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23.06.2017 12:17

Klärwerk.info / Fachwissen / Schlammbehandlung / Flocken im Klärprozess, der Schlüssel zur Effizienzsteigerung um bis zu 30%

Flocken im Klärprozess, der Schlüssel zur Effizienzsteigerung um bis zu 30%

Technik, Expertise und Amortisation 

Einleitung:
Bild FW-Schlamm-Aquen-Flocken-Bild-01.jpgDie Prozesse zur Klärung von Abwässern (Wasser- und Feststofftrennung) werden kontinuierlich optimiert, eine Aufgabe für den verantwortlichen Leiter und seine Mannschaft. Neue Meß- und Regelungstechniken und eine kontinuierlich gewachsene Prozesserfahrung haben zur Klärprozessverbesserung beigetragen. Die Betrachtung der in den produzierenden Prozessindustrien wichtigen Prozessgröße OEE (Overall Equipment Effectiveness) gewinnt als Kenngröße mehr und mehr an Bedeutung. Der Druck auf den Anlagenbetreiber, getrieben durch das Klärmaterial und dessen Inhaltsstoffe, aber auch durch eine veränderte gesellschaftliche und gesetzgeberische Landschaft, nimmt kontinuierlich zu. Die landwirtschaftliche Ausbringung der Klärschlämme wird zunehmend schwieriger, die kostenintensivere Verbrennung wird zunehmen. Die Kosten für die Flockungshilfsmittel, die Transportkosten und die Abnahmekosten für den Klärschlamm werden daher stetig steigen. An diesen drei Kostenblöcken anzusetzen führt nach einer Prozessanalyse der Spezialisten der TU Clausthal zu kurzfristig einfahrbaren Reduzierungen im zweistelligen Prozentbereich, mit Amortisationszeiten von deutlich weniger als einem Jahr. Einfach erreichbar durch die Integration eines überschaubaren Anlagenblocks zur Vorbehandlung des Klärschlammes. Mit einer neuartigen Konditionierungstechnik für polymer-initiierte Flockungsvorgänge kann durch das zweistufige Verfahren mit vier Freiheitsgraden für jeden Trennprozess die Flockenstruktur optimiert werden. Anwendung findet die Technologie bisher in der Abwassertechnik (Klär- und Biogaswerke), zur Schlammbehandlung (bspw.Bohrwasseraufreinigung) und in der Deponiesickerwasserreinigung. In Kombination mit marktüblichen Trennaggregaten kommt es neben der Erhöhung der Separationsleistung zu einer signifikanten Reduzierung des Polymerverbrauchs.
Kurz: Eine höhere Entwässerungsleistung ist durch gezieltere Flockung mit dem FlocFormer möglich, bspw.von 22% auf ca.27%TS, von 28% auf ca.32%, etc.

Prozess/Verfahren:
Bild FW-Schlamm-Aquen-Flocken-Bild-02.jpgIn der Abwasser und Schlammbehandlung sind polymer - initiierte Eindick- und Entwässerungsprozesse seit langer Zeit ein zentraler Bestandteil der Verfahrensführung. In jüngerer Zeit werden Flockungsprozesse auch zunehmend in anderen Bereichen genutzt, um aus einem Medium bestimmte Inhaltsstoffe abtrennen zu können, so zum Beispiel in der Papierindustrie. Geschichtlich bedingt lag das bisherige Augenmerk primär auf den Separationsmaschinen selbst. Im Regelfall wenig Beachtung fand und findet jedoch die Erzeugung der richtigen Flocke für den Separationsprozess. Einstufige oder statische Mischer sind in Hinsicht auf die Flockenausprägung nur begrenzt zu regeln; daher ist eine reproduzierbare Flockenstruktur nur sehr schwer realisierbar. Schwächen in der Flockenerzeugung werden durch Überdosierung des Flockungshilfsmittels kompensiert, dies wiederum verursacht höhere Kosten, optimiert aber nicht den Trennprozess.
Für die Effizienz von Separationsprozessen, wie Filtrationen oder Trennungen im Schwerefeld, hat neben der eigentlichen eingesetzten Trenntechnik die Konditionierung des Mediums einen entscheidenden Einfluss auf das Ergebnis. Unter Konditionierung wird hierbei die Vorbereitung des Mediums für den Trennprozess verstanden. Für die Konditionierung finden in Abwasseranwendungen sehr häufig organische Flockungshilfsmittel Anwendung. Die Zugabe dieser organischen Polymere bewirkt eine Flockung der kolloidalen Bestandteile der Medien. Dabei werden die erzielten Flockenstrukturen sehr stark davon beeinflusst, wie die Einbringung des Konditionierungshilfsmittels in den Schlamm erfolgt. Um diese bisherigen Nachteile und Schwächen aufzuheben und eine regelbare und reproduzierbare Flockenstruktur erzeugen zu können, wurde in Zusammenarbeit mit der TU Clausthal ein neuartiger zweistufiger Flockungsreaktor entwickelt. Neben den prozessspezifischen Zielvorgaben musste die Integrierbarkeit in bestehende Prozesse durch eine hybride, kompakte Bauweise gestützt werden.

Hohe Trennleistung durch ´gute´ Flocken
Voraussetzung für eine hohe Trennleistung ist die Konzentration und das möglichst vollständige Zusammenfügen der abzutrennenden kolloidalen
Bild FW-Schlamm-Aquen-Flocken-Bild-03.jpgInhaltsstoffe in mechanisch belastbare und somit filtrierbare Flockenstrukturen. Hierbei muß besonderes Augenmerk auf das Einbinden von Feinstpartikeln in die Flockenstruktur gelegt werden, sie sollen mit gebunden werden und nicht im Wasser abgehen. „Das Restwasser muss klar sein.“
Konventionelle Konditionierungstechnik ist selten in der Lage, dieser Anforderung zu genügen. Die Einmischung des Polymers in einstufige Inline- Mischer oder statische Mischapparaturen ist aufgrund der geringen Zahl an Stellgliedern wenig effektiv. Beim Inline-Mischer lässt sich lediglich die Umdrehungsgeschwindigkeit des Rührwerks regeln. Die Bildung einer Flockenstruktur, die eine bestimmte Größe und gleichzeitig eine bestimmte Stabilität bedarf, ist hiermit nicht möglich. Die Durchmischungsintensität im statischen Mischer ist direkt abhängig vom fließenden Volumenstrom. Eine Änderung der Mischcharakteristik lässt sich bei festgelegtem Volumenstrom also nicht realisieren.
Durch ´Flocculation Engineering´ können die bestimmenden Faktoren der Konditionierung, wie beispielsweise Verweilzeit, Energieeintrag in den Teilschritten des Prozesses sowie der Verbrauch des Flockungshilfsmittels, gezielt gesteuert werden. Mit dem neuartigen zweistufigen Flockungsverfahren besteht nun die Möglichkeit, die Teilprozesse Flockenentstehung und Flockenausprägung separat zu beeinflussen.

Der Flockungsreaktor im Prozess, Wirkungsweise
Bild FW-Schlamm-Aquen-Flocken-Bild-04.jpg
Der Flockungsvorgang wird in einem zweistufigen Reaktor mit vier Freiheitsgraden durchgeführt. Zunächst wird in einem Mischer das Flockungshilfsmittel homogen unter turbulenten Bedingungen in das Medium eingebracht. Es findet eine Totalflockung statt. Anschließend werden die zu diesem Zeitpunkt großvolumigen und scherinstabilen Flocken in einem Flockenformungsreaktor gezielt erodiert, kompaktiert und für die Separation optimiert ausgeprägt.

Bild FW-Schlamm-Aquen-Flocken-Bild-05.jpgFlocFormer 3L für 18 m³ Medium/h

Als Flockenformungsreaktor dient ein modifizierter Kegelrührer. Ein innerer Kegel rotiert koaxial in einer äußeren Kegelschale. Die Strömungsverhältnisse im Kegelspalt sind nicht konstant, sondern ändern sich mit der axialen Position im Kegel. An der Kegelbasis treten aufgrund des größeren Durchmessers höhere Umfangsgeschwindigkeiten auf als in der Nähe der Kegelspitze. Diese spezifischen Strömungsverhältnisse ermöglichen die Koexistenz von laminaren und laminar-zellularen Strömungszuständen FlocFormer 3L für
18 m3Medium/h in einem Apparat.
Der Umschlagpunkt von der laminaren in die laminar-zellulare Strömung wird beim Kegelrührer vornehmlich von der auftretenden Rotationsgeschwindigkeit sowie von den Radienverhältnissen im Kegelspalt bestimmt. Zusätzlich zur Änderung der Rotationsgeschwindigkeit kann der innere Kegel im äußeren Kegel axial verschoben werden. Auf diese Weise wird Einfluss auf die Radienverhältnisse im Kegelrührer genommen. Der Betriebspunkt des Rührers kann durch Änderungen der Rotationsgeschwindigkeit und der Spaltweite bewusst beispielsweise an höhere Volumenströme oder Massenströme angepasst werden. Ein optimiertes Strömungsregime wird somit sichergestellt. 

Bild FW-Schlamm-Aquen-Flocken-Bild-06.jpg

Fließschema der zweistufigen Konditionierung 

Als zusätzliche, weiterreichende Einflussgröße wird neben der perikinetischen und der orthokinetischen Flockung der Effekt der mechanischen Synerese im Flockenformungsreaktor genutzt, um eine Pelletierungsflockung zu realisieren. Durch das Abrollen der Flocken auf den Flächen der Kegel werden lokale, ungleichmäßige, äußere mechanische Kräfte auf die Flocken aufgebracht, die somit verdichtet werden. Die Endprodukte der zweistufigen Konditionierung sind Flockenpellets. Diese Pellets lassen sich sehr gut entwässern oder separieren. Durch die vier verschiedenen Freiheitsgrade können spezifische Flocken für die unterschiedlichsten Separationsmaschinen und Medien erzeugt werden. Die gewünschte Flockenstruktur ändert sich von Maschinentyp zu Maschinentyp und von Medium zu Medium. Optional kann ein Flockungssensor zur Charakterisierung der Flockenstruktur eingesetzt werden. Der photooptische Sensor berechnet aus einer Flockengrößenverteilung spezifische Parameter, die Rückschlüsse auf die Separationseigenschaften des geflockten Mediums ermöglichen.

Die Ergebnisse
Aufgrund der gezielten zweistufigen Konditionierung wird die Abtrennleistung auf filtrierenden Maschinen wie Bandfilter, Trommelsiebe, Kammerfilterpressen, Schneckenpressen etc. signifikant erhöht. Durch die bereitgestellte kompakte Flockenstruktur findet die primäre Filtration sehr viel schneller statt, und durch die robuste Struktur der Flocken kann während der Filtration oder des Pressens lange Zeit aus dem Filterkuchen Hohlraumwasser abgegeben werden. Als zusätzlicher Effekt ist eine Reduzierung der eingesetzten Polymermenge möglich, da im vorgestellten Konditionierungsreaktor das Polymer besser mit dem Medium vermengt wird, in Kontakt gebracht wird. Das Polymer kann seine Wirkung voll entfalten, eine Überdosierung ist nicht mehr nötig, damit entfallen Polymerkosten. 

Bild FW-Schlamm-Aquen-Flocken-Bild-07.jpgDas Bild zeigt deutlich die Flockenausprägung ohne (links) und mit (rechts) FlocFormer. Links ist die Flockengröße, trotz erfolgter Polymerzuführung, noch sehr fein ausgeprägt. Rechts ist eine ausgeprägte Pellettierung (wir benutzen hier mal sinnigerweise den Begriff "ähnlich Kaviar") sichtbar. Das ist eine sehr gute Voraussetzung für die nachfolgende Entwässerungseinheit (Dekanter, Filter, etc.), um bei gleichem oder schnellerem Durchfluß mehr Wasser abzutrennen. Gut sichtbar ist die Bindung selbst feinster Schwebstoffe (die das Zwischenwasser im linken Bild erkennbar noch trüben) nach erfolgter Pellettierung durch den FlocFormer (Bild rechts) in der Flocke. Das Restwasser aus dem Dekanter oder Filter geht schwebstofffreier (klarer) ab.

Am Beispiel von Bandfilterpressen lässt sich der vorteilhafte Filtrationseffekt gut veranschaulichen:
Die Bandfilterpresse unterteilt sich in die Bereiche Schwerkraftfiltration (Vorentwässerung), und gegebenenfalls mehrere Druckpresszonen. Die gebildeten Flocken werden im Zulauf der Schwerkraftfiltration aufgegeben. Hier seihert die flüssige Phase sehr schnell und sehr weitreichend ab. Dies hat zur Folge, dass die Bandgeschwindigkeit der Filterpresse reduziert werden kann. Dadurch wird eine längere Verweilzeit in der Presse realisiert, was zu einem höheren Entwässerungsergebnis führt. Unterstützt wird dies durch eine erzeugte scherstabile Flockenstruktur. 

Optischer Vergleich der Klärschlammkonsistenz nach dem Trennprozess
(Beispiel für einen Ausgangswert von 20% TS):
Bild FW-Schlamm-Aquen-Flocken-Bild-08.jpg

Das Ergebnis:
In Abhängigkeit vom Anwendungsfall ist eine Erhöhung der Separationsleistung bzw. Entwässerungsleistung zwischen 10 bis 30 % und eine Reduzierung der Polymermenge um bis zu 25 % erreichbar. Da die Entsorgungskosten nach den Energiekosten ein wesentliches Kostenpaket für den Betreiber sind ist mit dem Einsatz des Flockenkonditionierers FlocFormer eine Verbesserung der OEE (Overall Equipment Effectiveness) im zweistelligen %- Bereich möglich. 

Expertisen der Entsorgungsexperten

Bild FW-Schlamm-Aquen-Flocken-Bild-09.jpg
Bild FW-Schlamm-Aquen-Flocken-Bild-10.jpg
„Der Einsatz des FlocFormers hat unsere
Klärschlammentwässerung im Dekanter
optimiert. Das Verfahren ist klasse und
spart Betriebskosten."

Jörg Hinke
Betriebsleiter
EURAWASSER
Betriebsführungsgesellschaft mbH
Niederlassung Goslar
„Die FlocFormer-Technologie hilft uns
die Kosten der Aktivkohlestufe deut-
lich zu reduzieren. Die Anlage läuft seit
2,5 Jahren stabil."

Martin Sieloff
Abteilungsleiter und Deponieleiter
Landkreis Osterode am Harz
Kreismülldeponie Hattorf

Bild FW-Schlamm-Aquen-Flocken-Bild-11.jpg
Auch die Separationsleistung von Zentrifugen lässt sich durch die externe, vorgeschaltete Konditionierung steigern. Voraussetzung hierfür ist, dass die gebildeten Flocken über eine hohe Stabilität verfügen. Das wird durch das Verfahren unterstützt.
Die neuartige Konditionierungstechnik hat sich bis heute in mehr als 40 Betriebsversuchen bewährt. Der Schwerpunkt der bisherigen Anwendungen lag in der Abwassertechnik. Im kommunalen Klärschlammbereich konnten die Entwässerungsleistungen von Kammerfilterpressen, Trommelsieben, Schneckenpressen, Bandfilterpressen, Bucherpressen und Dekantern verbessert werden. Neben der Erhöhung der Entwässerungsleistung kann im Regelfall der Polymerverbrauch signifikant reduziert werden.

Die Zusatznutzen für die Umwelt:

-
Die Klärschlämme kommen trockener in die Verbrennungsanlage, die Energieausbeute steigt signifikant an, der Vortrocknungsaufwand sinkt 
-
Die i.a. auf der Straße bewegte Trockenschlammtonnage nimmt (s.Bsp.) um 19%, also um ca.1/5, ab (mit ca.3 Mio to Klärschlammaufkommen /anno in Deutschland also ein Transportmasse-Reduzierungspotential von bis zu 600 Tsd to/anno, das sind ca.30 Tsd eingesparte LKW-Fahrten, weg von der Straße) 
-
ein rechenbarer Gesamtnutzen für die Umwelt ist damit eindeutig nachweisbar 

Zur Abtrennung von im Wasser vohandenen organischen und oxydierbaren Stoffen (Maßzahl ist der CSB-Wert (Chemischer Sauerstoffbedarf) wird das zweistufige Flockungsverfahren ökonomisch in der Deponiesickerwasserbehandlung eingesetzt.

Einsatzmöglichkeiten
Weitere Anwendungen sind überall dort denkbar, wo durch Polymere geflockt wird. Der FlocFormer führt i.a.R.aber auch bei nicht-polymergebundenen Flocken zu einer signifikanten Verbesserung der Separationsleistung. Beispielhaft sei hier aufgeführt, ohne den Anspruch auf Vollständigkeit: 

-
Kläranlagen, 
-
Deponiesickerwasseraufbereitung, 
-
Biogaserzeugung, 
-
Papierindustrie, 
-
Fruchtsaftherstellung, 
-
Lebensmittelindustrie, 
-
Abwasserbehandlungen,
-
Schlammaufbereitungen (bspw.Bohrschlämme) und 
-
Eindickungen aller Art. 

Eine Amortisationsrechnung „Prozessgewinn durch FlocFormer“
Das Kostenreduzierungspotential „Reduzierung der Klärschlammmasse“ und „Reduzierung des Polymereinsatzes“ nachfolgend an einem realen Einsatz (Kläranlage Goslar) mit einem TS-Ausgangswert von 22% aufgezeigt. Mit FlocFormer wurden 27% TS erreicht. Selbst bei Ausgangswerten von 30% TS werden signifikante Potentiale eingefahren.

Das Ergebnis:
Bei einer angenommenen minimalen Nutzungsdauer des FlocFormer von acht Jahren ergibt sich eine durchschnittliche jährliche Verzinsung des eingesetzten Kapitals von 102 % (95.778 Euro x 100/93.500 Euro) für die restliche Nutzungsdauer von 7 Jahren.

Der Kapitalwert der Investition von 93.500 Euro beträgt bei einem 10 %-igen Diskontierungssatz und gleichbleibenden jährlichen Einnahmenüberschüssen von 95.778 Euro 417.284 Euro.

Zusammengefasst: Die Rentabilität der Investition (vor Abzug der Zinsen), beträgt 102 % per anno! 

Der Nutzen (grafisch)
Bild FW-Schlamm-Aquen-Flocken-Bild-12.jpg

Bild FW-Schlamm-Aquen-Flocken-Bild-13.jpg

Die Rechnung
(hier für eine realisierte Zusatzentwässerungsleistung von 22% auf 27% TS berechnet. Auch bei installierten Anlagen mit besten Ausgangswerten von ca.30% TS werden noch signifikante Verbesserungspotentiale eingefahren.) 

Bezeichnung  Wert  Dim. 
Maximaler Volumenstrom
36
m3/h
Trockensubstanz Zulauf
1,92
%
Trockensubstanz Masse
0,69
t/h
Derzeitige Entwässerung
22,0
%
Derzeit zu entsorgende Masse
2,56
t/h
Entwässerung FlocFormer
27,0
%
Künftig zu entsorgende Masse
2,56
t/h 
Massenreduzierung
0,59
t/h
Betriebsdauer pro Jahr
1.768 h/a
Jahresmassenreduzierung Entsorgung  1.047 t/a
Entsorgungsaufwendungen
90,00 
Euro/t 
Reduzierung Entsorgungsaufw.
94.290 Euro/a
Polymereinsparung
1,00
kg/t
Jahresmasse TR Schlamm
1.222 t/a
Polymermasse
1.222 kg/a
Aufwand Polymer
4,00
Euro/kg
Reduzierung Polymeraufwendungen
4.888 Euro/a
Reduzierung Entsorgung u. Polyme
99.178 Euro/a 
Betriebskosten, Wartung, etc. FlocFormer
3.400,00
Euro/a 
Netto-Aufwandsreduzierung
95.778 Euro/a 
     
Netto-Investitionssumme
85.000 Euro
Aufwendungen Anschluss FlocFormer
8.500
Euro
Gesamt-Investitionssumme
93.500 Euro
Kalkulationszinsfuß
6,00
%
Kapitalrückflussdauer
0,98
Jahre

Gerne rechnen wir mit Ihren Daten/Ausgangswerten.

Weitere Zusatznutzen auf einen Blick 

-
Die Klärschlämme kommen trockener in die Verbrennungsanlage, die Energieausbeute steigt 
-
Die auf der Straße bewegte Trockenschlammtonnage nimmt um ca.20% ab. (bei ca.10.000 Kläranlagen in D ein enormes Transportmengenreduzierungspotential) 
-
die zugeführte Polymermenge wird reduziert 
-
ein Gesamtnutzen für die Umwelt ist eindeutig nachweisbar 

Quelle:
aquen aqua-engineering GmbH
Lange Straße 53
D-38685 Langelsheim

www.aquen.de