Dynamische Belüftung zur Optimierung von Sauerstoffeintrag und Durchmischung für die biologische Abwasserbehandlung

In fast 10.000 kommunalen Kläranlagen in Deutschland werden jährlich 4.400 GWh Strom benötigt, um den Nährstoffgehalt des Abwassers zu reduzieren. Der höchste Energiebedarf besteht dabei mit einem Anteil von bis zu 80 % bei dem Prozess-schritt der biologischen Abwasserreinigung. Während der Nitrifikation benötigen die Mikroorganismen Sauerstoff, welcher durch Druckbelüftung vom Beckenboden bereitgestellt wird. Die Gebläse müssen den Druckverlust der Belüftungselemente und den hydrostatischen Druckverlust aufgrund von 4 bis 6 m Wassertiefe überwinden, woraus der hohe Energieaufwand resultiert. Jedoch wird aufgrund des limitierten Stoffübergangs nicht der gesamte Sauerstoff der im Nitrifikationsbecken aufsteigenden Blasen in die flüssige Phase übertragen. Durch einen verbesserten Sauerstoffübergang kann der benötigte Luftvolumenstrom und somit die Gebläse-leistung reduziert werden. Dafür wird die dynamische Belüftung vorgeschlagen.
Die dynamische Belüftung beruht auf einer zeitlichen Dynamik im Gasvolumen-strom, welcher durch die Belüftungselemente geleitet wird. Der Volumenstrom kann harmonisch oder gepulst variiert sein. Dies hat zur Folge, dass die Blasenfahne über dem Belüfter diskontinuierlich wird. Im Vergleich zur kontinuierlichen Blasenfahne entstehen Bereiche, in denen die Flüssigphase vermischt wird und Konzentrationsgradienten größer werden.
Im Rahmen dieser Arbeit werden optimale Belüftungsregime für dynamische, gepulste Belüftung untersucht, welche in Stoffübergang und Durchmischung der kontinuierlichen Belüftung überlegen sein sollen. Hierfür werden in transienten Euler-Euler Simulationen die wichtigsten Parameter variiert. Dazu zählen die Parameter Pulsfrequenz, Pulsweite, Pulshöhe und Pulsoffset. Die simulativ gefundenen Regime werden experimentell überprüft. Weiterhin wird das Sedimen-tationsverhalten von Belebtschlamm simuliert, um dessen Ablagerung am Beckenboden bei dynamischer Belüftung untersuchen und geeignete Kriterien zur Verhinderung der Sedimentation ableiten zu können.