstmengen. In

Niederösterreich sind es 2,5Tonnen pro Hektar und Jahr; […] [Richtlinie 86/278/EWG über

Klärschlamm (2003a)].

In Österreich erfolgt die Behandlung mittels simultaner Stabilisierung, gesonderteranaerober Stabilisierung und aerober Stabilisierung (ohne Wärmezufuhr), mesophiler

anaerober und aerober Stabilisierung, thermophiler aerober Stabilisierung, Kompostierung

durch Kalk und Trocknung [Richtlinie 86/278/EWG über Klärschlamm (2003b)].

Wichtig für die spätere Verwendung des Klärschlammes ist seine chemische

Zusammensetzung, für die landwirtschaftliche Aufbringung insbesondere die

Konzentration der Schwermetalle.

Allerdings auch die Nutzbarkeit des im Klärschlamm vorhandenen Phosphors ist von

großer Bedeutung. Phosphor ist ein wertvoller Bestandteil landwirtschaftlicher Dünger.Dieser zugekaufte Phosphor im Dünger könnte mit einer Nutzbarmachung des Phosphors

in Klärschlämmen durch erneuerbaren Rohstoff aus der Region ersetzt werden und für den

Lebenszyklus des Produktes „Klärschlamm“ essentielle Auswirkungen haben. Hierfür kann

besonders das Verfahren der Pyrolyse wertvoll sein, bei der Klärschlamm

unterstöchiometrisch verbrannt und Phosphor im entstehenden Endprodukt, einem inerten

Granulat gebunden wird.

Bei beiden Verfahren, Verbrennung und Pyrolyse sind jedoch gewisse Parameter für die

spätere landwirtschaftliche Ausbringung zu erreichen. Die nachfolgende Berechnung

behandelt die Aufkonzentrierung der im Klärschlamm enthaltenen Schwermetalle durchden Verbrennungsvorgang. Die optimale Massenreduktion des Klärschlammes wäre wie in

den vorangegangenen Kapiteln beschrieben mit Trocknung und nachfolgender

Verbrennung oder Pyrolyse zu erreichen.

In einem Gutachten des AIT aus dem Winter 2010 ist nachzulesen, dass der kommunale

Klärschlamm der ARA Mödling zu etwa 63,2% aus anorganischen Stoffen besteht,

während er etwa 34,2% organische Substanz enthält.

Dabei ist stellvertretend für die anorganischen Stoffe der Glührückstand zu sehen.

Als Glühverlust bezeichnet man den durch das Glühen der getrockneten Substanz eines

Schlammes unter bestimmten Bedingungen entwichenen Massenanteil. In ersterNäherung kann der Glühverlust nach Erhitzen auf 550°C bei einem belebten Schlamm

auch als organischer Trockenmassegehalt gesehen werden. Zurück bleibt der



53

Glührückstand, der in erster Näherung dem anorganischen Trockenmassegehalt

gleichgesetzt werden kann [Scharf S., Schneider M., Zehtner G., 1997 ].

Im Zuge der Verbrennung wäre daher mit einer Massenreduktion auf 63,2% der

Trockensubstanz zu rechnen. Im gleichen Verhältnis würde sich aber auch die

Schwermetallkonzentration anreichern.

Gemessen an einem jährlichen Klärschlammanfall von 7000t/Jahr mit einem

Trockensubstanzgehalt von 33% würden nach einer Verbrennung der resultierenden 2310t

Trockensubstanz noch 1460t an Asche als Abfall anfallen. Von diesen 1460t könnten noch

etwa 350 bis 400t abgezogen werden, die dem Klärschlamm in Form von Kalk zur

Stabilisierung mit pH10-12 zugeführt werden. Übrig bleiben etwa 1100t Asche jährlich.

Um die Verwertung dieser Asche näher betrachten zu können sind die detailliertenSchwermetallwerte in der Asche nötig.

In den beiden nachgestellten Tabellen sieht man die gesetzlich vorgegebenen

Schwermetallgrenzwerte für Boden und für Klärschlämme.

Tabelle 12: Grenzwerte für die Konzentration von Schwermetallen im Boden (mg/kg

Trockensubstanz) im Ländervergleich [Richtlinie 86/278/EWG über Klärschlamm (2003a)]



54

Tabelle 13: Grenzwerte für die Konzentration von Schwermetallen in Schlämmen (mg/kg

Trockensubstanz) [Richtlinie 86/278/EWG über Klärschlamm (2003a)]

Über das AIT Seibersdorf werden regelmäßig Prüfberichte verfasst die sich mit der

Zusammensetzung des Klärschlammes auseinandersetzen.

Ein Auszug des Prüfberichtes aus dem Jahr 2010 kann man auf den folgenden Seiten

finden.

Die darin ermittelten Daten werden als Grundlage zur Berechnung des

Schwermetallgehalts in Klärschlamm-Asche herangezogen.



55

Tabelle 14 Analysewerte eines Klärschlammes der Kläranlage Mödling Teil 1 [AIT Seibersdorf,

2010 ]



56

Tabelle 15 Analysewerte eines Klärschlammes der Kläranlage Mödling Teil 2 [AIT Seibersdorf,

2010 ]

Aus den vorliegenden Messwerten lassen sich unter Annahme einer Aschemasse von

63,2% der Trockensubstanz einschließlich Kalk und 47% exklusive Kalk folgende

Schwermetallgehalte für die Asche voraussagen.

Parameterin mg/kgTrockensubstanz

angereichertin mg/kgAsche

angereichert

in mg/kgAsche ohneKalk

Grenzwert86/278/EWGin mg/kg

GrenzwertÖsterreichin mg/kg

Cd 0,83 1,31 1,77 20-40 0,7-10Cr 32 50,63 68,09 - 50-500Cu 169 267,41 359,57 1000-1750 70-500Hg 0,374 0,59 0,80 16-25 0,4-10Ni 18,6 29,43 39,57 300-400 25-100Pb 43,6 68,99 92,77 750-1200 45-500Zn 509 805,38 1082,98 2500-4000 200-2000

Tabelle 16 errechnete Schwermetallgehalte in der Asche nach einer Klärschlammverbrennung

Wie in Tabelle 16 erkennbar, bleiben die Grenzwerte auch in der Asche des verbrannten

Klärschlammes deutlich unter den vorgeschriebenen Grenzwerten.



57

4 Verwendung erneuerbarer Energieträger am und

ums Gelände der ARA

Die Verwendung erneuerbarer Energieträger ist nicht Schwerpunkt dieser Arbeit, soll aber

der Vollständigkeit halber zumindest angeschnitten werden. Die Annahmen und

Ergebnisse für die Gegend rund um die Kläranlage beziehen sich auf die Erhebung aus

der Diplomarbeit von Gunther Taufratzhofer.

4.1 Wind

Von der Verwendung von Kleinwindanlagen auf dem Geländer der ARA Mödling ist aus

Platzgründen abzusehen. Freie Flächen im Besitz der Gemeinde werden zur Errichtung

von solarthermischen Klärschlammtrocknungsanlagen benötigt.

4.2 PV

Die Verwendung von PV Anlagen auf dem Gelände der ARA Mödling sind leider sehr enge

Grenzen gesetzt. Die Dachflächen der Betriebsgebäude weisen keine Süd-Ausrichtung

aus, eignen sich also nur schlecht zur Stromerzeugung. Sämtliche freie Flächen könnenaufgrund des großen Flächenbedarfs solarer Trocknung nicht, oder nur sehr eingeschränkt

mit PV verbaut werden.

Auch wenn die Förderungen für PV Anlagen in machen Jahren durchaus vielversprechend

sind, so ist doch auf dem Gelände der ARA Mödling die solarthermische Nutzung in

Trockenhallen zielführender.

Mögliches Potential wäre zwar über den Belebungbecken gegeben, allerdings ist hier die

Installation nur mit größter Vorsicht möglich, da bauliche Änderungen nicht auszuschließen

ist und die Zugänglichkeit zur Wartung der Belüfterantriebe gewährleistet sein muss.

4.3 Wärmepumpe

Der Energieinhalt in Abwasser von Haushalten, Industrie und öffentlichen Einrichtungen ist

beträchtlich [FFG, 2008 ]. Mittels Wärmepumpen kann diese Energie für die Beheizung der

Betriebsgebäude auf der ARA Mödling nutzbargemacht werden. Es handelt sich dabei im

Falle des Bezirks Mödling aufgrund von biologischen Abbauprozessen im Kanalnetz

[Huber, H. 2011] hauptsächlich um eine Nutzung von erneuerbaren Ressourcen, allerdings

auch um Wärmerückgewinnung aus eingeleitetem, fossil erhitztem Warmwasser. Das

Abwasser kann mittels Wärmepumpe je nach Bedarf zum kühlen oder zum heizenverwendet werden. Das kommt daher, dass Abwasser im Winter deutlich wärmer ist als die

Außenluft und im Sommer kälter. Übers Jahr gesehen bewegt sich die



58

Abwassertemperatur im Schnitt zwischen 10°C und 15°C [Huber, H. 2011]. Das sind

gerade im Winter vergleichsweise hohe Temperaturen, weshalb Wärmepumpen mit der

Energiequelle Abwasser besonders effizient, d.h. mit geringem Primärenergieaufwand undgeringer CO2-Belastung arbeiten können [FFG, 2008] .

5 Wirtschaftlichkeitsrechnung erstellter Szenarien

unter Betrachtung der Förderwürdigkeit

In den nächsten Seiten sollen die aussichtsreichsten Maßnahmen von Seiten der

Wirtschaftlichkeit betrachtet werden. Dazu sind einige Prämissen für alle Szenarien

vorgesehen.

- Notwendiger Trocknungsgrad für nachherige Verfeuerung in den Wopfinger

Zementwerken etwa 80%.

- Momentane Zugabe von rund 300kg Kalk/t Klärschlamm TS 100%.

- Zugabe von rund 125kg Eisen(III)Chlorid/t Klärschlamm TS 100%

- Entsorgungskosten rund 58€/t

- Verfügbare freie Flächen über 5000m²

- Strompreis 7Cent/kWh

5.1 Belüfter – Antriebe

Bei einem Austausch der Belüfterantriebe lassen sich wie im Kapitel 2.1.1 ermittelt etwa

0,6% an Energie mit einem IE2 Motor und etwa 1,6% mit einem IE3 Motor mit η=95,2%

einsparen.

In Abbildung 27 ist die Berechnung mit dem Tool Eurodeem zu sehen. Zur Berechnung

wurden die Werte aus den ABB-Handbüchern herangezogen. Die Berechnungsgrundlagen

sind in Anhang A angeführt.



59

Abbildung 27 Vergleich des alten ABB Motors HXUR 452G2 HXR 225SMB4 mit dem modernen

Motors M4BP225SMB4 [EuroDEEM, 2007 ].

Bei 4682kWh/Motor jährlich beläuft sich die eingesparte Energiemenge auf rund 56MWh

jährlich bei IE3. Bei der IE2 konnte eine Einsparung von rund 2374kWh pro Motor, also

28,5 MWh jährlich ermittelt werden. Bei einem Strompreis von 7 Cent/kWh belaufen sich

die jährlich einsparbaren Kosten auf rund 3930€ jährlich bei IE3 und auf etwa 1995€ bei

IE2.

Die Einholung eines Richtpreisangebotes für einen passenden Motor bei der Firma ABB

führte zu folgenden Ergebnissen [Sahanek, M. 2011].

Für einen 45kW, 4poligen IE2 Motor (Type M3BP225SMB4) können ca. 2800,- EUR netto

pro Stück als ungefähren Endverbraucherichtpreis herangezogen werden.

Für eine IE3 Version (Type M4BP225SMB4) gelten ca. 3800,- EUR netto, als Richtpreis.

Im Rahmen der Bundesförderung gibt es bei der Kommunalkredit AG die Möglichkeit eine

Investition in energieeffiziente Antriebe gefördert zu bekommen. Gefördert werden

Investitionen in Antriebe mit der Effizienzklasse IE3 mit einer de-minimis Förderung (also

maximal 200.000€) mit maximal 30%.

Im Fall der Kläranlage Mödling wären das bei 12 Antrieben der IE3 je 3800€

Investitionskosten von 45600€ die mit einer maximalen Summe von 13680€ gefördert

würden. Die Investition würde sich also auf 31920€ von der ARA Mödling zu tragende

Kosten belaufen.

Bei einer Ersparnis von 3930€ Stromkosten jährlich hätte sich die Investition nach 8

Jahren und 1 Monat amortisiert.



60

Bei einer Umrüstung auf einen neuen ABB IE2 Motor müssen die vollen Investitionskosten

von 33.600€ nur durch die jährliche Ersparnis von 1995€ getragen werden.

Dementsprechend kann sich diese Investition erst nach 16 Jahren und 9 Monatenrechnen.

Abbildung 28 Vergleich des alten ABB Motors HXUR 452G2 HXR 225SMB4 mit dem Marelli IE2

Motor BAQ 225 M4 [siehe Anhang A]

Marelli hat einen Motor mit IE2 mit η= 93,4%. Damit können pro Motor und Jahr 1469€

eingespart werden, bei allen Motoren also 17,6MWh jährlich. Bei einem Strompreis von 7

Cent/kWh kann damit eine Einsparung von 1232€ jährlich erzielt werden.

Aufgrund des niedrigeren Richtpreises von 1170€ Netto (also 1400€ inkl. Mehrwertsteuer)

kann eine Amortisationszeit von 13 Jahren und 7 Monaten erreicht werden.

Die Berechnung für den Motor der Firma TEE ist unter dem Kapitel Antriebe zu finden. Für

alle Berechnungen wurde bei der Amortisation angenommen, dass die Anschaffung mit

Eigenkapital bewerkstelligt wurde, deswegen wurde auf eine Einbeziehung eines

Zinssatzes, ebenso wie auf die Inflation verzichtet und nur die Investitionskosten durch die

Ersparnis/Jahr geteilt.

Eine Zusammenfassung der im Text ermittelten Zahlen ist in folgender Tabelle zu sehen.



61

Motoreffizienz

Motortype Wirkungsgrad FörderungInvestitionkosten

Ersparnisin kWh

Ersparnisin €

Amortisationszeit

ABB 1989 92,6%IE3, ABB 95,2% 30% 31.920 € 56.000 3.920 8,14IE2, ABB 93,9% keine 33.600 € 28.500 1.995 16,84IE2,Marelli 93,4% keine 16.800 € 17.600 1.232 13,64IE3, TEE 95% 30% 14.280 € 52.000 3.640 3,92

Tabelle 17 Zusammenfassung der Möglichkeiten zur Verbesserung der Motoreffizienz ( Preis für

den Motor von TEE ist leider nicht bestätigt)

Es ist also bei Betrachtung der unterschiedlichen Amortisationszeiten ein Umrüsten auf die

geförderte Energieeffizienzklasse IE3 zu empfehlen. Die Zahlen der Firma ABB sind

Richtpreise die direkt von der Firma angegeben wurden, bei der Firma TEE handelt es sich

aus einem Preis aus dem Internet, der stark von der Realität abweichen kann.

5.2 Kammerfilterpresse

Laut Literatur ist hier mit überraschend hohem Potential zu rechnen. So könnte die ARA

Mödling bei gleichbleibendem Eisen(III)Chlorid- und Kalkbedarf etwa 5000t mit knapp 50%TS/Jahr erhalten. Unter Annahme eines Betriebs bei 2kWh/m³ und 34.000m³

Schlammeinsatz/ Jahr führt dies zu einer Stromersparnis von 75MWh/Jahr, bei 3kWh/m³zu

einer Stromersparnis von immerhin noch 30MWh/Jahr. Zwar sind die Energieinsparungen

von 2100€ bis 5250€ (bei 7Cent/kWh) vernachlässigbar, die Einsparung im

Entsorgungsbereich würde sich aber bei 58€/t und einer Einsparung von etwa 2240t

Klärschlamm auf knapp 130.000€ jährlich belaufen.

Leider war hier trotz vielfältiger Anfragen an die Industrie keine Stellungnahme zu diesen

Zahlen zu erreichen. Bei Gesprächen mit Experten [Strassegger J., 2011] wurde dastheoretische Potential dieser Technologie aus der Literatur als ausgesprochen optimistisch

und in der Praxis nicht machbar bezeichnet, was die geringe Resonanz aus der Industrie

erklärt. Viele der Werte dürften von den leicht zu entwässernden Papierschlämmen

abgeleitet worden sein und die erschwerten Bedingungen mit Klärschlamm nicht

berücksichtigen. Obwohl hier also ein hohes theoretisches Potential ermittelt werden

konnte ist die Umsetzbarkeit dieser Einsparungen in höchstem Maß anzuzweifeln.

5.3 Solare Trocknung

Für die Berechnung der Wirtschaftlichkeit wurde vom technischen Büro für Chemie und

Solare Diffusions Trocknungsanlagen, Ing. Jakob Strassegger ein Anbot für eine solare



62

Klärschlammtrocknungsanlage aus dem Jahr 2006 zur Verfügung gestellt. Die Zahlen aus

dem Jahr 2006 wurden zur erneuten Berechnung mit der Inflation aufgerechnet um zu

einem Richtpreis für das Jahr 2011 zu kommen [Strassegger J., 2011]:

Entwässerter Klärschlamm (34% TS)

Jährlicher Schlammanfall t/a 7000

TS-Menge t/a 2380

Entsorgungspreis Klärschlamm inkl. Transport €/t 58

Getrockneter Klärschlamm (80%TS, 12% Kohlenstoffverlust durch Kompostierung)

Jährlicher Biogranulatanfall t/a 2630

Biogranulattrockensubstanzgehalt % 80%

Verwertungsbeitrag Biogranulat incl. Transport €/t 60

Investition solare Klärschlammtrocknungsanlage exkl. Mwst.

Gesamtinvestitionskosten (Tiefbau, Anlagenbau 2006) € 1,800.000

Inflation 2011, Statistik Austria % 3,1

Gesamtinvestitionskosten 2011 € 2.096900€

Kalkulationszinsfuß % 2,97

Personalkosten

Stundenzahl pro Jahr h 520

Stundensatz €/h 30Jahrespersonalkosten €/a 15.600

Energiekosten

Diffusionsgut (zu verdampfendes Wasser) t/a 4025

Strombedarf pro t Diffusionsgut kWh/t 30

Strombedarf kWh/a 120.750

Stromkosten €/kWh 0,07

Jahresstromkosten €/a 8452,5

Wartungs- und Reparaturkosten, Versicherung

Wartung - und Reparaturkosten allgemein €/a 1.200

Im 6. Jahr Werkzeugwechsel €/a 12.600

Im 12. Jahr Werkzeugwechsel €/a 14.000

Gebäudehülle €/a 6.000

Versicherung €/a 950



Berechnung der Amortisationszeit

Der jährliche Ertrag der Investition ist die Differenz der jährlichen Entsorgungskosten des mechanisch auf 3

der Jährlichen Verwertungskosten für das auf 80% getrocknete Biogranulat.

Tabelle 18 Amortisationsberechnung der solaren Klärschlammtrocknung

Jahr 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Entsorgungs-K €/t 58,00 59,80 61,65 63,56 65,53 67,56 69,66 71,82 74,05 76,34 78,71

Jährl. EK €/a 406.000 418.586 431.562 444.941 458.734 472.954 487.616 502.732 518.317 534.385 550.951

Jährliche EK n.

Trocknung €/t 172.550 177.899 183.414 189.100 194.962 201.006 207.237 213.661 220.285 227.114 234.154

Ertrag €/a 233.450 240.687 248.148 255.841 263.772 271.949 280.379 289.071 298.032 307.271 316.797

Für die weitere Beurteilung de Amortisationszeit werden vom jährlichen Ertrag die für die Klärschlammtrocknu

BK) abgezogen und so der jährliche Zahlungsüberschuss ermittelt. Die jährlichen Überschüsse werden a

diskontiert und die Barwerte fortlaufend subsummiert.

Jahr 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Jährliche BK d.

Trocknung €/a 32.203 33.201 34.230 35.291 36.385 37.513 51.276 39.875 41.111 42.386 43.699

Jährl. Zahlungs-

überschuss €/a 221.258 228.116 235.188 242.479 249.996 257.746 253.136 273.974 282.467 291.223 300.251

Diskontierfaktor

(1,0297)^n 1,0000 1,0297 1,0603 1,0918 1,1242 1,1576 1,1920 1,2274 1,2638 1,3014 1,3400

Diskontierter Zahlungs-

Überschuss €/a 221.258 221.537 221.817 222.097 222.377 222.658 212.368 223.220 223.502 223.784 224.067

Summe derÜberschüsse

diskontiert €/a 221.258 442.794 664.611 886.707 1.109.084 1.331.742 1.544.110 1.767.330 1.990.833 2.214.617 2.438.684 2.



64

Etwa 8 Jahre und 2 Monate nach der Investition übersteigen die subsummierten Barwerte

der Überschüsse die Investitionssumme von 2.096.900€. Die Amortisationszeit liegt somit

knapp über der halben Nutzungsdauer der Anlagentechnik (15 Jahre) und knapp untereinem Drittel der Nutzungsdauer der Bautechnik (25 Jahre).

Grafisch ist diese Amortisationszeit noch in nachfolgender Abbildung zu sehen.

Amortisationszeit

0,001.000.000,00

2.000.000,003.000.000,004.000.000,00

5.000.000,006.000.000,00

7.000.000,00

8.000.000,009.000.000,00

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15

Jahre

€

Summierte EK Status Quo

Summe Kosten Trocknung

Abbildung 29: grafische Darstellung der summierten Kosten der solaren Trocknung (jährliche

Betriebskosten, Entsorgungskosten sowie Investitionskosten in Jahr 0), pinke Linie, sowie der

summierten Entsorgungskosten der Klärschlammkompostierung in Ternitz bei einem Preis von 58€,

blaue Linie, beides bei einer jährlichen Inflation von 3,1%

Nach genauer Betrachtung kann also mit einer solaren Klärschlammtrocknung schon ab

dem 8. Betriebsjahr mit massiven Einsparungen gegenüber einer Entsorgung in der

Kompostieranlage Ternitz gerechnet werden.

5.4 Pyrolyse

Auch für das Verfahren der Pyrolyse ist eine Amortisationsrechnung nötig. Dazu werden

verschiedene Parameter angenommen.

Die zur Berechnung verwendeten Zahlen sind auf der nächsten Seite zu finden.



65

Alle dieser Zahlen stammen von der Firma Kopf AG [Kopf Syngas. 2011].

Entwässerter Klärschlamm (34% TS)

Jährlicher Schlammanfall t/a 7.000,00Schlammtrockensubstanzgehalt % 34,00TS-Menge t/a 2.380,00Entsorgungspreis Klärschlamm inkl. Transport €/t 58,00

Pyrolysereststoffe

Jährlicher Biogranulatanfall t/a 1.500,00Synthesegas m³Verwertungsbeitrag Biogranulat incl. Transport €/t

Investition solare Klärschlammtrocknungsanlage

Bauliche Maßnahmen € 646.250 €Schüttgutförderung € 336.875 €Hochtemperaturkomponenten inkl TNV € 529.375 €Gasaufbereitung e 548.625 €E-Technik € 442.750 €Aggregate und Armaturen € 375.375 €Stahlbau und Isolierung € 308.000 €Lieferung und Montage € 462.000 €Silos € 86.625 €

Gesamtinvestitionskosten € 3.735.875,00

Bandtrocknung € 1.074.986,00

Solare Trocknung € 2.096.900,00

Annuitätenzinssatz % 3,1Kalkulationszinsfuss % 2,97

Personalkosten

Wie solare Trocknung, da keine Angaben vorhanden

Energiekosten

Gasbezug MWh/a 75Strombezug kWh 80Strompreis € 0,07Stromkosten € 5,60Gaskosten bei 25€/MWh € 1.875

Wartungs- und Reparaturkosten

Verschleißteile/Jahr Vergasung €/a 74.718,00Verschleißteile/Jahr Bandtrocknung €/a 10.750,00Kosten/Jahr sol. Trocknung € 1.200,00

Da bei der Bandtrocknung keine Betriebskosten von seiten der Firma Kopf angegeben

wurden, wurden bei der Berechnung der Trocknung keine Betriebskosten berücksichtigt.



Jahr 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Entsogungspreis€/t 58,00 59,80 61,65 63,56 65,53 67,56 69,66 71,82 74,05 76,34 78,71 Jährliche

Entsorgungskosten€/a 406.000 418.586 431.562 444.941 458.734 472.954 487.616 502.732 518.317 534.385 550.951 JährlicheEntsorgungskostenn. Pyrolyse €/t 87.000 89.697 92.478 95.344 98.300 101.347 104.489 107.728 111.068 114.511 118.061 Ertrag€/a 319.000 328.889 339.085 349.596 360.434 371.607 383.127 395.004 407.249 419.874 432.890

Jahr 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 JährlicheBetriebskostend.Pyrolyse €/a 92.199 95.057 98.004 101.042 104.174 107.403 110.733 114.166 117.705 121.354 125.115 JährlicherZahlungsüberschuss€/a 226.801 233.832 241.081 248.555 256.260 264.204 272.394 280.838 289.544 298.520 307.774 Diskontierfaktor(1,0297)^n 1,0000 1,0297 1,0603 1,0918 1,1242 1,1576 1,1920 1,2274 1,2638 1,3014 1,3400 DiskontierterZahlungsüberschuss 226.801 227.088 227.374 227.661 227.949 228.237 228.525 228.813 229.102 229.391 229.681 Summe derÜberschüssediskontiert €/a 226.801 453.889 681.264 908.925 1.136.874 1.365.111 1.593.636 1.822.449 2.051.551 2.280.943 2.510.624 2.

Tabelle 19: Berechnung der Amortisationszeit unter Berücksichtigung der Angaben auf der

Berechnet mit einem Diskontierungsfaktor von 2,97 % rechnet sich die Investition einer Klärschlam

Jahr. Trotz Anfrage bei der KPC konnten mangels Rückmeldung leider keine Förderung ermittelt we

der Amortisationszeit in Abbildung 30, bei der der Diskontierungsfaktor nicht berücksichtigt wurde, k

Jahren ermittelt werden.



In der nachfolgenden Tabelle sind die Berechnungen, die Abbildung 30 zugrunde liegen angeführt.

Jahr 0 1 2 3 4 5 6 7 8 Jährliche EK€/a 406000 418586 431562 444940 458733,8 472954,5 487616,1 502732,2 518316,9 5Jährliche EK n.

Pyrolyse €/t 87.000 89.697,00 92.477,61 95.344 98.300,09 101.347 104.489 107.728 111.067 Summierte EKStatus Quo 406.000 824.586 1.256.148 1.701.088 2.159.822 2.632.777 3.120.393 3.623.125 4.141.442 4.Summe KostenPyrolyse 3.915.073 4.099.827 4.290.308 4.486.694 4.689.168 4.897.919 5.113.141 5.335.035 5.563.807 5.7

13 14 15

603793 622511 641809

129.384 133.395 137.530

6.984.240 7.606.751 8.248.561

6.818.550 7.093.311 7.376.590

Tabelle 20: Amortisation der Pyrolyse, nicht diskontiert, Grundlage zu Abbi

Amortisationsvergleich 0 1 2 3 4 5

Summierte EK Status Quo 406.000 824.586 1.256.148 1.701.089 2.159.823 2.632.777Summierte Kosten Pyrolyse +Bandtrocknung 5.000.810 5.196.647 5.398.555 5.606.722 5.821.342 6.042.615Summierte Kosten Pyrolyse + sol.Trocknung 6.013.174 6.199.203 6.390.960 6.588.661 6.792.491 7.002.639Summierte Kosten Pyrolyse + sol.Trocknung + 50% Förderung 4.964.724 5.150.753 5.342.549 5.540.291 5.744.163 5.954.355

9 10 11 12 13 14 15 16 17

4.675.827 5.226.778 5.794.808 6.380.447 6.984.240 7.606.752 8.248.561 8.890.371 9.532.180

6.998.464 7.256.228 7.521.983 7.795.977 8.078.464 8.369.708 8.669.981 8.924.768 9.184.757

7.910.431 8.155.235 8.407.629 8.667.847 8.936.132 9.212.733 9.497.909 9.737.132 9.981.073

6.862.334 7.107.189 7.359.634 7.619.906 7.888.246 8.164.904 8.450.139 8.689.423 8.933.427

Tabelle 21: Vergleich der unterschiedlichen Trocknungs- und Finanzierungsmöglichkeiten, G



68

Wie in den vorangegangenen Tabellen zu sehen, liegt die nicht diskontierte

Amortisationszeit bei etwa 12,5 Jahren.

Amortisation Pyrolyse

0,001.000.000,00

2.000.000,003.000.000,004.000.000,005.000.000,006.000.000,007.000.000,008.000.000,00

0 5 10 15

Jahre

€


Summe Kosten Trocknung

Abbildung 30: grafische Darstellung der Amortisationszeit einer Vergasung mittels Pyrolyse, nicht

diskontiert.

Im Vergleich dazu liegen die Amortisationszeiten wenn die Trocknung mitberücksichtigt

wird – also bei einem simultanen Bau der Trocknungs- und der Pyrolyseanlage die

Amortisationszeiten je nach Konzept zwischen 16 und 19 Jahren. Hier ist allerdings zu

berücksichtigen, dass für die Bandtrocknung keine Betriebskosten von der Firma Kopf AG

angegeben wurden. Die realen Werte sind also in jedem Fall etwas schlechter. Um den

Vergleich besser möglich zu machen, wurden auch bei der Solaren Trocknung alle

Betriebskosten bis auf die Wartung nicht berücksichtigt.

Amortissationsvergleich

0

2000000

4000000

6000000

8000000

10000000

12000000

0 5 10 15 20Jahre

€


Summierte Kosten Pyrolyse +Bandtrocknung

Summierte Kosten Pyrolyse +sol. Trocknung

Summierte Kosten Pyrolyse +sol. Trocknung + 50%Förderung

Abbildung 31: Vergleich unterschiedlicher Amortisationszeiten verschiedener Trocknungs- und

Finanzierungsverfahren



69

el. Energie Belebung

el. Energie Entwässerung

CO2 Bilanz Klärschlammtrocknung

Klärschlammtransport

Erzeugungsenergie Transportmittel Kraftstofferzeugung

Klärschlammverwertung

Systemgrenze

Energiebereitstellung zur Errichtung d. Kläranlage,

sowie erneuerter Anlagenkomponenten

6 CO2 Einsparungspotential erstellter Szenarien

Zur Berechnung des CO2 Einsparungspotentials ist es besonders wichtig erst dieSystemgrenzen zu definieren.

Eine gesamte Betrachtung des CO2 Ausstoßes würde den Rahmen dieser Arbeit ebenso

sprengen, wie sie irrelevant wäre. Es ist ausreichend die Teile zu betrachten die bewusst

durch die Verfahrensführung der Kläranlage beeinflusst werden können. Aus diesem

Grund wurden die Grenzen für die folgende Betrachtung sehr eng gesetzt.

Abbildung 32: Darstellung der Systemgrenzen

Im Grunde umfasst der zu betrachtende Bereich ausschließlich den Energiebedarf aus der

Kläranlage, hier im Besonderen den Strombedarf, sowie den CO2 Ausstoß bei derKlärschlammtrocknung und der Klärschlammverbrennung, ebenso wie CO2 Ausstoß im

Klärschlammtransport im Zuge der Entsorgung.

6.1 CO2 im Transport

Ein maßgeblicher Faktor für den CO2 Ausstoß innerhalb der gesetzten Systemgrenzen ist

der Transport des Klärschlammes. In den folgenden Seiten werden 3 Szenarien

gegenübergestellt.

Anhand einiger Annahmen die aus gemittelten Werten in der Literatur ermittelt wurden

kann man ein prozentuelles Einsparungspotential ermitteln.1L Diesel erzeugt etwa 2,62kg CO2 in der Verbrennung



70

Ein durchschnittlicher Sattelschlepper von 20-28tweist eine Nutzlast von rund 5.82 t auf,

pro Fahrzeugkilometer werden 250 g, resp. 0.3 Liter Diesel gebraucht. Die maximale

Nutzlast wäre 12.3 Tonnen. Bei einer Transportladung von rund 10t von Wr. Neudorf bisTernitz kann man daher den CO2 Ausstoß grob abschätzen [Tuchschmid M., Halder M.,

2010 ].

Die Distanz von Wr. Neudorf bis Ternitz beträgt etwa 62km. Jeder LKW ist in der Lage eine

Mulde mit 10m³ Klärschlamm zu befördern. Das führt zu etwa 700 LKW Fahrten von Wr.

Neudorf nach Ternitz jedes Jahr, und damit zu einer Distanz von 43400 gefahrenen

Kilometern. Bei dieser Betrachtung ist allerdings nicht mit einberechnet, dass viele der

LKW leer wieder zurückfahren, wobei dann mit der doppelten Distanz gerechnet werden

muss. Dabei würden dann sogar 74400km jährlich zurückgelegt, bei einem Verbrauch von30l/100km entspricht das 22320l Diesel und damit einem jährlichen CO2 Ausstoß von bis

zu 58 Tonnen CO2 Ausstoß jedes Jahr. Dies ist also die Zahl die für den Status Quo der

ARA Mödling angenommen werden muss.

Bei einer Klärschlammtrocknung auf 80% Trockensubstanz würde sich die zu

transportierende Menge an Klärschlamm von 7000t auf etwa 3000t reduzieren.

Klärschlamm mit konstanter Trockensubstanzmenge zwischen 80 und 90% kann an die

Firma Wopfinger abgegeben werden, von der die ARA Mödling den Kalk (etwa 400t/ Jahr

bezieht)Die Entfernung zwischen Wopfing und Wr. Neudorf beträgt 43km. Bei einer Muldengröße

von 10m³ und einem Kraftstoffverbrauch von 30l/100km ergibt sich bei zurückgelegten

15265km (unter Berücksichtigung, dass 40 LKW Ladungen nur in eine Richtung gerechnet

werden müssen, da sie in die andere Richtung mit Kalk befüllt sind und daher nicht in die

Systemgrenze fallen) ein Einsparungspotential von 17.700 l Diesel und damit etwa 46t

CO2 jährlich gegenüber den maximalen CO2 Emissionen bei einer Kompostierung in

Ternitz.

Diese Berechnungen zeigen, dass mit einer Umstellung von einer Kompostierung in

Ternitz zu einer Verbrennung in Wopfing rund 72% des CO2 Ausstoßes eingespart werdenkönnen.

Bei einer Verbrennung vor Ort am Gelände der ARA Mödling und landwirtschaftlicher

Nutzung der der Asche im Bezirk, mit einer durchschnittlichen zurückgelegten Distanz von

etwa 20km und einem Ascheanfall von 1570t/Jahr könnten mit nur 953l Kraftstoffverbrauch

und daraus resultierenden 2,5 CO2 jährlich 55,5t und damit rund 96% CO2 Ausstoß im

Transport eingespart werden.

Zusammenfassend sind die Zahlen in Tabelle 22 zu sehen. Entsorgungskosten pro t

wurden mit 58€ angenommen.



71

Entfernungin km

Transp. Vol(-1000t

landw.Nutzung)

Gefahrenekm

Kraftstoff-verbrauch

CO2 Transport

CO2Verbrauch in

% ggü.Status Quo

Einsparungin €/Jahr

StatusQuo

62 7000 74400 22320 58t 0%

a) 62 3400 29760 8928 23,5t 40%208.800 €

b) 43 2975 15265 4579,5 12t 21%233.450 €

c) 43 1284,44 2446,222 733,87 2t 3%331.502 €

d) 20 1570,8 3178 953,4 2,5t 4%

Tabelle 22: Übersichtstabelle zum Einsparungspotential im Transportbereich bei einer Muldengröße

von 10m³, beziehungsweise Ladelast von 10t sowie einem Treibstoffbedarf von 30l/100km. a)

solare Trocknung auf 70% und Kompostierung in Ternitz, b) solare Trocknung auf 80%,

Verbrennung in Wopfing, c) wie b), aber 90% TS, d) landwirtschaftliche Ascheausbringung

6.2 CO2 Einsparungspotential im Strombedarf

E-Control:

EVN 248 g CO2 /kWHVerbund (Austrian Power Sales) 367g CO2 /kWh

Verbund (Österr. Elektrizitätswirtschafts GmbH) 0g CO2 /kWh

Wien Energie 204,1g CO2 /kWH

6.2.1 Antriebe

Bei einer Antriebsoptimierung auf die empfohlene Klasse IE3 bei einer Einsparung von

jährlich etwa 56MWh Strom, können bei Verwendung des CO2 Ausstoßes der EVN (248g

CO2/kWh) jährlich 13,9t CO2 eingespart werden.

Motortype Wirkungsgrad FörderungInvestitionkosten

Ersparnisin kWh

ErsparnisCO2 (EVN)

Amortisationszeit

ABB 1989 92,6%IE3, ABB 95,2% 30% 31.920 € 56.000 13,888 8,14IE2, ABB 93,9% keine 33.600 € 28.500 7,068 16,84IE2,Marelli 93,4% keine 16.800 € 17.600 4,3648 13,64IE3, TEE 95% 30% 14.280 € 52.000 12,896 3,92

Tabelle 23 CO2 Bilanz der Motoreffizienz unter Annahme des CO2 Ausstoßes der EVN 2010, mit

248g/kWh [E-Control, 2010 ]



72

6.2.2 Kammerfilterpresse

Bei einer Optimierung der Kammerfilterpresse auf 2kWh/m³ Schlamm und eineTrockensubstanz von 50% werden rund 75MWh/Jahr eingespart. Das führt zu einer CO2

Einsparung von 18,6t im Bereich Elektrizität und 24t im Bereich Entsorgung und Transport.

Hier handelt es sich allerdings nur um eine theoretisches Potential, nachdem trotz

Erwähnung in der Literatur keine Firma gefunden werden konnte, die die dazu nötigen

Zahlen bestätigen konnte.

6.2.3 Klärschlammverbrennung

Die Klärschlammverbrennung ist als CO2 neutral anzusehen. Es handelt sich bei

Klärschlamm um einen erneuerbaren Energieträger [Institut für Kreislaufwirtschaft GmbH,2005 ]. Trotzdem ist die Akzeptanz in der Bevölkerung als minimal zu betrachten. Eine

Umsetzung ist somit schwierig.

6.2.4 Solare Trocknung

Solare Trocknung würde bei 30 kWh/t verdampftem H2O je nach Trockenheitsgrad

zwischen 108 und 172 MWhel zusätzlich benötigen.

Unter Annahme des Strommixes der EVN kann pro kWh mit 248g CO2 gerechnet werden

[E-Control, 2010 ]. Das führt zu einer CO2 Bilanz von zusätzlich 42,5t CO2 jährlich im

Bereich Strom.

El. Energiezur

Trocknung

Klärschlammanfall in t

Ges.Kraftstoff-verbrauch

CO2 Transport

CO2Strom

CO2gesamt

CO2Verbrauchin % ggü.

Status QuoStatus Quo 7000 28272 58,5t 58,5t 0%

a) 108000 3400 11308,8 23,5t 27t 50,5t 76%

b) 120750 2975 5800,7 12t 30t 42t 72%

c) 171466,7 1284,44 929,56 2t 42,5t 44,5t 76%

Tabelle 24 CO2 Bilanz in der solaren Trocknung unter Einbeziehung von 30kW/t verdunstetem H2O,

a) solare Trocknung auf 70% und Kompostierung in Ternitz, b) solare Trocknung auf 80%,

Verbrennung in Wopfing, c) wie b), aber 90% TS,

Wie in Tabelle 24 zu sehen ist, kann allerdings je nach Entsorgung im Bereich Transport

zwischen 35t bei 70%TS und Kompostierung in Ternitz, 46,5t bei 80%TS und Entsorgung

in Wopfing oder gar 56,5t bei 90%TS und Entsorgung in Wopfing eingespart werden. Das

führt zu einem Einsparungspotential von rund 8t bis zu 16,5t CO 2 /Jahr wenn man die CO2

Emissionen durch den Stromverbrauch mit einberechnet.



73

7 Zusammenfassung

Aufgrund der im Rahmen dieser Arbeit erlangten Erkenntnisse können mehrere

Maßnahmen empfohlen werden.

Austausch der Belüfterantriebe:

Eine der ersten und kostengünstigsten Maßnahmen ist die Erneuerung der

Belüfterantriebe. Hier ist bei einer Aufrüstung auf Antriebe der neuen Norm IE3 mit

Einsparungen bis zu rund 50.000kWh/Jahr zu rechnen. Die Anschaffungskosten variieren

je nach Anbieter massiv, nur Motoren der Klasse IE3 sind aber auch mit bis zu 30% des

Investitionspreises förderungswürdig. Je nach Anbieter variieren die Amortisationszeitenzwischen 4 und 8 Jahren, die CO2 Einsparung beläuft sich auf jährlich rund 13 Tonnen.

Ein schrittweiser Austausch der Motoren kann grundsätzlich angedacht werden, jedoch

wird man dann auf die 30% Investitionsförderung verzichten müssen. Wirtschaftlicher wäre

also der Austausch aller Antriebe.

Im Zuge der Umsetzung wäre auch eine Implementierung der Parameter pH-Wert und

NH4-Konzentration in die Steuerung der Belüftung empfehlenswert. Die Online-Messung

dieser Werte ist schon installiert und für die Implementierung ist mit Kosten von rund

2000€ zu rechnen [Huber, H. 2011].

Solare Klärschlammtrocknung:

Für das Verfahren der solaren Klärschlammtrocknung sind mehrere Ansätze möglich.

Je nachdem welche Verwertungsart für den Klärschlamm vorgesehen ist, sind

unterschiedliche Trockenheitsgrade vorzusehen.

Bei einem Trockensubstanzgehalt von 60% oder 70% kann, abgesehen von einer

Kompostierung in Ternitz ausschließlich eine Verbrennung vor Ort vorgenommen werden.

Hierzu muss ein Wirbelschichtofen vor Ort installiert werden. Anschaffungs- und

Betriebskosten einer derartigen Anlage liegen für diese Diplomarbeit nicht vor, jedoch kannaus Erfahrungen anderer Kläranlagen, voranging der Kläranlage Bad Vöslau, geschlossen

werden, dass diese Technologie in Verbindung mit Klärschlamm im Betrieb immer wieder

zu Problemen führt. So wird geschätzt, dass es sich bei der Kläranlage Bad Vöslau um die

teuerste Entsorgung von Klärschlamm in ganz Österreich handelt [Huber, H. 2011,

Strassegger J., 2011]. Zudem ist die Akzeptanz einer Klärschlammverbrennung in der

Bevölkerung sehr gering. Die unmittelbare Nähe des bebauten Gebietes macht also eine

Umsetzung dieses Konzeptes nahezu unmöglich.

Größere Solare Trockenhallen die zu einem Trockensubstanzgehalt von rund 80% führenerweitern den Einsatzbereich des Klärschlammes maßgeblich.



74

So kann neben der Entsorgung auf der Kompostierungsanlage Ternitz noch eine

Verbrennung in den Wopfinger Zementwerken, die um eine Drittel näher an Mödling liegen

als Ternitz, oder eine vor Ort installierte Pyrolyse angedacht werden.Für solare Trockenhallen mit einer Trockenleistung von bis zu 90% überwiegt der

Strombedarf in der CO2 Bilanz die Einsparungen im Transport. Sie sind also in erster

Instanz nicht empfehlenswert. Zudem überwiegt bei diesem TS-Gehalt die Staubbildung

und es kann zur Gefahr von Staubexplosionen kommen, was zu überteuerten

Sicherheitsmaßnahmen führen würde.

Die Amortisationszeit der Anlage liegt mit knapp über 8 Jahren in einem sehr vernünftigen

Rahmen. Das CO2 Einsparungspotential von etwa 56t/Jahr im Bereich Verkehr darf nicht

vergessen werden, da Mödling eine Klimaschutzgemeinde ist.

Zudem fällt diese Anlage unter das Förderprogramm des Klima- und Energiefonds, der2011 5 Mio zur Förderung solarer Großanlagen bereitstellt. In diesem Rahmen sind

Förderungen bis 50% möglich.

Pyrolyse:

Das Verfahren der Pyrolyse ist, obwohl sehr teuer, durchaus in der Lage das

Entsorgungsproblem von Klärschlamm zu lösen. Dabei wird die organische Substanz in

Pyrolysegas, eventuell Pyrolyseöl und ein inertes Granulat umgewandelt. Die Probleme

der Ascheverschlackung, wie sie in Wirbelschichtöfen auftritt, kommen in diesem

Verfahren nicht zum tragen, da statt Asche nur inertes Granulat als Endprodukt anfällt.Dieses ist reich an Phosphor und sollte in der Düngemittelproduktion berücksichtigt

werden.

Wie im Kapitel der Wirtschaftlichkeit zu sehen ist, muss hier leider die späte

Amortisationszeit berücksichtigt werden. Da das Verfahren Trockensubstanzgehalten von

mindesten 80% benötigt [Kopf Syngas. 2011], muss parallel, oder vor Anschaffung der

Pyrolyse eine Trocknung installiert werden. Hier kommen das Verfahren der

Bandtrocknung und das Verfahren der solaren Trocknung in Frage. In Kombination mit der

Pyrolyse macht die Bandtrocknung durchaus Sinn, da hier die Abwärme beziehungsweise

das Pyrolysegas zur Trocknung vor Ort verwendet werden kann.Zur Entscheidungsfindung welche Trocknung zu wählen ist, ist hier eine detaillierte

Kostenaufstellung und ein genaueres Konzept der berechneten Anlage nötig, als zum

Zeitpunkt der Diplomarbeit vorliegend.

Handlungsempfehlung:

Die nächsten Schritte sind das Einholen konkreter Anbote für Motoren der IE3, sowie

paralleles Ansuchen um Förderung. Ebenso sollen die Parameter pH und Ammonium in

die Belüftungsregelung eingeschlossen werden. Danach empfiehlt sich die solare

Trocknung auf 80%, sobald eine Förderung zugesagt wird. Das Verfahren Pyrolyse solltegründlich überdacht werden und nur nachträglich installiert wenn die solare Trocknung

über mehrere Jahre stabil funktioniert.



Tabellarische Zusammenfassung:

Eine Zusammenfassung der möglichen Szenarien, ihrer monetären Auswirkungen und ihrem Ei

Ausstoß ist in nachfolgender Tabelle zu sehen.

Tabelle 25: Tabellarische Zusammenfassung der CO2 Auswirkungen sowie der Amortisationszeit und der in

Szenarien.

ZUSAMMENFASSUNG

Szenario Umrüstung Kosten Förderung Amortisationszeit Einsparung

Motoreffizienz IE3, ABB 31920 € 30% IK 8,14 Jahre 56.000 kWh

IE2, ABB 33600 € keine 16,84 Jahre 28.500 kWh

IE2, Marelli 16800 € keine 13,63 Jahre 17.600 kWh

Solare Trocknung Trockenhallen 70% 1.835000€ bis 50% IK 8,5 Jahre 116.568 kW

und Kompostierung 58€/t 18.670€/a keine 14.450l Dies

Summe 8,5 Jahre

Solare Trocknung Trockenhallen 80% 2.096.900€ bis 50% IK. 4 bis 8,2 Jahre 129.318 kW

Verbrennung bei 58€/t 18,670€/a keine 18.477l Dies

Wopinger Summe 8,16 Jahre

Solare Trocknung Trockenhallen 80% 2.096.900€ keine 19 Jahre 129.318 kW

mit Förderung 50% Trockenhallen 80% 1.048.450€ bei 50% IK 15,5 Jahre 129.318 kW

und Pyrolyse Pyrolyse 3.735.875€ kA 7500 kWh/a

Pyrolyse+Bandtrocknung Summe IK 4.990060€ kA 16,2 Jahre kA für Trock

Einsparung im Transport nach Pyrolyse 1,5t Restsubstanz Summe



76

Literaturverzeichnis

(1) Abfallwirtschaft Steiermark, 2010 Land Steiermark, - Amt der Steiermärkischen Landesregierung, http://www.abfallwirtschaft.steiermark.at/cms/beitrag/10009935/4336040/

(2) Abwasserentsorgung, 2010 BOKU, Institut für Siedlungswasserwirtschaft und Gewässerschutz, SkriptumAbwasserentsorgung, Teil B, http://www.wau.boku.ac.at/fileadmin/_/ H81/H811/Skripten/811108/811108_B_10_neu.pdf

(3) AIT Seibersdorf, 2010 Analsysenwerte eines Klärschlammes der Kläranlage Mödling, Prüfbericht Nr.UA435/10p, 17.11.2010, Seite 6 und 7 von 7

(4) Balzert H., 2005 Lehrbuch der Objektmodellierung - Analyse und Entwurf mit der UML 2,2. Ausg., Elsevier GmbH, München 2005.

(5) Becker et al.,ATB Technisches Büro, Entwicklungsprojekt für eine Biogasanlage für die biogenenAbfälle der Stadt Mödling,

(6) Bretschneider H., et al, 1993 Taschenbuch der Wasserwirtschaft, 7.Auflage, 1993 Verlag Paul Parey

(7) Bundesverband PHOTOVOLTAIC AUSTRIA, 2011http://www.pvaustria.at/content/page.asp?id=62, 4.Februar 2011

(8) CEMEP, 2005 http://www.cemep.org/index.php?id=53;

(9) Cord-Landwehr, Klaus, 2002 Einführung in die Abfallwirtschaft, 3. Auflage, S 219, BG Teubner Verlag

(10) E-Control, 2010 Bericht über die Stromkennzeichnung 2010, http://www.e-control.at/portal/page/portal/medienbibliothek/oeko-energie/dokumente/pdfs/stromkennzeichnungsbericht-2010-final.pdf

(11) Elektromotor.at http://www.elektromotor.at/pdf/elektromotoren_lexikon.pdf

(12) Energieratgeber Schweiz, 2011www.energie.ch, 2011 Aktualisiert: Am 13.10.10 um 20:38 Uhr Erstellt: Am18.08.09 um 20:49 Uhr Autor: Rolf Gloor

(13) Envicon, 2009 Datenblatt Envicon Belüfter, 2009, Plitzko, Wojciechowski,http://www.envicon.net/index.php/envicon-downloads.html

(14) EOLING AG Zürich,1997 Bundesministerium für Umwelt, Jugend und Familie, Verfahrens- und Kostenvergleich für die thermische Behandlung von Abfall, Wien

(15) EuroDEEM, 2007

Europäische Kommission, http://re.jrc.ec.europa.eu/energyefficiency/eurodeem/,June 2007



77

(16) FFG, 2008 Neue Energien 2020, Geförderte Projekte Sonstige erneuerbare Energien. Ref.Nr

472, Energie aus Abwasser, Abwasser-Wärme- und Kältenutzung mittelshocheffizienter Großwärmepumpen, Ochsner Wärmepumpen GmbH, 2.Ausschreibung Neue Energien 2020

(17) Fischli, Zweifel, 2004 Meßkampagne für eine solare Klärschlammtrocknungslanlage in Bilten GL,Energieprojekte Flischli, Näfels, Projektnummer 28268, Bundesamt für Energie,Schlussbericht Oktober 2004

(18) Förstner, 2008 Umweltschutztechnik, 7. vollständig bearbeitete und aktualisierte Auflage, VDISpringer, 2008, S251

(19) Frey W., 2003 Wirtschaftlicher Einsatz von Belüftungssystemen, http://www.aabfrey.com/wp-content/uploads/2009/12/Wassertag_2003.pdf, Wassertag Juni 2003, Bad Ischl

(20) Frey W., Thonhauser C.,2003 Betriebsprobleme mit Druckluftsystemen, Wiener Mitteilungen Band 183

(21) Grühbaum, 2011Kläranlage Mödling, mündliche Auskunft, zu Verfügungstellung von Daten

(22) Heß S., Rommel M., 2008 Advanced Flat Plate Collectors, Fraunhofer ISE, Deutschland, Task 33http://www.iea-shc.org/task33/publications/

(23) Huber, H. 2011Kläranlage Mödling, mündliche Auskunft

(24) Huber Technology, 2010 Waste Water Solutions,http://www.gawn.de/seminars/abfallwasser2010/Kl%E4rschlammtrocknung.pdf

(25) Institut für Kreislaufwirtschaft GmbH, 2005 www.ikrw.de, Machbarkeitsstudie Perspektiven der solaren Klärschlammtrocknungim Land Bremen, 2005

(26) IST Energietechnik, 2011http://www.wendewolf.com/klsfragen.php?lang=de,

(27) ITT Wastewater Treatment, 2010 http://www.itttreatment.com/de/ProductPDF/63531-460eng.pdf, www.flygt.de, 2010

(28) Jaehnig D., Rojas Bravo E., 2008 Parabolic Trough Collectors, AEE INTEC Austria, CIEMAT Spain, Task 33http://www.iea-shc.org/task33/publications/

(29) Kaltschmitt M. et al, 2009 Martin Kaltschmitt, Hans Hartmann, Hermann Hofbauer, Energie aus Biomasse.Grundlagen, Techniken und Verfahren. Springer Verlag, Berlin und Heidelberg2009; S. 378-379. ISBN 978-3-540-85094-6.

(30) Kassner W., 2003

Solartrocknung als Technik zur Klärschlammbehandlung etabliert, GWF Wasser,Abwasser 144, Nr 7-8



78

(31) Kunz PM., 1998 Behandlung von Schlamm Vogel Buchverlag, Würzburg, 1.Auflg. 1998, Schlamm,

Vogel Verlag(32) Kopf Holding, 2010

2010 Kopf Holding GmbH - Stützenstraße 6, D-72172 Sulz-Bergfelden,http://www.kopf-verw.de/syngas.html

(33) Kopf Syngas. 2011Gaiffi M., schriftliche Auskunft, Informationsmaterialien und Daten

(34) Luboschik, 1997 Projektkennblatt der Deutschen Bundesstiftung Umwelt, Referat 24/2, Az 04401,Solare Trocknung von Klärschlamm

(35) Melsa et.al 1999

Bäckler, Hansen, Husman, Wessel, Witte, Trocknung kommunaler Klärschlämme inDeutschland, Teil 2: Erfahrungen mit bestehenden Anlagen, KorrespondenzAbwasser 1999, Nr 9, S1445-1456

(36) Nümm, H., 1990 Betrieb von Schlammbehandlungsanlagen, praktischer Betrieb einerKlärschlammtroknungsanlage. Peter Kunz und 13 Mitautoren, expert Verlag

(37) ÖAWV – Arbeitsbehelf Nr.9 Teil 1 (2.Auflage) Seite 12

(38) Passevant Roediger Products Sauerstoffzufuhr in Belebungsbecken durch Oberflächenbelüfter,

http://www.passavant-geiger.de/data/pool/d980435291.pdf, Yasar-Arzu Öztürk,Stand 25.Mar.2011

(39) Pyromex AG Schöngrund 1, CH-6343 Rotkreuz / Zug, Schweiz, e-Mail: [email protected],www.pyromex.ch

(40) Pfeiffer, W., 1990 Verfahrensvarianten der biologischen Stabilisierung und Entseuchung vonKlärschlamm – Leistungsvergleich, Berichte aus Wassergütewirtschaft undGesundheitsingenieurswesen, TU München

(41) Richtlinie 86/278/EWG über Klärschlamm (2003a)3.3. Zu Anhang 1B und den Höchstmengen an Schlämmen (Trockensubstanz), dieauf den Boden aufgebracht werden dürfen – Artikel 5, Absatz 2, Buchstabe a, 2003

(42) Richtlinie 86/278/EWG über Klärschlamm (2003b)3.7. Beschreibung der Technologien, die zu Behandlung der Schlämme verwendetwerden – Artikel 6 2003

(43) Rott U. et al, 2006 Betriebsoptimierung von Belebungsanlagen, Stuttgarter Berichte zurSiedlungswasserwirtschaft Band 186, Oldenbourg Industrieverlag GmbH

(44) Sahanek, M. 2011Firma ABB, mündliche und schriftliche Auskunft

(45) Scharf S., Schneider M., Zehtner G., 1997 Zur Situation der Entsorgung und Verwertung des kommunalen Klärschlammes inÖsterreich, Monographien Band 095, Bundesministerium für Umwelt, Jugend undFamilie, Wien, 1997



79

(46) Schönherr, F. 2009 Halbtechnische Untersuchung zum Einfluss des pH-Wertes auf die Nitrifikation

beim Belebungsverfahren in Abhängigkeit des Kohlensäuresystems(47) Siekmann, Jakob, 2008

Energetische Optimierung der Abwasserreinigung und Klärschlammbehandlung,Entwicklungstendenzen und Zukunftsperspektiven, Ingenieursgesellschaft Dr.Siekmann und Partner GmbH

(48) SIEMENS, 2010 Niederspannungs-Asynchron Motoren nach neuem Wirkungsgradstandard undneuen Effizienzklassen, Siemens AG, Industry Sector, Drive Technologies, Bestell-Nr.:E80001-A500-P220-V1;http://www.industry.siemens.com/topics/global/en/energy-efficient-production/new-energy-efficiency-classes/Documents/flyer-ie-de.pdf

(49) Stadtgemeinde Mödling, 2011www.moedling.at, Mödlinger Energiekonzept, webmaster Christian Boeger

(50) Strassegger J., 2011Mündliche Auskunft

(51) Strassegger J. Technisches Büro Solare Klärschlamm-Trocknungsanlage Strass, WAAV Süd, AbwasserfverbandLeibnitzerfeld-Süd, www.wendewolf.at

(52) Suri, M. et al, 2001-2008 PVGIS European Communities, 2001-2008, http://re.jrc.ec.europa.eu/pvgis/

(53) Thomé- Kozmiensky, Karl J, 1994 Thermische Abfallbehandlung, 2. Auflage, S 30, EF Verlag

(54) Thorbecke, J. 1994 Der Landkreis Lörrach: B. Gemeindebeschreibungen Kandern bei Zell im Wiesental

(55) Tschepetzki, R., Seick I., 2008 Entwicklung von energiesparenden und umweltschonenden Belüftungsstrategienfür längsdurchströmte Belebungsbecken unter Berücksichtigung vonIndustrieabwässern, AZ: 21499-23, Deutsche Bundesstiftung Umwelt, Februar2008

(56) Tuchschmid M., Halder M., 2010

Mobitool - Grundlagenbericht, Hintergrund, Methodik und Emissionsfaktoren,Review Bauer C., Paul-Scherrer Institut, unterstützt durch Energie Schweiz

(57) Urban et al.Institut WAR, 2009, Urban W., Cornel P., Jager J., Schebek L., Monstadt J.,Wagner M., Tätigkeitsbericht 2009, TU Darmstadt

(58) Umwelterklärung, 2007 lt. EMAS Stadtgemeinde Mödling für den Standort Kläranlage, Eumigweg

(59) VDI, 1998 Verein Deutscher Ingenieure, Müllverbrennungsanlagen und Kraftwerke –Erhöhung der Anlagensicherheit durch Schadensanalyse, Tagung Würzburg, S 5-

10



80

(60) Wagner K.W., 2007 Performance Excellence. Der Praxisleitfaden zum effektiven Prozessmanagement,

Hanser Fachbuch, München 2007.(61) Wittmann E., 1990

Stadtbaudirektor, Stadtgemeinde Mödling, Informationsschrift Zentralkläranlage derStadtgemeinde Mödling, 1990

(62) Zweifel et al. 2001Zweifel H.R., Fischli O., Brauchli H., Herrman P.,Solare Klärschlammtrocknung in der Praxis, GWA Heft 7, 2001



81

Abbildungsverzeichnis

Abbildung 1 Einzugsgebiet der Abwasserreinigungsanlage Mödling [Wittmann E., 1990] .12 Abbildung 2: Anlagenschema der Kläranlage Mödling [Wittmann E., 1990] ......................15 Abbildung 3: Energieeffizienzklassen in der EU [Energieratgeber Schweiz, 2011]............22 Abbildung 4: Wirkungsgrade von E-Motoren innerhalb der neuen Effizienzklassen IE1 bis

IE3 [Energieratgeber Schweiz, 2011] ................................................................................23 Abbildung 5: Vergleich neuer und alter Messmethoden bei IE2 bzw. EFF1 Motoren

[SIEMENS, 2010 ] ..............................................................................................................23 Abbildung 6: Typische Wirkungsgrade der Effizienzklassen EFF1 bis EFF3

[Energieratgeber Schweiz, 2011] ......................................................................................24 Abbildung 7: Berechnung der Stromersparnis bei Tausch eines ABB Motors durch den

Motor ARCELIK QH225M4 ...............................................................................................25 Abbildung 8 typische Motorkennlinie eines Niederspannungs-Asynchronmotors

[Elektromotor.at]................................................................................................................27 Abbildung 9: Einfluss des Trockensubstanzgehaltes auf den Sauerstoffbedarf und damit

indirekt auf den Energiebedarf im Belebungsbecken [Siekmann, Jakob, 2008 ].................28 Abbildung 10: ITT Wastewater Treatment Leistungskurve des EPDM Druckluft Moduls

Silver Series II bei 3-,4-,5 und 6m Eintauchtiefe [ITT Wastewater Treatment, 2010] ........31 Abbildung 11: Zusammenhang zwischen OC, P, Op und Eintauchtiefe von Mammutrotoren(nach einer Firmenschrift der Fa. Passavant) [Frey W., 2003 ]...........................................32 Abbildung 12: a) ENVICON Membranrohrbelüfter Typ EMR, technische Daten gemessen

nach ATV M209 (Reinwasser, Wassertiefe 4m, gemittelt über eine Belegungsdichte von

0,8-1,2mBEL/m²), b) Abschätzung des O2 Ertrages bei 3m Tiefe lt. Abbildung 10 [Envicon,

2009 ].................................................................................................................................33 Abbildung 13: ENVICON Membranscheibenbelüfter Typ EMR, technische Daten

gemessen nach ATV M209 (Reinwasser, Wassertiefe 4m, Belegungsdichte von

1,1mBEL/m²) [Envicon, 2009 ] b) Abschätzung des O2 Ertrages bei 3m Tiefe lt. Abbildung

10......................................................................................................................................34 Abbildung 14: ENVICON Keramikscheibenbelüfter Typ EMR, technische Daten gemessen

nach ATV M209 (Reinwasser, Wassertiefe 4m, Belegungsdichte 1,1 St EKS/m²) [Envicon,

2009 ] b) Abschätzung des O2 Ertrages bei 3m Tiefe lt. Abbildung 10...............................34 Abbildung 15 Abhängigkeit der energieautarken Prozessführung bei der

Klärschlammverbrennung von Wassergehalt und Heizwert [Thomé- Kozmiensky, Karl J,

1994 ].................................................................................................................................38 Abbildung 16 Auswirkungen der Schlammwasserentfernung [ATV, 1996 zitiert in

Abwasserentsorgung, 2010 ]..............................................................................................39 Abbildung 17: Spezifischer Energiebedarf für die Verdampfung von 1t Wasser [Melsa et.al 1999 ].................................................................................................................................40 Abbildung 18: Globalstrahlung in Österreich [Suri M. 2001-2008] .....................................42



82

Abbildung 19: Globalstrahlung in Deutschland [Suri, M. et al, 2001-2008] ........................43 Abbildung 20: Einstrahlung in Wh/(m²d) in Österreich im Jahresverlauf [Bundesverband

PHOTOVOLTAIC AUSTRIA,2011]....................................................................................44 Abbildung 21: Wasserverdunstung in einer solaren Trocknungsanlage im Jahresverlauf

[Huber Technology, 2010 ] .................................................................................................44 Abbildung 22 Energie- , Massenbilanz sowie Kosteneinsparung der ARA Glarnerland im

Jahr 2000 [Zweifel et al. 2001] ..........................................................................................45 Abbildung 23: Prozesse und ihre benötigten Temperaturen [Heß S., Rommel M., 2008 ] ..46 Abbildung 24 Reaktionsgleichungen im Pyromex Verfahren [Pyromex AG ] ......................49 Abbildung 25 Materialfluss einer Pyromex Anlage [Pyromex AG ]......................................50 Abbildung 26 Verfahrensshema einer Kopf- Klärschlammvergasung [Kopf Syngas. 2011]

..........................................................................................................................................51 Abbildung 27 Vergleich des alten ABB Motors HXUR 452G2 HXR 225SMB4 mit dem

modernen Motors M4BP225SMB4 [EuroDEEM, 2007 ]. ....................................................59 Abbildung 28 Vergleich des alten ABB Motors HXUR 452G2 HXR 225SMB4 mit dem

Marelli IE2 Motor BAQ 225 M4 [siehe Anhang A]..............................................................60 Abbildung 29: grafische Darstellung der summierten Kosten der solaren Trocknung

(jährliche Betriebskosten, Entsorgungskosten sowie Investitionskosten in Jahr 0), pinke

Linie, sowie der summierten Entsorgungskosten der Klärschlammkompostierung in Ternitz

bei einem Preis von 58€, blaue Linie, beides bei einer jährlichen Inflation von 3,1%.........64 Abbildung 30: grafische Darstellung der Amortisationszeit einer Vergasung mittelsPyrolyse, nicht diskontiert..................................................................................................68 Abbildung 31: Vergleich unterschiedlicher Amortisationszeiten verschiedener Trocknungs-

und Finanzierungsverfahren..............................................................................................68 Abbildung 32: Darstellung der Systemgrenzen..................................................................69



83

Tabellenverzeichnis

Tabelle 1 Zusammenfassung der Kennwerte ARA Mödling [Umwelterklärung, 2007] .......13 Tabelle 2 in der ARA Mödling erreichte und von der gesetzlich erforderlichen Abbauraten

berechnet in % aus den Werten der Tabelle 3 [Umwelterklärung, 2007] ...........................16 Tabelle 3: Kläreffizienz der ARA-Mödling anhand einiger Parameter im Vergleich zu den

gesetzlich vorgeschriebenen Grenzwerten [Umwelterklärung, 2007] ................................16 Tabelle 4 Grenzwerte für Leistungskennwerte laut [ÖAWV – Arbeitsbehelf Nr.9]..............17 Tabelle 5 Umweltprogramm der Kläranlage Mödling [Umwelterklärung, 2007]..................18 Tabelle 6 Energieverbrauch 2010 an den Verbrauchsstellen in [kWh] [Grühbaum, 2011] 19 Tabelle 7 Berechnung der durchschnittlichen Leistung mittels Gesamtverbrauch in kWhund Betriebsstunden der Belüftermotoren. ........................................................................26 Tabelle 8: Sauerstoffzufuhr und Sauerstoffertrag bei unterschiedlichen Belüftungsarten

[Bretschneider H., et al, 1993 S 902-903]..........................................................................30 Tabelle 9 Stärken und Schwächen von Belüftungssystemen [Frey W., 2003 ] ...................32 Tabelle 10 Spezifischer thermischer Energiebedarf thermischer Trocknungsverfahren für

Klärschlamm [Fischli, Zweifel, 2004 ] .................................................................................40 Tabelle 11: Spezifischer Energiebedarf thermischer Trocknungsverfahren für Klärschlamm

[Förstner, 2008 ].................................................................................................................47 Tabelle 12: Grenzwerte für die Konzentration von Schwermetallen im Boden (mg/kgTrockensubstanz) im Ländervergleich [Richtlinie 86/278/EWG über Klärschlamm (2003a)]

..........................................................................................................................................53 Tabelle 13: Grenzwerte für die Konzentration von Schwermetallen in Schlämmen (mg/kg

Trockensubstanz) [Richtlinie 86/278/EWG über Klärschlamm (2003a)].............................54 Tabelle 14 Analysewerte eines Klärschlammes der Kläranlage Mödling Teil 1 [AIT

Seibersdorf, 2010 ].............................................................................................................55 Tabelle 15 Analysewerte eines Klärschlammes der Kläranlage Mödling Teil 2 [AIT

Seibersdorf, 2010 ].............................................................................................................56 Tabelle 16 errechnete Schwermetallgehalte in der Asche nach einerKlärschlammverbrennung .................................................................................................56 Tabelle 17 Zusammenfassung der Möglichkeiten zur Verbesserung der Motoreffizienz (

Preis für den Motor von TEE ist leider nicht bestätigt).......................................................61 Tabelle 18 Amortisationsberechnung der solaren Klärschlammtrocknung.........................63 Tabelle 19: Berechnung der Amortisationszeit unter Berücksichtigung der Angaben auf der

vorangegangenen Seite....................................................................................................66 Tabelle 20: Amortisation der Pyrolyse, nicht diskontiert, Grundlage zu Abbildung 31........67 Tabelle 21: Vergleich der unterschiedlichen Trocknungs- und Finanzierungsmöglichkeiten,

Grundlage zu Abbildung 32...............................................................................................67 Tabelle 22: Übersichtstabelle zum Einsparungspotential im Transportbereich bei einer

Muldengröße von 10m³, beziehungsweise Ladelast von 10t sowie einem Treibstoffbedarf



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von 38l/100km. a) solare Trocknung auf 70% und Kompostierung in Ternitz, b) solare

Trocknung auf 80%, Verbrennung in Wopfing, c) wie b), aber 90% TS, d)

landwirtschaftliche Ascheausbringung...............................................................................71 Tabelle 23 CO2 Bilanz der Motoreffizienz unter Annahme des CO2 Ausstoßes der EVN

2010, mit 248g/kWh [E-Control, 2010 ]...............................................................................71 Tabelle 24 CO2 Bilanz in der solaren Trocknung unter Einbeziehung von 30kW/t

verdunstetem H2O, a) solare Trocknung auf 70% und Kompostierung in Ternitz, b) solare

Trocknung auf 80%, Verbrennung in Wopfing, c) wie b), aber 90% TS, ............................72 Tabelle 25: Tabellarische Zusammenfassung der CO2 Auswirkungen sowie der

Amortisationszeit und der initialen Investitionskosten unterschiedlicher Szenarien. ..........75

Abkürzungsverzeichnis

ARA Abwasser Reinigungs Anlage

FFG Forschungs Förderungs Gesellschaft

KS Klärschlamm

kWel

Elektrische Leistung

kWth Thermische Leistung

PV Photovoltaic

TS Trockensubstanz

WWW World Wide Web



85

Anhang: ABB – Technische Daten



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MARELLI Motors