5 Beschreibung der Anlagen
5.1 Kläranlage Rosenfeld
5.1.1 Allgemeines
Die Kläranlage Rosenfeld ist eine von mehreren Kläranlagen der Stadt Rosenfeld mit ihren Teilgemeinden. Bedingt durch die Topografie des Stunzach- und Schlichemtals war ein Zusammen-schluss der Kläranlagen zu einem Verbund nicht möglich. Es werden mehrere kleine Kläranlagen betrieben.
Die Kläranlage Rosenfeld, Schmelzlesmühle wurde 1998 erweitert und vollständig modernisiert, um den Vorgaben des Umweltschutzes gerecht zu werden. Die der Kläranlage zugeführten Abwässer bestehen sowohl aus häuslichem wie auch industriellem Abwasser sowie Regenwasser bzw. Schneeschmelze.
Die Anlage ist für 5000 Einwohner ausgelegt, so dass auch für zukünftig steigende Einwohnerzahlen und für Neuansiedlung von Gewerbe Klärkapazität bleibt. Im Moment leben in den Gemeinden Rosenfeld und Isingen, die der Kläranlage angeschlossen sind, 2450 und 670 Einwohner. Das heißt, die Kläranlage Rosenfeld ist im Augenblick zu 63% ausgelastet [Rosenfeld].
Bild 5.1 Überblick Reinigungsstufen
5.1.2 Reinigungsstufen
Das Abwasser wird zunächst mechanisch gereinigt, so dass es frei von groben Bestandteilen, Schwebstoffen und Sand ist und gelangt dann in die biologische Reinigung, den Belebungsbecken. In diesen Becken verzehren konzentrierte Bakterien- und Mikroorganismen-Stämme unter Zuführung bzw.
Reduktion von Sauerstoff die gelösten und kolloidalen organischen Schmutzstoffe (Bild 5.2).
Die Entfernung des Pflanzennährstoffes Stickstoff aus dem Klärwasser erfolgt in zwei Schritten:
Nitrifikation: Oxidation des stechend riechenden Ammonium-Stickstoffes NH4–N zu Nitrit NO2 und dann zu Nitrat NO3.
Denitrifikation: Reduktion des Nitrats zu Stickstoff N2 und Sauerstoff O2.
Verfahrensschema Kläranlage Rosenfeld
Stadt Rosenfeld Rosenfeld-Isingen Rohabwasser
Trennbauwerk Feinrechen Hebeanlage Sandfang Messstation
Belebung Nachklärung Messstation
Stunzach
Rechengut-wäsche
Rechengut-presse
Messstation Vorklärbecken
Primä- und Überschuß-schlamm
Vorent-wässerung Faulturm
Klärgas-speicher
Mini-BHKW
Schlamm-speicher
Siebband -presse
Über- schuß-schlam m
Press-wasser
Press-wasser
Sand-wäsche
Rücklauf-schlamm
Deponie Verwertung
Schlamm -lager-platz
Verwertung
Schlamm-speicher
Bild 5.2 Verfahrensschema der Kläranlage Rosenfeld [Rosenfeld]
Hierbei helfen wiederum Bakterien, die im ersten Verfahrensschritt einen hohen Sauerstoffbedarf haben und im zweiten Schritt nur unter sauerstoffarmen Bedingungen Nitrat zu Stickstoff und Sauerstoff um-wandeln. Der Belebtschlamm in den Belebungsbecken wird zum besseren Kontakt mit dem Abwasser in Schwebe gehalten.
Die Entfernung des Pflanzennährstoffes Phosphor erfolgt in Rosenfeld wie auch in vielen anderen Kläranlagen chemisch im Flockungsbecken. Über eine Dosierstation wird dem Abwasser unter starker Durchmischung ein Fällmittel (Metallsalze oder Kalk) zugesetzt, so dass die Phosphat-verbindungen ausflocken.
In den zwei Nachklärbecken sinken in einem Fall die Bakterien als Schlammflocken zu Boden und werden entweder noch einmal in das Belebungsbecken zurück gepumpt (Rücklauf-schlamm) oder zur Schlammbehandlung in den
Eindicker gefördert. Bild 5.3 Fällmittelstation
Im anderen Fall sinken die ausgeflockten Phosphatverbindungen zu Boden, um dann der
Schlamm-Das gereinigte Abwasser wird aus den Nachklärbecken über eine Kontrollstation zur qualitativen und quantitativen Messung in das natürliche Gewässer eingeleitet. Die nach der mechanischen, bio-logischen und chemischen Reinigung erreichten Einleitungswerte werden in Rosenfeld selbst in einem AQS-zertifizierten Labor geprüft. Auf diese Weise kann die Kläranlage zeitnah und effizient auf Veränderung der Abwasserbelastung reagieren. Die Messergebnisse werden ausgewertet und zu Monats- und Jahresprotokollen zusammengefasst.
5.1.3 Klärschlamm und Klärgas
Neben dem einleitfähigen, sauberen Wasser entsteht der Reststoff Klärschlamm. Dieser Klärschlamm wird entwässert und im Faulturm weiter anaerob zersetzt:
Der sogenannte Primärschlamm aus dem Vorklär-becken wird direkt über die Vorentwässerung dem Faulturm zugeführt.
Der bei den biologischen Prozessen anfallende Schlamm wird zum Teil zur Erhaltung der Mikro-organismen vom Nachklärbecken zum Belebungs-becken im Kreis geführt, lediglich der Überschuss-schlamm gelangt über die Vorentwässerung zum Faulturm. Der Klärschlamm der Kläranlagen Heiligen-zimmern und Bickelsberg wird im Schlammspeicher gesammelt und kann von dort zum Faulturm geleitet werden.
Bild 5.4 Faulturm
Im Faulturm zersetzen Bakterienstämme unter Sauerstoffausschluss und bei einer Temperatur von ungefähr 33°C die organischen Anteile des Klärschlamms. Die Verweilzeit des Schlamms im Faulturm beträgt ca. 30 Tage, wobei der Behälterinhalt ständig umgewälzt wird. Während des Faulprozesses werden die organischen Stoffe zu Methangas, Kohlendioxid und Wasser abgebaut. Der verbleibende, ausgefaulte Klärschlamm wird über die mechanische Entwässerung zum Lagerplatz geleitet.
Das erzeugte Klärgas hat einen Methananteil von ca. 62% und einen Kohlendioxidanteil von ca.
37%. Schwefelwasserstoff ist im Klärgas nur in sehr geringeren Mengen unter 50 ppm vor-handen. Allerdings ist in Rosenfeld zu beo-bachten, dass beginnend mit den Herbstmonaten der Schwefelwasserstoff im Klärgas über Winter auf bis zu 300ppm ansteigt. Analysen von Rück-ständen auf den Abgaswärmeaustauschern des SOLO BHKW zeigen, dass im Klärgas Siloxane enthalten sein müssen, die beim Verbrennungs-prozess zu SiO2 und H2O, also Sand und Wasser oxidieren.
Bild 5.5 Gastank
30mmWs
Gastank 40m
3Gastank 40m
3 Abblasen über 50mmWs WassersäuleKlärgaswege
Gebläse50mbar
SOLO Stirling SOLO Stirling
über Wassersäule
Faulturm Faulturm
Bild 5.6 Klärgaswege
Im Faulturm herrscht ein leichter Überdruck von ca. 3 mbar, der durch die Wassersäule eines Wasserbeckens erzeugt wird, durch das das Klärgas ins Leitungssystem entweicht. Mit Hilfe dieses Wasserbeckens wird dem Klärgas zum großen Teil die Feuchte entnommen. Dies ist erforderlich, um eine störungsfreie Messung der Klärgasvolumenströme über Balgengaszähler zu ermöglichen. Nach dem Wäscher wird das Klärgas über ein Kiesbett geleitet und gelangt nun in ein Leitungssystem, das es je nach Druckverhältnissen entweder direkt zum BHKW führt oder zunächst in den Gasspeicher. Der dem MiniBHKW zugeführte Klärgasstrom wird wiederum über einen Balgengaszähler gemessen.
Der Gasspeicher hat ein Volumen von 40m3. Er besteht aus einem Foliensack, der zum Schutz in einem liegenden, zylindrischen Metallbehälter untergebracht ist. Die Folie ist ausgelegt für einen maximalen Innendruck von 5mbar. Wird dieser Druck überschritten, entweicht das Klärgas über eine 50mm hohe Wassersäule nach draußen. In den Jahren 2005 und 2006 ist das Mini-BHKW bewusst kontinuierlich bei einer Auslastung von ca. 70% betrieben worden, um Anfahrverluste und Störungen zu vermeiden.
5.1.4 Messtechnische Einbindung Zwei Balgengaszähler der
Klär-anlage messen die Klärgas-volumenströme, die vom Faul-turm kommend je nach Druck-verhältnissen entweder in den Gastank oder direkt zum BHKW strömen.
Beide Balgengaszähler wurden mit Zählwerken ausgerüstet, um die Messwerte an die elektronische Messdatenver-arbeitung weiterleiten und dort verrechnen zu können.
Bild 5.7 Balgenzähler und Klärgaswege
Bevor das Klärgas den Faulturm verlässt, durchströmt es eine 20mm hohe Wasservorlage.
Diese Wasservorlage hält den Druck im Faulturm auf 2mbar. Durchströmt das Klärgas den Wäscher wird es weitestgehend entwässert.
Bild 5.8 Wäscher
Zum Schutz der Balgengaszähler ist dennoch ein Wasserabscheider vorgeschaltet, da die Lage-rung und damit die Messgenauigkeit der Flügel-räder der Balgengaszähler durch Feuchtigkeit beeinträchtigt wird.
Am Fuß des Wasserabscheiders wird der Absolutdrucktransmitter installiert, um den Gasdruck zu messen (Bild 5.9). Hier ist die Messung des Gasdrucks unkompliziert, da das Gas nicht strömt. Die Klärgastemperatur wird über Auflegefühler an einem isolierten Rohr-leitungsabschnitt gemessen (im Bild nicht zu
sehen). Bild 5.9 Abscheider und Gasdruckmessung
Vor der Gasstrecke, d.h. vor der Druckerhöhung auf die für den Solo-Stirlingmotor nötigen 50mbar, befindet sich die Klärgasanalyse zur Erfassung der Methankonzentration zur Bilanzierung der Anlage und zur Erfassung der weiteren Gaskomponenten wie Schwefel-wasserstoff, Kohlendioxid und Sauerstoff. Die Analysedaten werden im geräteinternen Daten-logger gespeichert und über Datum und Uhrzeit den kontinuierlich gemessenen Daten in den Monatstabellen zugeordnet.
Bild 5.10 Klärgasanalyse
Der Wärmemengenzähler war in Rosenfeld ebenfalls bereits installiert und musste lediglich auf die Messdatenerfassung aufgeschaltet werden. Die geräteinterne Stromversorgung über eine Batterie war allerdings sehr bald verbraucht, so dass im Juli 2006 eine Stromleitung zum Wärmemengenzähler gelegt wurde.
In Bild 5.11 sind die Volumenstrommessung mit integriertem Rechenwerk und die Temperatur-fühler im Vor- und Rücklauf zu erkennen.
Bild 5.11 Wärmemengenzähler Rosenfeld
Die Messung des erzeugten Stroms erfolgt direkt am Stirlingmotor und wird der Messdatenerfassung aufgeschaltet.
Zur Analyse des Abgases wird aus der Abgasleitung des BHKW ein Teilstrom abgezogen und dem Abgasanalysegerät zugeführt. Dort wird der Abgasteilstrom über elektrochemische Messzellen geleitet und analysiert. Die Messwerte werden im Datenlogger gespeichert und können wie bei der Klärgasanalyse über Datum und Uhrzeit den kontinuierlich gemessenen Werten zugeordnet werden.
Bild 5.12 Abgassonde Bild 5.13 Abgasanalysebox
Das Abgasanalysegerät arbeitete über zwei Jahre sehr zuverlässig und lieferte die Abgasanalysedaten über den Datenlogger, der problemlos auszulesen war. Der Beginn der Messdatenaufnahme startete zwar mit einem Defekt an der Membranpumpe nach erst vier Wochen. Dies konnte durch die Änderung des hinterlegten Messprogramms behoben werden. Nach Umstellung des Messprogramms im April 2006 arbeitete die Membranpumpe über 20 Monate bis zum November 2008 einwandfrei.
Wie die Membranpumpe sind auch die Messzellen dem Verschleiß unterlegen. Hierbei ist gerade die
Im Oktober 2006 ist der Temperaturfühler des Abgasanalysegerätes gebrochen und musste erneuert werden. Die CO-Zelle und die NO-Zelle waren im Herbst 2007 verbraucht und sind ebenfalls austauscht worden. Der Austausch der defekten Teile konnte in allen Fällen problemlos vor Ort ausgeführt werden.