Wasser- und Umwelttechnologien

Effiziente Abwassertechnologien

Die Entfernung und Behandlung von kommunalem und industriellem Abwasser ist von großer Bedeutung für die Verringerung der Verschmutzung und Eutrophierung natürlicher Gewässer und Teil einer nachhaltigen Nutzung der Wasserressourcen. Die Abwasserkette umfasst den Wasserverbraucher, das Kanalisationssystem und die Kläranlage, wo das gereinigte Abwasser in die Oberflächengewässer gelangt.

Allein das kommunale Abwasser wird in Deutschland in 10.000 Kläranlagen mit einem jährlichen Energieverbrauch von 4.400 GWh behandelt, was 20 % des Energieverbrauchs im kommunalen Bereich entspricht. Davon werden bis zu 80 % für die biologische Reinigung in den Belebungsbecken benötigt.

Belebtschlammbecken sind das Kernelement von Kläranlagen. Kohlenstoff- und Ammoniakverbindungen werden in belüfteten Zonen durch heterotrophe Bakterien unter Verwendung von Sauerstoff abgebaut. Die ausreichende Versorgung der Mikroorganismen mit Sauerstoff erfolgt durch dispergierte Luft oder Reinsauerstoff in den Becken. Dieser Gaseintrag sorgt auch für die Durchmischung der Mehrphasenflüssigkeit, d. h. für die Verringerung von Konzentrationsgradienten und die Suspension des Schlamms. Daher werden am Boden der Becken spezielle Diffusoren eingesetzt, die einen enormen Energiebedarf haben. Oft werden zusätzliche Rühreinheiten eingesetzt, um die Durchmischung des Belebtschlamms und die Gasverteilung zu unterstützen, was zusätzliche Energie erfordert. Daher werden die Prozessleistung und die Energieeffizienz von Kläranlagen hauptsächlich durch den Belebtschlammprozess bestimmt.

Die Notwendigkeit energieeffizienter Verfahren geht einher mit der Forderung nach der Entfernung neu auftretender Schadstoffe wie Arzneimittel, Antibiotika, Komplexbildner, PFAS usw., die durch das Belebtschlammverfahren nicht entfernt werden können und umweltschädlich sind. Diese erfordern eine spezielle Behandlung, da sie mit den vorgesehenen Technologien wie Ozonisierung und Adsorption durch Aktivkohle nicht nachhaltig behandelt werden können.

Betrachtet man die gesamte städtische Wasser- und Abwasserinfrastruktur, so gibt es weiteres Potenzial zur Verbesserung der Energieeffizienz und zur Verringerung der damit verbundenen Umweltbelastung. Überläufe aus Mischkanalisationen in Flüsse und Schwankungen der Schadstoffbelastung am Einlauf der Kläranlagen können durch intelligente datengesteuerte Regelungsstrategien kontrolliert und reduziert werden, die Informationen über die schwankenden Randbedingungen, d. h. Wetter, Schadstoffbelastung, Speicherkapazitäten usw., berücksichtigen. Darüber hinaus besteht das Potenzial für eine Kopplung des Energie- und Wassersektors, um einen stabilen Betrieb des Energiesystems der Zukunft zu unterstützen. Ein flexibler Betrieb der Abwasserinfrastruktur als Ganzes kann durch die Integration von Power-To-X-Technologien mit Zwischenenergiespeichern/Wärmespeichern/Gasspeichern erreicht werden, die in ein Lastmanagement eingebettet sind, das die oben genannten Schwankungen sowie die Schwankungen auf dem Energiemarkt berücksichtigt.

Unsere Forschungs- und Entwicklungsaktivitäten:

Wir verfügen über fundiertes Fachwissen im Bereich der Untersuchung und Optimierung fluiddynamischer Prozesse, die für die Energie- und Ressourceneffizienz in der Abwasserbehandlung von zentraler Bedeutung sind. Der Sauerstofftransfer in Belebtschlammbecken, die Methanblasenbildung in anaeroben Faulbehältern und die Vermischung von Mehrphasenströmungen durch Propellersysteme sind Beispiele fär fluiddynamische Herausforderungen, mit denen sich unser Expertenteam befasst. Unsere derzeitigen Hauptaktivitäten sind:

Effiziente Belüf­tungs­technik

Entwick­lung und Optimie­rung von Sauerstoff- und Lufteinperlvorrich­tungen für die energieeffiziente biologische Reini­gung in Belebtschlammbecken

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Fortgeschrittene Prozesscharakterisie­rung

Charakterisie­rung komplexer Strömungs­prozesse in der Abwasserbehand­lung und in Biogasanlagen durch die Nutzung innovati­ver Sensortechnik und von Algorithmen des maschinellen Lernens

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Fortgeschrittene Oxidations­verfahren

Untersuchungen, wie die hydrodynamische Kavitation benutzt werden kann, um stabile Moleküle in persistenten Mikro­verunreini­gungen zu entfernen, die durch etablierte Techno­logien wie die Ozonbehand­lung nicht beseitigt werden.

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Kopp­lung von Energie- und Wassersektor

Kopp­lung von Energie- und Wassersektor – Integration der Abwasserinfra­struk­tur in Netze für erneuerbare Energien

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Technologieentwicklung und -transfer im Innovationslabor CLEWATEC

Unser Helmholtz-Innovationslabor für saubere Wassertechnologien CLEWATEC nutzt die Räumlichkeiten und die einzigartige Forschungsinfrastruktur des Instituts für Fluiddynamik am HZDR, um im Rahmen bilateraler Kooperationen oder von Drittmitteln finanzierter Projekte in Zusammenarbeit mit Industrie- und Forschungspartnern F&E-Dienstleistungen anzubieten.

Wir freuen uns, mehr über Ihre Herausforderungen zu diesen oder anderen Themen im Bereich der Fluiddynamik zu erfahren. Kontaktieren Sie uns gerne, um zu erfahren, wie wir Sie unterstützen können!

Strategische Partner

Akademisch:

• Technische Universität Hamburg
• Technische Universität Dresden
• Institut für Automatisierung und Kommunikation ifak e. V.
• Fraunhofer-Institut für Keramische Technologien und Systeme
• Umweltforschungszentrum – UFZ
• Federal University of Campina Grande

Industrie:

• Air Liquide
• Stadtentwässerung Dresden GmbH
• Berliner Wasserbetriebe
• Hydrograv GmbH
• KSB Service GmbH
• PreSens GmbH
• Propeller Technik Maier GmbH
• Infineon Technologies Dresden GmbH & Co. KG