Entwicklung simulations- und messtechnischer Methoden zur Effizienzsteigerung verfahrenstechnischer Prozesse in großtechnischen Anlagen

Die Entsorgung und die Aufbereitung des im kommunalen und industriellen Umfeld anfallenden Abwassers zur Vermeidung der Verschmutzung und Eutrophierung von Fließgewässern ist von zentraler Bedeutung für einen nachhaltigen Umgang mit der Ressource Wasser. Die Abwasserkette umfasst im Wesentlichen den Wasserverbraucher, das Kanalnetz, die Kläranlagen und das Oberflächengewässer, in welches das gereinigte Wasser eingeleitet wird. Das allein im kommunalen Bereich anfallende Abwasser wird in 10,000 Abwasseraufbereitungsanlagen mit einem jährlichen Energieaufkommen von 4.400 GWh behandelt (Fricke, 2009). Damit tragen diese Anlagen 20% des in den Kommunen anfallenden Energieverbrauches. Davon entfallen bis zu 80% auf die biologischen Reinigungsstufen (Fricke, 2009).
Ziel dieser Forschung ist die Entwicklung einer Methodik, mit welcher basierend auf numerischen Simulationen die Optimierungspotenziale der jeweiligen Anlage aufgedeckt werden, optimierte Anlagenkonfigurationen und Betriebsweisen bestimmt bzw. bewertet werden und nach ihrer Umsetzung an der konkreten Anlage mit Hilfe innovativer Sensorik messtechnisch validiert werden. Damit soll eine grundlegende Verbesserung der Hydrodynamik von Belebungsbecken in Verbindung mit der Effizienzsteigerung der Anlage basierend auf numerischen Simulationen und innovativen Sensortechnologien möglich werden.
Weiterhin ist die Forschung in diesem Bereich auf die Entwicklung effizienter Gaseintragssysteme fokussiert. Die etablierte Technik für den Gaseintrag in kommunalen Kläranlagen sind am Boden montierte Druckbegaser mit flexiblen, perforierten Membranen. Mit dieser Begasertechnik wird jedoch nur eine begrenzte Sauerstoffeintragseffizienz von 40-60% erreicht (Wang et al. 2010). Die Sauerstoffeintragseffizienz wird maßgeblich durch die initiale Blasengröße am Begaser bestimmt. Davon hängen wiederum die Blasenverweilzeit und der Gasgehalt ab. Um eine wesentliche Steigerung der Sauerstoffeintragseffizienz zu erzielen, sind Gasblasen im Submillimeterbereich erforderlich. Nur so kann eine ausreichend große Fläche für einen effizienten Sauerstoffübergang von der Gas- in die Flüssigphase erreicht und der biologische Abbauprozess trotzdem stabil gehalten werden.