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Lesen Sie hier redaktionelle Beiträge sowie Pressemitteilungen der INVENT Umwelt- und Verfahrenstechnik AG.

Steigerung der aeroben Schlammstabilisierung

By Pressemeldungen

Eine Strategie zur Steigerung der aeroben Schlammstabilisierung: zyklisches Verfahren

Eine verbreitete Fehlannahme bei der aeroben Schlammstabilisierung ist, dass der Prozess während der gesamten Verweilzeit zu 100 % belüftet sein muss. Überdenkt man dies, so erweist sich jedoch ein zyklischer Wechsel zwischen Rühren und Rühren mit Belüftung als effektiver und energiesparender. Durch die Möglichkeit, die Luftzufuhr aus- und einzuschalten, schafft der Prozess aerobe und anoxische Phasen, was zu zusätzlichem Nährstoffabbau, einer verbesserten Entwässerbarkeit des Schlammes und erhöhtem Abbau flüchtiger Schlamminhaltsstoffe führt. Dies wiederum fördert die endogene Atmung und Nitrifikation. Für die aerobe Schlammstabilisierung sind verschiedene Verfahren bekannt, oft müssen mehrere Arten von Maschinen kombiniert werden, um einen soliden zyklischen Prozess zu ermöglichen. Glücklicherweise gibt es Systeme, die mit nur einer Maschine Rühren und Belüften können!

Definition der aeroben Schlammstabilisierung

Die aerobe Schlammstabilisierung ist ein Abwasserbehandlungsschritt, der zur Behandlung von Überschussschlamm oder einer Schlammmischung verwendet wird. Typischerweise entsteht ein Schlamm, der als Biofeststoffklasse B eingestuft werden kann. Die Verweilzeiten liegen in der Regel zwischen 40 und 60 Tagen. Die Schlammzersetzung ist in erster Linie direkt abhängig von Alter und Temperatur des Schlamms, siehe Abb. 1 (Metcalf & Eddy, 2014)

In der aeroben Schlammstabilisierung können thermophile Zustände erzielt werden, die die biochemischen Reaktionen beschleunigen und die Verweilzeit in der Regel um 20 bis 40 Tage verkürzen. Thermophile Bedingungen können eine größere Reduktion von Bakterien und Viren bewirken, die Anforderung für Klasse-A-Biosolide erfüllen, indem sie bei 55°C oder höher betrieben werden, und im Vergleich zur konventionellen aeroben Schlammstabilisierung niedrigere Energieanforderungen aufweisen. Trotz dieser Vorteile wird im vorliegenden Artikel nicht weiter auf thermophile Zustände eingegangen und nur der konventionelle aerobe Schlammstabilisierungsprozess behandelt.

Abbildung 1: Reduzierung der flüchtigen Feststoffe in einer aeroben Schlammstabilisierungsanlage in Abhängigkeit von Temperatur und Schlammalter

Unter aerober Schlammstabilisierung ist der Abbau der organischen Schlamminhaltsstoffe unter Sauerstoffzufuhr zu verstehen. Der Sauerstoff wird in ein Becken oder Tank eingebracht, damit die im Schlamm enthaltenen Mikroorganismen organische Stoffe in Kohlendioxid und Wasser sowie die Ammoniak- und Aminogruppen in Stickstoff umwandeln können. Die biochemischen Prozesse in einer aeroben Schlammstabilisierungsanlage entsprechen den folgenden Gleichungen:

Biomasseabbau: Biomasse + Sauerstoff → Kohlendioxid + Wasser + Ammoniumcarbonat

Nitrifikation: Ammoniak + Sauerstoff → Nitrat + Wasserstoff + Wasser

Gesamtgleichung: Biomasse + Sauerstoff → Kohlendioxid + Wasser + Salpetersäure

Denitrifikation: Biomasse + Nitrat → Kohlendioxid + Stickstoff + Ammoniak + Hydroxid

Gesamtprozess: Biomasse + Sauerstoff → Kohlendioxid + Stickstoff + Wasser

Die aerobe Schlammstabilisierung läuft ähnlich wie das konventionelle Belebtschlammverfahren ab, zeichnet sich aber durch längere Verweilzeiten ohne Rohabwasserzufuhr aus, d.h. ohne Nahrung für die Mikroorganismen. Werden den Mikroorganismen jedoch keine frischen organischen Stoffe zugeführt, dann sterben sie ab und werden zur Nahrung anderer Bakterien im Becken. Dadurch sinkt die Konzentration der organischen Feststoffe im Schlamm. Dieser Vorgang wird als endogene Atmung bezeichnet. Unter gewissen Umständen kann die aerobe Schlammstabilisierung auch zur Nitrifikation führen. In der Regel wird das über den pH-Wert gesteuert; es können jedoch auch andere Parameter zur Prozesssteuerung herangezogen werden.

Aktuelle Technik

Abbildung 2: Oberflächenbelüfter i. Vgl. zu Hyperboloid-Rühr- und Begasungssystem

Da aerobe Schlammstabilisierung sowohl Belüftung als auch Rühren erfordert, wird typischerweise grobblasige Belüftung, Jet-Belüftung oder Oberflächenbelüftung verwendet und Rührwerke als zusätzliche Maschinentechnik verbaut. Um beide Prozessschritte zu ermöglichen, sind normalerweise also mehrere Maschinen nötig. Zum zusätzlichen Rühren sind daher oft weitere Rührwerke erforderlich. Mittlerweile gibt es aber Technologien die beide Prozesse vereinen, zwei Einzelsysteme sind damit nicht mehr erforderlich.

Für den Wechsel zwischen Rühren mit und ohne Belüftung hat sich das INVENT HYPERCLASSIC®-Rühr- und Begasungssystem als geeignet erwiesen. In Anlagen der aeroben Schlammstabilisierung sind dadurch mechanisches Rühren und Belüften möglich. Beim Rühren ist die Luftzufuhr abschaltbar, womit sich anoxische Bedingungen einstellen lassen, in denen Denitrifikation ablaufen kann. Durch dieses kombinierte System wird eine optimale Regelbarkeit, dieses Prozesses ermöglicht, was erhebliche Vorteile im Vergleich zu einer unflexiblen Ausführung mit anderen Systemen, wie z. B. Oberflächenbelüftern bietet (siehe Abb. 2)

Der Alphawert

Bei erhöhten Viskositäten, also mindestens 2 % Trockensubstanzgehalt im Belebtschlamm (TSBB) wird mechanisches Rühren notwendig und Luftzufuhr alleine reicht nicht mehr für eine ausreichende Durchmischung. Bei steigendem Feststoffanteil verringert sich entsprechend der Alphawert. Dieser wiederum beeinflusst die Effizienz der Sauerstoffzufuhr in Belebtschlamm, weshalb festgestellt werden kann, dass die Viskosität des Schlamms stark mit der Sauerstoffzufuhr korreliert. Im Beitrag „Digester Aeration Design at High Solids Concentration“ (Gestaltung der Belüftung für aerobe Schlammstabilisierung bei hoher Feststoffkonzentration) wurde gezeigt, dass bei feinblasiger Membranbelüftung der Alphawert ab 3 % TSBB unter 0,1 fällt (Schoenenberger, Shaw, Redmon, 2003).

Sinkt der Alphawert unter 0,1, kann es zu unerwünschten anaeroben Zuständen kommen, die Geruchs- und Schaumbildung verursachen. Das HYPERCLASSIC®-Rühr- und Begasungssystem liefert dagegen höhere Alphawerte, da sein mechanischer Aufbau den Sauerstoff tiefer in die Schlammflocken einbringt. Bei Feststoffanteilen von bis zu 5 % kann mit diesem Rühr- und Begasungssystem der Alphawert etwa 0,27 betragen. Das resultiert mitunter aus der mechanischen Durchmischung, die die Verteilung von Luft im gesamten Tank ermöglicht und der Erzeugung von kleinen bis mittelgroßen Blasen für eine bessere Sauerstoffübertragung.

Zyklischer Wechsel beim Rühren mit und ohne Belüftung

Im Gegensatz zur Überbelüftung bei herkömmlicher Durchmischung bei stetiger Belüftung bietet kombiniertes vom Belüften entkoppeltes Rühr- und Begasungssystem die Kontrolle über den gesamten aeroben Prozess durch Sauerstoffzufuhr und/oder Durchmischung. Es müssen verschiedene Parameter festgelegt werden, um den Prozess der aeroben Schlammstabilisierung zu kontrollieren. Sowohl die Zeit als auch der ORP (Redoxpotenzial) können verwendet werden, um den Wechsel zwischen dem Rühren und dem Rühren/Belüften neben dem pH-Wert zu steuern.

Da der Abbau von Feststoffen in der Regel das Hauptziel der aeroben Schlammstabilisierung ist, bestimmen Änderungen des pH-Werts die Fähigkeit, die Biomasse zu zersetzen. Wenn der pH-Wert fällt, muss die Alkalinität gesteigert werden, da sonst die Entwässerungsfähigkeit des Schlamms zu stark abnimmt. Wird die Luftzufuhr ausgeschaltet, kann die Alkalinität durch Nitratabbau (Denitrifikation) wieder hergestellt werden. Dieser Ein/Aus-Belüftungsrhythmus kann nun also den Chemikalienbedarf verringern, der sonst bei konstant belüfteten Systemen erforderlich ist.

Ein weiteres Hauptziel der aeroben Schlammstabilisierung kann die Nitrifikation sein. Sie ist vorteilhaft, wenn der Ammoniakgehalt im Gärrückstand im vorderen Teil der Anlage ein Problem darstellt. Beginnend mit Rühren und Belüften wird die Biomasse im System zersetzt und es entsteht Kohlenstoffdioxid, Wasser und Ammoniumbicarbonat. Bei weiterer Belüftung kann nun die Nitrifikation erfolgen, bei der Ammonium in Nitrat, Wasserstoff und Wasser umgewandelt wird. Unter ständiger Luftzufuhr könnte dieser ununterbrochene Prozess den pH-Wert sinken und die Alkalinität aufzehren lassen. Wird dagegen über längere Phasen nur noch gerührt, dann stellen sich in der aeroben Schlammstabilisierungsanlage im Wesentlichen anoxisch/anaerobe Bedingungen ein, bei einem Gelöstsauerstoff im Becken von 0 mg/l.

Dieser Prozess leitet dann die Denitrifikation ein, bei der Nitrat mit dem Wasserstoff aus der Nitrifikation elementares Stickstoff und Wasser bildet. Ist Biomasse vorhanden, entstehen auch Kohlendioxid und Ammoniak. Die Denitrifikation stellt den pH-Wert wieder her, da sie dem Prozess erneut Alkalinität zuführt. Anschließend kann für die aerobe Schlammstabilisierung wieder belüftet werden und der Zyklus beginnt von neuem. Am Ende des Prozesses enthält der Gärrückstand nun bis zu 20 % weniger Ammoniak, das in den vorderen Teil der Anlage zur klassischen biologischen Reinigung wieder eingebracht wird.

Das HYPERCLASSIC®-Rühr- und Begasungssystem im Überblick

Abbildung 3: Schematische Darstellung des HYPERCLASSIC®-Rühr- und Begasungssystem

Da der Betreiber damit die aerobe Schlammstabilisierung stärker unter Kontrolle hat, lassen sich die Kosten senken, der Chemikalienbedarf reduzieren und die Energieeinsparungen durch zyklische aerobe Schlammstabilisierung erhöhen. Mit dem HYPERCLASSIC®-Rühr- und Begasungssystem wird die Mischenergie zusammen mit der Lufteinleitung zentral am Beckenboden eingetragen, wodurch die Oberfläche der Luftblasen ständig erneuert wird. Wenn die Luft ausgeschaltet ist, wird gleichzeitig eine ausreichende Durchmischung beibehalten.

Das Resultat sind ideale Bedingungen für eine zyklische aerobe Schlammstabilisierung. Das Belüftungssystem selbst besteht aus einem Hyperboloid-Rührwerk, das nicht verstopft und über integrierte Transportrippen den Flüssigkeitsstrom stärker beschleunigt.  Gleichbleibender Gegendruck und Wirkungsgrad sind auch bei intermittierender Belüftung gegeben. Auch bei hohen TSBB-Werten ist das Rühr- und Begasungssystem zuverlässig und zudem einfach zu warten und zu betreiben. Das System erfordert lediglich alle paar Jahre eine Wartung des trocken montierten Antriebsmotors über Wasser sowie eine Inspektion der Führung am Tankboden. Das System ist auch für wechselnde Füllstände geeinigt, wodurch Becken beim Schlammabzug oder Leeren des Schlamms weiter durchmischt werden kann, ohne dass das Rührwerk Schaden nimmt. Der Schlammabzug ist deshalb homogen und einfach, da der Schlamm auch bei sinkendem Füllstand durchgehend durchmischt wird.

Eine intensive Durchmischung ist wesentlich, damit sich der Schlamm nicht am Beckenboden absetzt. Bei schlechter Durchmischung kann es außerdem zu einem Gelöstsauerstoffgefälle kommen. Da der Rührkörper des HYPERCLASSIC®-Rühr- und Begasungssystems nah am Beckenboden montiert ist, entsteht eine starke Sohl- und Vertikalströmung, die eine Homogenisierung des Schlamms und Vermeidung von Sauerstoffgradienten ermöglicht.

Die Luft wird über den Begasungsring unter dem Rührwerk verteilt. Beim Entweichen trifft sie auf die einzigartig geformte Unterseite des Rührwerks mit Dispergirtunneln und speziellen Scherrippen. Bei Rührwerksdrehung wird die Luft in den Dispergirtunneln intensiv mit dem Abwasser vermischt. Die Scherrippen erzeugen eine Mischung aus groben bis feinen Blasen. Die Hauptströmung transportiert diese Blasen radial nach außen und verteilt sie im gesamten Becken.

Praxisbeispiele

Bei jeder Technik belegen Praxisbeispiele und -daten die Funktionsfähigkeit. Das HYPERCLASSIC®-Rühr- und Begasungssystem ist in Stabilisierungssanlagen auf der ganzen Welt installiert und hat sich für die zyklische aerobe Schlammstabilisierung bestens geeignet erwiesen. Zum Beispiel in den USA sind mehrere aerobe Schlammstabilisierungsanlagen mit erfolgreicher Prozessführung im Einsatz. Die älteste amerikanische Kläranlage mit diesen Rühr- und Begasungssystemen ist seit 2006 in Jacksonville Beach in Betrieb (siehe Abb. 4). Sie behandelt in drei Rundtanks einen Feststoffgehalt von bis zu 3 % unter qualitativ gleichbleibender Zufuhr zur Schlammentwässerung. Der behandelte Schlamm erfüllt gleichbleibend die Norm der Klasse B, und die Betreiber sind mit ihrer Wahl und dem Ergebnis der Abwasserbehandlung sehr zufrieden.

Abbildung 4: Kläranlage Jacksonville Beach, Florida

Eine weitere Anlage befindet sich in der USA, nämlich in Meridian im US-Bundesstaat Colorado (siehe Abb. 5). Dort wurde 2020 ein Faulteich mit zwei HYPERCLASSIC®– Rühr- und Begasungssystemen eingerichtet. Der Betreiber kann ihn problemlos bei unterschiedlichen Füllständen betreiben, und selbst direkt neben dem Becken ist wenig bis keine Geruchsbelästigung zu spüren. Hier wird Schlamm mit einem Feststoffgehalt von bis zu 2,5 % verarbeitet. Dadurch wurden Energiekosten gesenkt und eine höhere Prozessleistung erzielt.

Abbildung 5: Kläranlage Meridian, Colorado

Zusammenfassung

Die zyklische aerobe Schlammstabilisierung ist sowohl bei der Reduzierung der Feststoffe als auch bei der Nitrifikation von Nutzen. Das INVENT HYPERCLASSIC®-Rühr- und Begasungssystem hat sich in der Praxis auch bei hohen Feststoffanteilen bewährt. Durch die Möglichkeit, die Luft beim Rühren zu- und abzuschalten, gibt das System dem Betreiber und dem Prozessbetrieb selbst Flexibilität. Seine Stabilität und Zuverlässigkeit machen es für die Belüftung in der Schlammstabilisation zur ersten Wahl.

Autoren: Jackie Lauer, P.E.

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8. Oktober 2025
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Das volle Potenzial von SBRs

By Pressemeldungen

Freisetzung des vollen Potenzials von Sequencing Batch Reactors

Ein Sequencing Batch Reactor (SBR) ist ein Füll- und Abzugsverfahren innerhalb der konventionellen Belebtschlammbehandlung. Dieses Verfahren wurde vor über einem Jahrhundert entwickelt und hat sich als zuverlässige Methode zur Behandlung von kommunalem und industriellem Abwasser bewährt. Neuere Entwicklungen in der Abwasserbehandlungstechnologie haben den SBR noch vorteilhafter gemacht. Da eine Vielzahl von Technologien zur Verfügung steht, ist es wichtig, sowohl die Eigenschaften als auch die Herausforderungen des SBR zu verstehen, um das bestmögliche Ergebnis für ein Projekt zu gewährleisten

Füll- und Abzugs-Batch-Prozesse werden seit den frühen 1900er-Jahren in der Abwasserbehandlung angewendet, als Ardern, Lockett und Fowler das Belebtschlammverfahren (ASP) in ihren Laboren in Manchester, UK, entwickelten (Ardern und Lockett 1914, Ardern und Lockett 2015). Seit der Entwicklung des ASP1 dominierten kontinuierlich betriebene Belebtschlamm-Anlagen gegenüber den Füll- und Abzugs-Batch-Prozessen, da es an moderner Automatisierung fehlte. In der Vergangenheit machte das manuelle Einstellen von Ventilen, das Ein- und Ausschalten von Pumpen sowie das Fehlen von Füllstandskontrollen den Prozess aufwendig.

Die Entwicklung von Steuerungssystemen und mechanischen Geräten in den 1960er, 1970er und 1980er Jahren (Pasveer 1958, Irvine 1971, Wilderer und Schroeder 1986) legte den Grundstein für die Wiederbelebung des SBR-Prozesses als Lösung für die Behandlung von kommunalem und industriellem Abwasser. Während der SBR-Prozess zunehmend in kleinen und mittelgroßen Anlagen an Popularität gewann, wurde eine weitere Variante des SBR entwickelt: das zyklische Belebtschlammverfahren (Goronszy 1979, 1985, Demoulin und Goronszy 1997, Demoulin et al. 1999). Dieses Verfahren wurde in größeren Kläranlagen unter den Prozessbezeichnungen CASS2 und ICEAS3 entwickelt und angewendet. Ähnlich dazu integrieren neuere Verfahren zyklische Belebtschlammreaktoren, die kontinuierlich mit Frischabwasser gespeist werden, während das behandelte Wasser intermittierend aus dem Reaktor abgezogen wird.

In den letzten Jahren wurde ein neues SBR-Verfahren, die Aerobic Granular Sludge (AGS)-Prozesstechnologie (Granulärschlamm Prozesstechnologie), entwickelt (de Bruin et. al 2004, Prout et. al 2015, Prout et. al 2017), welches viel Aufmerksamkeit erhalten hat. Ein Vorteil dieses Verfahrens ist die Produktion größerer Schlammflocken im Vergleich zu den konventionellen Belebtschlammflocken.  Größere Flocken bedeuten eine schnellere Absetzung des Schlamms. Eine größere Flockengröße ermöglicht auch einen anaeroben Kern, eine anoxische Mittelschicht und eine aerobe Außenschicht in einem einzigen Schlammkorn, das anaerobe, anoxische und aerobe Prozessschritte (z. B. P-Entfernung, Denitrifikation und Nitrifikation) vereint.

Abbildung 1: Schematische Darstellung einer aeroben Granulärschlammflocke

Wenn sie richtig konzipiert sind, bieten AGS-Anwendungen das Potenzial, Folgendes zu erreichen:

  • Höhere MLSS ohne den Einsatz von Kunststoffträgern
  • Bessere Absetzbarkeit
  • Reduzierte Reaktorvolumina
  • Kleinerer ´footprint´
  • Kürzere Zykluszeiten
  • Geringere Kapitalinvestitionen
  • Höhere Prozesssicherheit
  • Keine internen Umwälzpumpen erforderlich
  • Weniger Schlammproduktion
  • Geringerer Energieverbrauch
  • Geringere Betriebskosten

Aus diesem Grund haben, außer dem niederländischen Pionier Royal Haskoning DMV, nicht wenige kommerzielle Anbieter von Abwasserreinigungssystemen versucht, ihre eigenen Adaptionen des AGS zu entwickeln, zu etablieren und zu vermarkten. Alle derzeitigen Weiterentwicklungen des AGS basieren auf dem SBR-Prinzip, bei dem ein oder mehrere vollständig durchmischte Reaktoren verwendet werden, in denen sich der AGS entwickeln soll. Um die potenziellen Vorteile des AGS-Verfahrens auszuschöpfen, müssen also die Herausforderungen gemeistert werden, die mit dem SBR-Konzept einhergehen.

  1. Eine präzise hydraulische und lastseitige Ausgleichung der Strömung ist erforderlich und führt in der Regel zu großen vorgelagerten Misch- und Ausgleichsbecken.
  2. Die mechanische Ausrüstung muss wegen der begrenzten Laufzeit pro Prozesszyklus und Tag überdimensioniert werden.
  3. Die genaue Hochskalierung von Labor- und/oder Pilotmaßstab auf vollmaßstäbliche und großtechnische Anlagen ist herausfordernd und erfordert ein tiefgehendes Verständnis der Strömungsmechanik, um eine bessere Reproduzierbarkeit zu ermöglichen.
  4. Die Voraussetzung, vollständig durchmischte Reaktoren zu erhalten, kann das Design des Reaktors, des Prozesses und der Ausrüstung erheblich einschränken.

Die kontrollierte anaerobe Einspeisung des Rohabwassers in die Absetzschlammdecke ist für den Beginn der Granulärschlammbildung entscheidend. Um dies zu erreichen, wird der Reaktor in der Regel über ein Bottom-Feeder-System beschickt, wodurch der gesamte Reaktor von unten durchströmt wird. Zudem wird ein statischer Dekanter an der Wasseroberfläche installiert. Dieser Ansatz funktioniert am besten in kleineren runden oder rechteckigen Becken mit Rohrleitungen, die eine gleichmäßige Verteilung des Rohabwassers über den gesamten Boden des Reaktors gewährleisten, wobei oben ein statischer Dekanter eingesetzt wird. Voraussetzung hierfür ist, dass die erforderlichen Rohrleitungen nicht zu komplex und teuer werden und keine zu großen hydraulischen Verluste verursachen. Diese Methode begrenzt das Volumen pro Reaktormodul auf kleinere Volumina und ist der Grund dafür, dass derartige Anlagen große Ausgleichsbecken vor den biologischen Reaktoren benötigen, da eine gleichmäßige Strömungsverteilung am Boden nur für den einen exakten hydraulischen Durchfluss zum Reaktor erreicht werden kann, für den das Zuführsystem ausgelegt wurde. Geringste Abweichungen vom ausgelegten Zulaufstrom führen zu einer ungleichmäßigen Beschickung und Verteilung des Rohabwassers im Schlammteppich, einer fehlerhaften Funktion des statischen Dekanters und des Betriebs der gesamten Anlage. Ein weiterer Nachteil des Bottom-Feeder-Systems ist der hohe hydraulische Verlust, der erforderlich ist, um eine gleichmäßige Strömungsverteilung am Boden des Reaktors zu erreichen. Die Abhängigkeit der Behandlung von einer präzisen Durchflussströmung macht die Klärleistung empfindlich gegenüber geringfügigen Strömungsschwankungen, die durch etwas so Einfaches wie das Verstopfen der Zuführleitungen durch Schlamm verursacht werden können.

Abbildung 2: Typisch AGS-Reaktorkonfiguration mit Bottom-Feeder-System und statischem Oberflächendekanter

Eine Überdimensionierung kann bei verschiedenen Arten von Ausrüstung erforderlich sein. Ein Beispiel dafür ist die Herausforderung bei der Planung von Belüftungssystemen für die Abwasserbehandlung bei kontinuierlichen Durchflussverfahren. In diesem Szenario wird das Belüftungssystem auf der Grundlage des täglichen Sauerstoffbedarfs ausgelegt, wobei die stündliche Kapazität durch Teilung des Tageswertes durch 24 berechnet wird. In Systemen mit zyklischen Prozessen, wie z. B. einem typischen SBR-Zyklus von 3 oder 6 Stunden, wird die Belüftungszeit pro Tag jedoch auf 16 Stunden oder weniger reduziert. Dies erfordert eine 1,5-mal höhere Kapazität des Belüftungssystems im Vergleich zu einem Reaktor mit kontinuierlichem Durchfluss. Folglich werden mehr Belüftungselemente, Gebläse und installierte Leistung benötigt. Außerdem überschneiden sich bei einigen SBR-Verfahren die Belüftungsphasen mit den Befüllungsphasen, was zu einer geringeren Tiefe des zu belüftenden Wassers im Reaktor führt und die Gesamtbelüftungseffizienz weiter verringert. Dies muss durch eine adäquate Auslegung des Belüftungssystems kompensiert werden. Ähnliche Effekte können auch für andere Ausrüstungen wie Pumpen und Rohrleitungen gelten.  Dieses Beispiel verdeutlicht das Potenzial für erhebliche Verbesserungen der Prozesseffizienz und die Bedeutung eines ganzheitlichen Ansatzes für die Prozess-, Reaktor- und Ausrüstungsplanung.

Bei Experimenten im Labormaßstab werden die Grundprinzipien häufig in kleinen runden Gefäßen mit einer Größe von 100 oder 200 mm mit Volumen, die in Litern gemessen werden, getestet. Die Ausrüstung zum Rühren, Belüften und Pumpen wird aus Labors oder örtlichen Aquariengeschäften bezogen. Der Übergang vom Labormaßstab zum Pilotmaßstab ist die erste Herausforderung, da größere Geräte im Pilotstadium nicht ohne weiteres verfügbar sind. Folglich werden in Pilotanlagen oft Großgeräte verwendet, was zu Unterschieden zwischen Labor- und Pilotmaßstab führt. Der Übergang vom Pilotmaßstab zum Großmaßstab, z. B. von 20 m³ auf 1.500 m³, bringt zusätzliche Herausforderungen mit sich. Die geometrische Ähnlichkeit im Großmaßstab wird durch die begrenzte Verfügbarkeit von großen Versuchsbecken beeinträchtigt, und Faktoren wie Belegungsgrad und Verrohrung müssen den realen Gegebenheiten angepasst werden. Auch die Auslegung des Belüftungssystems ist eine Herausforderung, da der Durchmesser der Luftblasen trotz der Veränderungen im Maßstab konstant bleibt, was bei größeren Becken zu unerwarteten Einschränkungen bei der Durchmischung führt. Dies führt häufig zu einer suboptimalen Prozessleistung und unterstreicht, wie wichtig es ist, Durchmischungsprobleme bei großtechnischen Anwendungen zu berücksichtigen. Dies ist in der Regel der Moment, in dem ein richtiges Scale-up nicht weiterverfolgt wird, weil der Schritt von einem großen zu einem noch größeren Maßstab nur durch eine Änderung der Reaktorgrundfläche erfolgen kann, da sonst die Wassertiefe unrealistisch hoch wird.

Das SBR-Verfahren basiert auf einem vollständigen Mischreaktorverhalten. Um diese Grundvoraussetzung  zu erfüllen, wird die Beschickung und Dekantierung mit dem Scale-up auf größere Reaktoren immer komplexer. Manchmal werden diese Anforderungen vernachlässigt und die Prozessleistung leidet zum Beispiel darunter. Aus diesem Grund stehen einige Verfahren, die in kleineren Maßstäben erfolgreich funktionieren, bei der Hochskalierung von groß auf noch größer manchmal vor großen Herausforderungen. Um diese zu meistern, sollte ein AGS-Verfahren und ein Reaktordesign die folgenden vier Aspekte berücksichtigen.

  1. Der kontinuierliche Durchfluss mit intermittierend dekantierten Reaktoren hat Vorteile, da sie weniger Wasserstandsschwankungen zwischen niedrigem (Ende der Dekantierphase) und normalem Betriebsniveau aufweisen. Eine stabilere Wassertiefe trägt dazu bei, die hydraulischen Verluste zu minimieren, den Energiebedarf für das Pumpen zu senken und die Effizienz des Belüftungssystems zu optimieren.
  2. Gestufte Reaktordesigns sind vorteilhaft, weil sie größere Reaktorvolumina ermöglichen, ohne die üblichen Fehler während der Up-Scaling-Phase zu machen. Gleichzeitig bieten sie eine neue, besondere Dimension des Prozessdesigns, insbesondere wenn sie mit einem kontinuierlichen Durchflusskonzept kombiniert werden.
  3. Das Gesamtdesign und der Betrieb sollten die Möglichkeit der gemeinsamen Nutzung mechanischer Ausrüstung zwischen den einzelnen Reaktoren vorsehen, um zusätzliche Ausrüstung wie z. B. Belüfter, Gebläse, Pumpen usw. zu reduzieren und so eine Überdimensionierung zu vermeiden und die Gesamtinvestitionskosten zu senken. Ein Beispiel hierfür ist der Einsatz von Gebläsestationen, die zwischen den Reaktormodulen umgeschaltet werden können.
  4. Das gesamte System, einschließlich der wichtigsten Geräte, sollte flexibel sein und auf unterschiedliche Durchfluss- und Lastszenarien reagieren können, um vorgelagerte Misch- und Ausgleichsbecken zu vermeiden.

Diese Überlegungen stellen eine komprimierte Zusammenfassung der am Lehrstuhl für Strömungsmechanik der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (Bischof et. al. 1991, Hoefken et. al. 1994, Manzolli 1994, Bischof et. al. 1995, Waechter et. al. 1996,) und bei der INVENT Umwelt- und Verfahrenstechnik AG (Hoefken 1995, Hoefken et. al. 1996, Hoefken et. al. 2003, Hoefken et. al. 2004) seit den 1990er Jahren gesammelten Erfahrungen dar. Die praktische Umsetzung war ein langer Prozess mit schrittweisen Verbesserungen von Projekt zu Projekt. Das Ergebnis ist der INVENT iC3-Prozess, der für Folgendes steht:

  1. Cascaded reactor design (Kaskadierte Reaktorkonstruktion)
  2. Continuous operation (Kontinuierlicher Betrieb)
  3. Cyclic process (Zyklischer Prozess)

Dieses Verfahren nutzt die einzigartigen Eigenschaften des HYPERCLASSIC®– Rühr- und Begasungssystems (Hoefken et. al. 1991, Hoefken et. al. 1993, Hoefken 1994, Hoefken et. al. 2001, Hoefken et. al. 2004), das ideal für intermittierende Prozesse geeignet ist.  Charakteristisch für den INVENT SBR ist das iC3-Reaktormodul, ein langgestrecktes, rechteckiges Becken mit mehreren HYPERCLASSIC®-Rühr- und Begasungssystemen, die in Reihe geschaltet sind, um einzelne komplette Mischzonen zu bilden (kaskadiert). Das Abwasser fließt kontinuierlich durch einen speziell konstruierten Einlaufverteiler an einem Ende des Beckens ein und klares, gereinigtes Wasser verlässt den Reaktor intermittierend durch  Dekantiersysteme am gegenüberliegenden Ende des Beckens. Diese Konstruktion ermöglicht es, eine optimierte SBR-Zyklusstrategie zu entwickeln und zu betreiben, die von Zone zu Zone variieren kann.

INVENT unterscheidet fünf verschiedene Prozessphasen, die zu unterschiedlichen Zeiten und in vier oder mehr verschiedenen räumlichen Zonen ablaufen. Diese Zonen werden durch die vier verschiedenen räumlichen Zonen gleicher Größe definiert, in die wir jedes SBR-Becken unterteilen können. In Abbildung 3 sind die fünf grundlegenden Zyklusphasen des INVENT–SBR-Verfahrens schematisch dargestellt.

  1. Befüllen/Rühren (FM): Anfangsphase mit langsamerer Durchmischung und ohne Belüftung, wodurch anaerobe Bedingungen in den Zonen 1 und 2 und anoxische Bedingungen in den Zonen 3 und 4 entstehen.
  2. Befüllen/Rühren/Belüften (FMA): Hochgeschwindigkeits-Rühr– und Belüftungszyklus, der Sauerstoff für die Entfernung von BSB und CSB, die Nitrifikation und die Aufrechterhaltung aerober Bedingungen liefert.
  3. Befüllen/Entgasen (FDg): Kurzzeitige starke Durchmischung zur effektiven Entgasung von Schlammflocken, Verbesserung der Absetzbarkeit und Verhinderung von Schaumbildung.
  4. Befüllen/Absetzen/Langsames Rührern 1 (FSPh1): Langsame Durchmischung während der Absetzphase, Förderung der Denitrifikation und anaerobe Bedingungen für die Bio-P-Freisetzung und die rbCOD-Umwandlung.
  5. Befüllen/Dekantieren/Langsames Rühren2 (FDPh2): Fortgesetztes Mischen bei niedriger Geschwindigkeit, um anaerobe Bedingungen für Bio-P zu schaffen, Dekantieren des behandelten Abwassers und Entfernen von überschüssigem Schlamm, um die Effizienz des Prozesses zu erhalten.

Nach Phase 5 wiederholt sich der Zyklus und springt zurück zu Phase 1.

Abbildung 3: iC3 – Reaktormodul mit den 5typischen Zyklusphasen

Ein Beispiel für eine erfolgreiche Umsetzung des iC3-Verfahrens ist eine kommunale/industrielle Kläranlage, die zwischen den Jahren 2015 und 2019 in zwei Schritten im Nahen Osten geplant und gebaut wurde. Im ersten Schritt wurden zwei iC3-Reaktormodule mit einer Kapazität von 4.000 m3/d zur Kohlenstoffentfernung, Nitrifikation und Denitrifikation gebaut. Jedes iC3-Reaktormodul hat ein Volumen von 3.000 m3 und war 55 m lang. Im zweiten Schritt wurden drei iC3-Reaktormodule mit einem Volumen von je 20.000 m3 und einer Länge von 72 m gebaut.   Alle iC3-Reaktormodule erreichen seit der Inbetriebnahme hervorragende Ablaufwerte mit BSB deutlich unter 3 mg/l, CSB unter 20 mg/l, TSS unter 5 mg/l, Gesamtstickstoff unter 10 mg/l und Phosphor unter 1 mg/l.

Das typische INVENT iSBR®-Paket umfasst die Basis- und Detailplanung, das  HYPERCLASSIC®– Rühr- und Begasungssystem, das iDEC® SBR-Dekantiersystem, die iTURBO® -Gebläse, das Steuerungssystem und, falls erforderlich, die iFILT®-Nachfiltration. Die Bauarbeiten und die Lieferung von Standardausrüstungen, Rohrleitungen, Stahlkonstruktionen usw. werden in der Regel vom Kunden und/oder lokalen Partnern durchgeführt.

Zusammenfassung

Dieser Artikel fasst die Geschichte der SBRs und die Entwicklung des INVENT iSBR®/iGSR® Verfahrens zusammen. Im Laufe von 30 Jahren wurden verschiedene Herausforderungen im Zusammenhang mit dem Gesamtdesign und der Vergrößerung der Prozesse gemeistert, um mit modernen SBR-Systemen bahnbrechende Ergebnisse zu erzielen.  Zu diesen Merkmalen gehören:

  1. Kontinuierlicher Zulauf mit intermittierendem Dekantieren
  2. Mehrere kaskadierte Vollmischreaktoren pro SBR-Modul, und Ganzheitliche Prozess-, Reaktor- und Anlagenplanung.

Autoren: Dr.-Ing. Marcus Hoefken, Megan House, Dr. rer. nat. Peter Huber, und Dipl.-Ing. Walter Steidl

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19. September 2025
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Optimierung von MBBRs mit CFD

By Pressemeldungen, Projektbericht, Think Fluid Dynamix

Abbildung 1: Strömungsgeschwindigkeiten, denen die Träger im IFAS-Reaktor ausgesetzt sind

Optimierung von MBBRs mit fortschrittlicher numerischer Strömungssimulation

Kläranlagen stehen kontinuierlich vor den Herausforderungen, ihre Kapazitäten zu erweitern, den Energieverbrauch zu senken und dabei gesetzliche Vorgaben verlässlich zu erfüllen. Wirbelbett-Biofilm-Reaktoren (MBBR) sind attraktiv, da sie auf kleinem Raum eine große biologische Oberfläche bieten: In den kompakten Becken sind Millionen kleiner Trägerelemente suspendiert, auf denen sich ein Biofilm bildet. Wie hoch die Abbauleistung ist, hängt jedoch davon ab, wie gut die Flüssigkeit, die Träger und (in der aeroben Stufe) die Luft miteinander vermischt sind. Die wichtigsten Auslegungsparameter sind die Beckengeometrie, der Füllgrad mit Trägermaterial, die Belüftungsanordnung sowie die Verteilung der Zu- und Ablaufströme – jedes Ungleichgewicht kann zu Totzonen oder hydraulischen Kurzschlüssen führen, die die Leistung beeinträchtigen.

Warum konventionelles CFD unzureichend ist

Klassische Computational Fluid Dynamics-Modelle (CFD) können Wasser- und Luftströme modellieren, aber die feste Phase eines MBBR ist ebenso wichtig. Bei Hunderten von Millionen von Trägern unterschiedlicher Form und Dichte ist die Verfolgung der Bahnen jedes einzelnen Partikels rechnerisch kaum realisierbar. Vereinfachte Ansätze vernachlässigen jedoch die entscheidende Partikeldynamik, weshalb die Simulationen stets durch empirische Daten abgesichert werden müssen, um verlässliche Ergebnisse zu liefern.

CFD-DEM: Kombination von Flüssigkeiten und Partikeln

Die INVENT-Experten von THINK Fluid Dynamix® verbinden CFD mit der Diskrete-Elemente-Methode (DEM). CFD löst die Navier-Stokes-Gleichungen für die Flüssigkeit, während DEM jeden Träger als individuellen Körper behandelt, der sich bewegen, kollidieren und Impuls mit dem Wasser austauschen kann. Da die idealisierten Formen keine komplizierten internen Strukturen aufweisen, wird das Modell in einem Labortank kalibriert:

  • Durchführung von Mischversuchen bei kontrollierten Geschwindigkeiten und Aufzeichnung der Höhe und Verteilung der Trägersuspension.
  • Anpassung der effektiven Dichte, der Reibung und der Restitutionskoeffizienten, bis der virtuelle Tank die physikalischen Ergebnisse wiedergibt.
  • Skalierung des validierten Modells zuverlässig auf Reaktoren in voller Größe.

Abbildung 2: Testbehälter auf der Anlage (links) und der CFD-simulierte Behälter in den Anfangsbedingungen (rechts)

Abbildung 3: Simulation des Resuspensionstests von Trägermaterial unter bestimmten Betriebsbedingungen

Fallstudie Blue Plains

Die Kläranlage Blue Plains Advanced Wastewater Treatment Plant in Wahington D.C., USA, sollte ihre biologischen Reaktoren auf ein IFAS-System (Integrated Fixed-Film Activated Sludge), eine Art MBBR-Technologie, umstellen und holte sich dafür das THINK Fluid Dynamix®-Team an Bord. Zunächst wurde ein Pilotreaktor in vollem Maßstab entworfen und mit einer Kombination aus numerischer Strömungssimulation und diskreten Elementen (CFD-DEM) untersucht. Das Hauptziel bestand darin, zu verstehen, wie sich die Einführung von IFAS-Medien in einen bestehenden anoxischen Tank auf die Flüssigkeitsströmung und -mischung auswirkt. Diese CFD-DEM-Analyse ermöglichte die Bewertung der Mischungseffektivität unter verschiedenen Betriebskonfigurationen, wie z.B. unterschiedliche Anordnung der Rührwerke, Medientypen und hydraulische Verweilzeiten. Die Studie konzentrierte sich auf wichtige Leistungsindikatoren wie Strömungsgeschwindigkeiten, die gleichmäßige Verteilung der Trägermedien im Reaktor, das Vorhandensein inaktiver oder stagnierender Bereiche und etwaige Kurzschlüsse in der Strömung. Die Simulationen lieferten nicht nur visuelle Darstellungen von Strömungsmustern, sondern ermöglichten auch die quantitative Untersuchung statistischer Daten, einschließlich der räumlichen Anordnung der Trägermedien und der Merkmale von Stagnationszonen.

Abbildung 4: Das mehrphasige CFD-Modell des IFAS-Reaktors

Abbildung 5: Durchschnittliche Strömungslinien im IFAS-Reaktor

Auswirkungen und Ausblick

Dieses Projekt, das für DC Water in der Blue Plains Advanced Wastewater Treatment Plant durchgeführt wurde, zeigt den bedeutenden Fortschritt bei der Simulation und Optimierung von MBBRs durch die Kombination von fortschrittlicher CFD mit der DEM und einer gründlichen experimentellen Kalibrierung. Die Methodik, die durch eine bahnbrechende Pilotreaktoranalyse für DC Water in der Blue Plains Advanced Wastewater Treatment Plant validiert wurde, lieferte detaillierte Einblicke in die Fluiddynamik und ermöglichte eine präzise Bewertung von Leistungsindikatoren wie Strömungsgeschwindigkeiten und Trägerverteilung. Dieser integrierte experimentell-numerische Rahmen verbessert die Reaktorauslegung und -effizienz und ebnet den Weg für zukünftige Verbesserungen der Abwasserbehandlung.

Autoren: Efraim Riess-Gonzales und Averil Fernandez, M.Eng

Hier geht's zur THINK Fluid Dynamix® Website

In diesem Video werdet ihr mehr über THINK Fluid Dynamix® und dessen Team lernen!

THINK Fluid Dynamix® Presentation

Finden Sie mehr über THINK Fluid Dynamix® und das Team heraus.

26. August 2025
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Moderne Interpretation des SBR-Verfahrens

By Pressemeldungen

Der iSBR®/iGSR®-Prozess – INVENTs moderne Interpretation des Sequencing-Batch-Reactor-Verfahrens

Seit Beginn unserer Geschäftstätigkeit in den frühen 1990er Jahren hat sich INVENT intensiv mit dem sogenannten Sequencing-Batch-Reactor-Verfahren (SBR) für die biologische Reinigung kommunaler und industrieller Abwässer beschäftigt. Batchverfahren haben die Vorteile, dass das Reaktorverhalten definiert ist, die Randbedingungen konstant bleiben und unvorhergesehene Ereignisse während des Behandlungszyklus ausgeschlossen werden können.

Das HYPERCLASSIC®-Rühr- und Begasungssystem war von Anfang an der Kern aller von INVENT entwickelten und gebauten SBR-Anlagen. Das System ermöglicht sowohl einen effektiven Rührbetrieb ohne Belüftung als auch eine effiziente Belüftung und Durchmischung der Biomasse. Damit ist es die ideale Basis für SBR und alle zyklischen oder intermittierenden Verfahren.

Abbildung 1: Schematisches Diagramm des HYPERCLASSIC®-Rühr und Begasungssystem

INVENTs Kernkompetenz war immer das umfassende Verständnis strömungsmechanischer und verfahrenstechnischer Zusammenhänge und die Nutzung dieses Verständnisses für die Entwicklung herausragender Produkte und Prozesse für die Wasser- und Abwasserindustrie.

Der Fokus unserer Tätigkeiten liegt auf den folgenden Einheitsprozessen::

  • Rühren und Mischen
  • Stofftransport
  • Fest/Flüssigtrennung

In diesen Bereichen können eine exzellente strömungsmechanische Auslegung und Design einen großen Unterschied machen und somit die Prozesseffizienz erhöhen sowie Energie einsparen. So wurden im Laufe der Zeit ganze Produktfamilien fortschrittlicher Rührsysteme, hocheffizienter Begasungssysteme, leistungsstarker Dekanter und innovativer Filter entwickelt.

Eine weitere Kernkompetenz ist INVENTs verfahrenstechnisches Verständnis sowie das Wissen und die Erfahrung unsere Produkte optimal in die Prozesse der Anlagen zu integrieren. Dies führte unausweichlich zu einem umfassenden Verständnis der speziellen Anforderungen von SBRs und zu einer spezifischen Produktfamilie für dieses besondere Abwasserreinigungsverfahren.

Dazu gehören:

Jedes dieser Produkte kann an die individuelle Anlage und Anwendung angepasst und entsprechend dimensioniert werden, damit es genau den Anforderungen und Spezifikationen des Kunden entspricht.

Möchte der Kunde von unserer Erfahrung profitieren und sich unsere Expertise zunutze machen, kann er zusätzlich zu unseren Hardware-Paketen ein Design- und Engineering-Paket in Auftrag geben. Dieses integrierte Hard- und Software-Paket können wir mit Montageüberwachung, Inbetriebsetzung der Anlage und Schulung des Personals zu einem vollständigen SBR-Paket ergänzen. Wir nennen das im Falle einer konventionellen Prozessauslegung iSBR® und bei einem Granularschlammverfahren iGSR®. Diese Komplettsysteme können in allen gängigen Abwasserreinigungsanwendungen eingesetzt werden, beispielsweise für

  • die kommunale Abwasserreinigung
  • die industrielle Abwasserreinigung
  • die Deammonifikation oder
  • das Granulärschlammverfahren

Die vier wesentlichen Bereiche, in denen wir Verbesserungen gegenüber den herkömmlichen Systemen am Markt erzielt haben, sind

  • die maschinentechnischen Komponenten,
  • das Reaktordesign,
  • die Prozessauslegung und
  • die strömungsmechanische Auslegung.
Reaktordesign

Das iSBR®/iGSR®-Reaktordesign basiert auf mehreren, hintereinander geschalteten komplett durchmischter Zonen in einem Reaktormodul, die in Reihe positioniert werden. Dieses Design, das nur dank der besonderen Eigenschaften des HYPERCLASSIC®-Rühr- und Begasungssystems möglich ist, erlaubt die Realisierung eines erweiterten SBR-Prozesses mit

  1. kaskadiertem (cascaded) Reaktordesign,
  2. Dauerbetrieb (continuous) und
  3. zyklischem (cyclic) Betrieb.

Wir nennen das den iC³-Prozess.

Kaskadiertes Reaktordesign

Jedes HYPERCLASSIC®-Rühr- und Begasungssystem erzeugt eine vollständig durchmischte Zone. Diese Zonen werden über das gesamte Reaktormodul kaskadiert. Das erlaubt eine wesentlich höhere Prozessflexibilität, da während eines Zyklus in den einzelnen Zonen mit unterschiedlichen Betriebs- und Prozessparametern gearbeitet werden kann. Beispielsweise können die ersten Zonen als Selektor fungieren, während in der letzten Zone dekantiert wird.

Die einzelnen Schritte des iSBR®/iGSR®-Prozesses

Unterschieden werden fünf verschiedenen Prozessphasen, die zu unterschiedlichen Zeitpunkten und in vier oder mehr verschiedenen räumlichen Zonen (Zonen 1–4) stattfinden. Diese Zonen werden definiert durch die vier räumlichen Zonen gleicher Größe, in die wir jeden SBR-Tank unterteilen können.

Prozessauslegung

Der kontinuierliche Zufluss und die Aufteilung des Reaktors in verschiedene Zonen erlauben eine verbesserte Prozessauslegung, die in diesem Abschnitt erläutert wird.

In Abbildung 3 werden die fünf grundlegenden Phasen des iSBR®/iGSR®-Prozesses schematisch dargestellt. Nach Phase 5 beginnt der Zyklus erneut mit Phase 1. Was in den einzelnen Phasen geschieht, wird im Folgenden erläutert.

Abbildung 2: Die fünf Hauptphasen des iSBR®/iGSR®-Prozesses

1 Befüllen/Rühren (FM)

In dieser Phase arbeitet das HYPERCLASSIC®-Rühr- und Begasungssystem mit reduzierter Drehzahl und sorgt für Durchmischung ohne Belüftung. Die kontinuierliche Befüllung mit Abwasser erzeugt in den Zonen 1 und 2 anaerobe Bedingungen, während in Zonen 3 und 4 überwiegend anoxische Bedingungen herrschen. In den Zonen 3 und 4 werden die notwendigen anaeroben Bedingungen für einen teilweisen Abbau organischer Verbindungen, die unter rein aeroben Bedingungen möglicherweise nicht abgebaut würden, sowie für die biologische Phosphatelimination geschaffen.

2 Befüllen/Rühren/Belüften (FMA)

Während des Belüftungszyklus wird die Befüllung fortgesetzt und das HYPERCLASSIC®-Rühr- und Begasungssystem arbeitet mit hoher Drehzahl im starken Rühr- und Belüftungsbetrieb. Es liefert auf effiziente Weise den nötigen Sauerstoff für die BSB- und CSB-Elimination und den Nitrifikationsprozess. Die wirksame mechanische Durchmischung während der Belüftung ist sehr wichtig, um hohe α-Werte sowie eine hohe Sauerstoffzufuhr aufrechtzuerhalten und die notwendige Scherkräfte auf die granulare Biomasse auszuüben.

Das HYPERCLASSIC®-Rühr- und Begasungssystem ist eine bewährte Technologie für die Belüftung in Bioreaktoren mit granularem Schlamm. Die mechanische Durchmischung während der Belüftung ist außerdem sinnvoll, um Schaumbildung auf der Wasseroberfläche zu verhindern. Zudem sorgt die starke Durchmischung für aerobe Bedingungen und einen minimierten anaeroben Kern in den Schlammflocken.

Aufgrund des durch die Zufuhr von frischem Abwasser in Zone 1 des iSBR® bedingten hohen Sauerstoffbedarfs bleibt Zone 1 während dieser Phase überwiegend anoxisch.

3 Befüllen/Entgasen (FDg)

Nachdem der Belüftungszyklus abgeschlossen ist und die Gebläse abgeschaltet wurden, setzt eine kurze Phase mit starkem Rühren bei erhöhter Drehzahl des HYPERCLASSIC®-Rühr- und Begasungssystems ein. Dadurch wird eine wirksame Entgasung der Schlammflocken erreicht. Dies verbessert die Absetzeigenschaften des Schlamms und verhindert die Schaumbildung auf der Wasseroberfläche.

4 Befüllen/Absetzen/Langsames Rühren 1 (FSPh1)

Aufgrund der anoxischen Bedingungen während der Absetzphase finden in den ersten Zonen des iSBR® Denitrifikationsprozesse statt und das HYPERCLASSIC®-Rühr- und Begasungssystem verrührt am Zulauf des iSBR®/iGSR® mit geringer Drehzahl sanft das frische Abwasser mit der zunehmenden Schlammdecke am Boden. Bei dieser geringen Drehzahl wird die Schlammdecke nicht aufgewühlt. Die Zufuhr von frischem Abwasser in die Schlammdecke erzeugt nach einer kurzen anoxischen Phase anaerobe Bedingungen mit Bio-P-Freisetzung. Zusätzlich fördern diese anaeroben Bedingungen die Umwandlung von bCOD1 in rbCOD2 in der Zulaufzone (Zone 1) des iSBR®/iGSR® mit anaerober Aufnahme von rbCOD und/oder anoxischem Abbau desselben. Das minimiert die aerobe Aufnahme von rbCOD und schafft die optimalen biochemischen Bedingungen für die Zunahme des aeroben Granularschlamms.

5 Befüllen/Dekantieren/Langsames Rühren 2 (FDPh2)

Im letzten Schritt des iSBR®/iGSR®-Prozesses werden die Zufuhr von Abwasser in die Schlammdecke und der langsame Betrieb des HYPERCLASSIC®-Rühr- und Begasungssystems fortgesetzt. In der Schlammdecke werden nun die für Bio-P erforderlichen anaeroben Bedingungen geschaffen.

In dieser letzten Phase beginnt das iDEC®‐SBR Dekantiersystem den aufbereiteten Ablauf zu dekantieren, ohne die Schlammdecke aufzuwirbeln, und verhindert so die Verunreinigung des Ablaufs mit Schlamm. In dieser Phase wird der Überschussschlamm am Beckenboden entnommen, um die für die Prozessauslegung erforderliche Schlammbelastung aufrechtzuerhalten. Sobald der Dekantierzyklus abgeschlossen ist und das gewünschte Volumen dem iSBR®/iGSR® entzogen wurde, hebt sich der Dekanter in seine Ruheposition über der Wasseroberfläche und der Zyklus beginnt von vorne.

¹ bCSB: biologisch abbaubarer chemischer Sauerstoffbedarf

2 rbCSB: biologisch leicht abbaubarer chemischer Sauerstoffbedarf

Vorteile von iSBR®/iGSR®
Betrieb mit kontinuierlichem Durchfluss

Der INVENT SBR®/GSR®-Prozess verbindet auf einzigartige Weise die Vorteile eines chargenweisen Betriebs mit einem herkömmlichen kontinuierlichen Durchfluss in der gesamten Anlage. Diese Errungenschaft macht große Ausgleichsbecken vor den Bioreaktoren überflüssig und trägt zu einer Verringerung des Platzbedarfs der Anlage bei.

Modulares Design

Unsere INVENT iSBR®/iGSR® -Anlagen basieren auf einem modularen Design. Die einzelnen Module bestehen aus einem Einzel- oder Doppelstrang von HYPERCLASSIC®-Rührwerken/Belüftern sowie 3, 4, 5 oder mehr in Reihe. Die Größe der gewählten Grundmodule ist abhängig von der erforderlichen Gesamtkapazität der Anlage, den Bedingungen vor Ort und der allgemeinen Auslegung. Wir bevorzugen Anlagendesigns mit mehreren individuellen Modulen, da dies eine höhere Flexibilität und Betriebssicherheit bietet.

Einzigartiges Ausrüstungspaket

Das einzigartige Ausrüstungspaket von INVENT, das im iSBR®/iGSR®-Prozess zum Einsatz kommt, unterscheidet uns von allen anderen am Markt erhältlichen Ansätzen. Die Strömungsbedingungen, die wir mit dem INVENT HYPERCLASSIC®-Rühr- und Begasungssystem herstellen können, sind einmalig und machen diesen Prozess erst möglich. Der Effekt der virtuellen Wand gewährleistet das gewünschte Reaktorverhalten. Die vielfältigen Rührbedingungen ermöglichen die sichere Zunahme des Granularschlamms. Die hohe Belüftungsleistung und kurze Reaktionszeiten fördern eine zuverlässige Prozessregelung. Und das HYPERCLASSIC®-Rühr- und Begasungssystem liefert eine deutlich höhere Leistung unter Prozessbedingungen (α-Wert) als Membranbelüftungssysteme, die nach wie vor häufig eingesetzt werden. Vor allem aber altert es nicht und büßt im Laufe der Zeit nicht an Belüftungsleistung ein.

Unser iDEC®-SBR Dekantiersystem ermöglicht kurze Dekantierzeiten. Unser hocheffizientes iTURBO® Highspeed-Turbogebläse sorgt für eine weitere Verringerung des Energieverbrauchs und unser iFILT®-Rautenfilter kann den Schwebstoffgehalt im Ablauf weiter verringern, wenn das lokal erforderlich ist oder das Wasser z. B. zur Bewässerung wiederverwendet werden soll. Aber der Star ist das Team. Da wir alle diese Produkte selbst entwickelt haben, konnten wir sie alle für den Zweck und für den Einsatz in INVENT SBR®s und GSR®s auslegen. Sie arbeiten optimal zusammen und liefern bei jeder INVENT Anlage eine maximale Leistung.

Reaktordesign

Das iSBR®/iGSR®-Design ist für diesen speziellen Prozess und die verwendete Ausrüstung optimiert. Es ermöglicht maximalen Stofftransport und optimales Reaktorverhalten, hat einen geringen Platzbedarf und eine hohe Betriebssicherheit und Leistung. Bei der Auslegung der Reaktoren einer iSBR®/iGSR®-Anlage nutzen wir die modernsten strömungsmechanischen Simulationsinstrumente sowie dynamische Simulationsmodelle für die Optimierung der Gesamtprozessleistung und der spezifischen Belastungszustände.

Prozessauslegung

Der einzigartige iSBR®/iGSR®-Prozess ermöglicht die aerobe Erzeugung von Granularschlamm bei kontinuierlichem Durchfluss. Dies gelingt nur mithilfe unabhängiger, nacheinander geschalteter Rührzonen, wie wir sie mit dem HYPERCLASSIC®-Rühr- und Begasungssystem und den zyklischen Prozessbedingungen erzeugen können.

Autoren: Dr. rer. nat. Peter Huber, Marcel Huijboom und Dr.-Ing. Marcus Höfken, INVENT Umwelt- und Verfahrenstechnik AG, Deutschland

Downloaden Sie die Broschüre hier!
4. Juni 2025
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30 Jahre INVENT + Geschäftsbericht 2024

By Pressemeldungen
  • Dr.-Ing. Marcus Höfken
  • Fertigungshalle Fa. INVENT
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  • INVENT / IFAT 2018
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30 Jahre, eine Mission: Die INVENT-Erfolgsgeschichte geht weiter – für sauberes Wasser weltweit

Innovationskraft und die Überzeugung, das Richtige zu tun – das ist die Grundlage, auf der in nur drei Jahrzehnten aus einem universitären Forschungsprojekt eines der weltweit führenden Unternehmen der Wasser- und Abwasserreinigung entstehen konnte. Ein Erfolg, den die 150 Mitarbeiter der INVENT Umwelt- und Verfahrenstechnik AG 2025 gemeinsam feiern. Beim Rückblick allein wird es jedoch nicht bleiben. Denn ihre 30-jährige Erfolgsgeschichte sieht die INVENT vor allem als Ansporn, um auch in herausfordernden Zeiten mutig neue Projekte voranzutreiben – im Einsatz für einen verantwortungsvollen Umgang mit einer der wertvollsten Ressourcen unserer Zeit: Wasser.

Als sich 1995 ein innovatives Wissenschaftsprojekt am Lehrstuhl für Strömungsmechanik der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg formierte, markierte dies nicht nur die Geburtsstunde der INVENT, sondern auch den Auftakt zu ehrgeizigen Neuentwicklungen für eine moderne Wasser- und Abwasserreinigung. Mit Freude blickt INVENT 2025 auf die erreichten Erfolge zurück und würdigt diese mit einer sommerlichen Jubiläumsfeier, zu der rund 300 Mitarbeiter, Wegbegleiter und Partner aus drei Unternehmensjahrzehnten eingeladen sind.

„Mit einer hochspezialisierten energiesparenden Produktpalette und innovativer Verfahrenstechnik haben wir neue Maßstäbe für die biologische Abwasserreinigung der Zukunft gesetzt. Dadurch zählen wir heute weltweit zur TOP 5 der Branche – ein großer Erfolg und zugleich Antrieb für zukünftige Innovationen.“, so fasst Dr.-Ing. Marcus Höfken, Gründer und heutiger Vorstandsvorsitzender der INVENT die Erfolgsgeschichte des Unternehmens zusammen.

2024: Solider Jahresabschluss in herausfordernden Zeiten

In den wirtschaftlichen Turbulenzen der jüngsten Vergangenheit sind Erfolge keine Selbstverständlichkeit. Umso zufriedener zeigt sich die INVENT am Ende eines Jahres, in dem der deutsche Maschinenbau Umsatzeinbußen von über 7% verzeichnen musste. Denn im Gegensatz zum Branchentrend konnte die INVENT beim Gewinn vor Steuern an den Rekord des Vorjahres anknüpfen. Die Auftragseingänge blieben nach dem Rekordjahr 2023 (über 40 Millionen Euro) in 2024 ebenfalls auf stabil hohem Niveau.

Bekenntnis zum Standort Deutschland

In Zeiten, in denen manches Mal zu viel über Herausforderungen und zu wenig über Chancen gesprochen wird, bekennt sich die INVENT weiterhin zum Standort Deutschland. 2024 konnte der Ausbau der Produktionsstätte in Erlangen-Dechsendorf weiter vorangetrieben werden. Die moderne Anlage bietet nun optimale Voraussetzungen zur Fertigung des iFILT®-Rautenfilters, einem innovativen Produkt in der tertiären Abwasserbehandlung, das mit seiner Leistungsfähigkeit sowie seiner durchdachten Energie- und Ressourceneffizienz neue Maßstäbe setzt – insbesondere im Kampf gegen Mikroplastik und Spurenstoffe.

Zudem wurde 2025 am Stammsitz in Erlangen-Eltersdorf mit dem Bau einer neuen Produktionshalle begonnen, die die Produktionskapazitäten erweitern und den Standort im Herzen Mittelfrankens langfristig sichern wird.

Internationale Standortentscheidungen bringen Resilienz in herausfordernden Zeiten

Die INVENT ist in Deutschland verwurzelt und in der Welt zuhause. Die internationale Expansion bleibt deshalb auch weiterhin ein zentraler Bestandteil der Unternehmensstrategie.

  • Um den Zugang zu den Wachstumsmärkten in Südamerika zu stärken, wurden 2024 INVENT-Tochtergesellschaften in Argentinien und Uruguay gegründet.
  • Die USA bleiben weiterhin ein Schlüsselmarkt für die INVENT. 2025 soll deshalb ein eigener Produktionsstandort in South Carolina entstehen. Er markiert ein neues Kapitel in der Nordamerika-Strategie und garantiert auch in Zeiten von Zollstreitigkeiten optimale Handlungsmöglichkeiten vor Ort.

Dazu Dr.-Ing. Marcus Höfken: „Nord- und Südamerika werden für uns immer wichtiger. Die aktuellen Entwicklungen bestätigen unsere Entscheidungen für den Ausbau unserer Standorte vor Ort. Durch sie können wir schneller, flexibler und kundenorientierter agieren.“

Eine bleibende Mission: Mit innovativen Lösungen im Einsatz für sauberes Wasser weltweit

Bei ihrem Bekenntnis zum globalen Handel weiß sich die INVENT einem starken Antrieb verpflichtet; es ist die gleiche Mission, die den Grundstein für 30 Jahre erfolgreiche Innovationskraft legte: „Unser Ziel bleibt es, technologisch führend zu sein – und gleichzeitig als leistungsfähiger Partner in der Wasserwirtschaft weltweit wahrgenommen zu werden. Mit hochwertigen Zukunftstechnologien wollen wir überall auf der Welt zur Lösung von Wasserproblemen beitragen – und wir sind bereit, überall dort präsent zu sein, wo unsere Lösungen gebraucht werden.“, so Dr.-Ing. Marcus Höfken.

Für die INVENT Umwelt- und Verfahrenstechnik AG besteht dabei kein Zweifel, dass die Nachfrage nach innovativer Wasser- und Abwassertechnik weltweit weiter steigen wird. Der Unternehmenskurs ist deshalb auch in herausfordernden Zeiten vorgegeben: Die INVENT bleibt mit Erfindergeist, Verantwortungsbewusstsein und Leidenschaft auf Wachstum ausgerichtet – in Europa, in Amerika, weltweit.

30. Mai 2025
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Wasser ist für uns…

By Pressemeldungen

Unsere Aktion zum Weltwassertag 2025: Gemeinsam für sauberes Wasser!

Am 22. März 2025 ist Weltwassertag – ein Tag, der uns daran erinnert, wie wertvoll und lebensnotwendig sauberes Wasser ist. Als Unternehmen setzen wir uns nicht nur für nachhaltige Lösungen ein, sondern zeigen zu diesem Anlass unsere persönliche Verbindung zum Element Wasser.

Unsere Marketingabteilung hat dazu diese Aktion ins Leben gerufen: Jeder fragte sich, was Wasser für ihn bedeutet und teilt ein Foto mit seinen persönlichen Gedanken.

Doch das ist nicht alles: Jeder eurer Kommentare unter unserem Beitrag zählt!
Für jeden Kommentar spenden wir 10 Euro an die Organisation Viva con Agua, die Menschen weltweit Zugang zu sauberem Trinkwasser ermöglicht.

Wasser ist für mich…

Leidenschaft
Mein ganzes Leben lang beschäftige ich mich mit der energieeffizienten, kostengünstigen Herstellung von sauberem Wasser. Daran arbeiten wir – jeden Tag, weltweit.
– Dr.-Ing. Marcus Höfken

Genussmitttel
Zum Weltwassertag 2025 mache ich mir besonders bewusst, wie kostbar Wasser ist. Für mich ist Wasser nicht nur lebensnotwendig, sondern auch ein Genussmittel.
– Ute Klausner

Zusammenhalt
Wasser verbindet. Beim Kanu fahren merkt man das ganz besonders: Jeder paddelt für sich, aber nur gemeinsam kommen wir voran. Für mich steht Wasser genau für diesen Zusammenhalt – im Team und darüber hinaus.
– Annalena Eck

Lebensspende
Wasser ist für alle überlebenswichtig. Das sieht man vor allem bei den Pflanzen im Garten, die ohne Wasser einfach vertrocknen. Für mich bedeutet Wasser Leben und das Gefühl lebendig zu sein.
– Lena Fitzgerald

Purer Spaß – für Groß und Klein
Wasser ist für mich eine tolle Möglichkeit, Spaß zu haben – sowohl für Kinder als auch für Erwachsene. Sei es beim Schwimmen, Eislaufen, Skifahren oder Rodeln. Es verbindet Menschen und lässt sie gemeinsam unvergessliche Momente erleben.
– Franziska Ruecker

Erholung
Ob beim Snowboard fahren, Schwimmen oder Tauchen: In der Freizeit verbringe ich gerne Zeit in, an oder auf dem Wasser. Dabei kann ich den Kopf frei bekommen und frische Energie für kommende Projekte tanken.
– Lisa Grimm

Erfrischung
Ein Sprung ins kühle Nass an einem heißen Sommertag. Der erste Schluck aus der Wasserflasche nachdem man den Berg erklommen hat. Das Gefühl, nach einem langen Lauf das Gesicht mit Wasser zu benetzen. Herrlich!
– Anke Eisemann

Was ist Wasser für euch? Jeder Kommentar macht einen Unterschied!

Lesen Sie hier mehr über den Weltwassertag!
21. März 2025
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Produkte für die Öl-, Gas- und Petrochemieindustrie

By Pressemeldungen
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Wasser- und Abwasserbehandlung für die Öl-, Gas- und Petrochemieindustrie

INVENT entwickelt, produziert und vertreibt innovative mechanische Geräte, Verfahrenstechnologien und Anlagen für die Behandlung von Wasser und Abwasser. Das Unternehmen wurde bekannt durch die Entwicklung und Markteinführung energiesparender Hyperboloid-Rührwerke sowie spezieller Rühr- und Belüftungssysteme für die Wasser- und Abwasserbehandlung.

INVENT bietet eine breite Palette effizienter Rühr- und Mischlösungen für nahezu jede Anwendung in der Wasser-, Abwasser- und Verarbeitungsindustrie. Im Bereich der Belüftungstechnik umfasst das Produktspektrum verschiedene Membranbelüftungssysteme für die biologische Abwasserbehandlung, die für unterschiedliche Anwendungen entwickelt und optimiert wurden. Sie unterscheiden sich hinsichtlich ihres Funktionsprinzip, ihrer Konstruktion und ihres Materials, sodass eine optimale Lösung für nahezu alle industriellen und kommunalen Anforderungen angeboten werden kann. Die Planung und Gestaltung eines optimalen Misch- und/oder Belüftungssystems ist eine sehr komplexe Aufgabe. Sie erfordert eine große Menge an Kompetenz, Fachwissen und Erfahrung. Im Fall von Industrieanlagen, z. B. in der Öl-, Chemie- oder Petrochemieindustrie, ist es besonders wichtig, den Produktionsprozess in einem gewissen Maße zu verstehen, da dies die Zusammensetzung des Abwassers wesentlich beeinflusst.

Eine INVENT-Systemlösung umfasst, abhängig von den Anforderungen des Kunden, die Anlagenplanung, Grund- und Detail-Engineering, Projektmanagement, Lieferung der mechanischen Komponenten, Montage der Anlage und die Schulung des Anlagenpersonals. Die mechanischen Komponenten wie Rührwerke, Belüftungssysteme, Filter, Pumpen, Gebläse, Armaturen und Instrumentierung, Steuerungs- und Automatisierungssysteme werden sorgfältig für eine INVENT-Systemlösung ausgewählt und aufeinander abgestimmt. INVENT übernimmt die Verantwortung für den gesamten Lieferumfang, wodurch sich die Anzahl der Schnittstellen und potenziellen Fehlerquellen reduzieren.

Der kürzlich eingeführte INVENT Granular Sludge Reactor (iGSR®) ist das erste System, das das Potenzial des granulierten Belebtschlamms auch für große Anlagen voll ausschöpft: Reduzierte Prozesszeiten, höhere Reinigungsleistung bei reduziertem Platzbedarf, weniger Energieverbrauch und geringere Lebenszykluskosten bei gleichzeitig hoher Zuverlässigkeit. Das modulare Konzept kann an jede Anlagengröße angepasst werden. Das Design bietet eine höhere Prozessstabilität für hydraulische Spitzen und Lastschwankungen als jedes andere System. Das iGSR®-System ist bereits in verschiedenen Anlagen weltweit in Betrieb und weitere Anlagen befinden sich derzeit im Bau.

Die Ingenieur- und Beratungsdienstleistungen von INVENT reichen von der fluidmechanischen Optimierung hydraulischer Strukturen oder Prozesse (Think Fluid Dynamix®) bis zur Lösung chemischer Ingenieurprobleme, Strömungssimulationen mit CFD oder Simulationen von kompletten Abwasserbehandlungsanlagen. Diese Aufgaben werden bei Bedarf durch Laborforschung unterstützt.

Wir bieten schlüsselfertige Lösungen für Ihr Wasserprojekt in der Öl-, Gas- und Petrochemieindustrie!

Schauen Sie sich gleich unser iGSR®-Video an!
12. März 2025
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Projektbericht Lafayette, CO, USA

By Pressemeldungen, Projektbericht
  • 2_INVENT Lafayette wwtp HCMA Beitrag1
  • 1_INVENT Lafayette wwtp HCMA Beitrag2

Spitzentechnologie im Einsatz für eine nachhaltigere Wasserversorgung in Lafayette

Die Entwicklung einer nachhaltigen Wasseraufbereitung zählt zu den bedeutendsten Aufgaben der im Herzen der USA gelegenen Kleinstadt Lafayette (Colorado, USA), Nahe der Rocky Mountains. Seit 2022 setzt die Stadt dabei auch auf eine neue Hochleistungsanlage, die mit modernsten Abwasseraufbereitungstechnologien die Wasserversorgung der Region ergänzen soll. Ein zentrales Element der Anlage bilden 13 hocheffiziente HYPERCLASSIC®-Rühr- und Begasungssysteme von INVENT, die eigens für die Abwasseraufbereitung unter schwierigen Bedingungen entwickelt wurden.

Seit vielen Jahren versteht sich Lafayette als Partner verschiedener großer Wasserprojekte, die die Widerstandsfähigkeit der Region unter sich verändernden klimatischen Bedingungen sicherstellen sollen. Neben der Erschließung neuer Wasserreservoire gewinnt die Aufbereitung von Abwasser dabei zunehmend an Bedeutung, um Wohlstand und Wachstum in der Region zu schützen.

Nach der Planung, Lieferung und Installation eines ersten HYPERCLASSIC®-Rühr- und Begasungssystems durch INVENT folgten nach erfolgreichem Testbetrieb bis zum Jahr 2023 zwölf weitere Systeme. In der leistungsstarken Aufbereitungsanlage stellen die Rühr- und Begasungssysteme vor allem die Schlammstabilisierung durch Mischung und Belüftung im Schlammbecken sowie den effizienten Sauerstoffeintrag zur Reduktion des biologischen (BOD) und chemischen (COD) Sauerstoffbedarfs in den belüfteten Becken sicher. Dank der strömungsmechanisch optimierten Technologie erweisen sich die 13 HYPERCLASSIC®-Rühr- und Begasungssysteme dabei im kontinuierlichen Betrieb ebenso effizient und zuverlässig wie im intermittierenden Betrieb:

  • Verbesserte Schlammqualität: Der einzigartige hyperboloidförmige Rührkörper bewirkt eine optimierte bodennahe Strömung, die Ablagerungen aufwirbelt und eine homogenere Verteilung des Schlamms gewährleistet.
  • Effiziente Belüftung: Die mechanische Belüftung erzeugt Luftblasen in optimaler Größe, die durch die Rotation des Rührkörpers gleichmäßig im Becken verteilt werden. Dadurch verbessert sich der Sauerstoffeintrag bei sinkendem Energieaufwand. Eine signifikante Reduktion der Betriebskosten wird möglich.
  • Verringerter Wartungsaufwand: Die Konstruktion und Auslegung des Rühr- Begasungssystems ist für den Dauerbetrieb konzipiert. Der Wartungsaufwand  wurde durch einen trockenen Antrieb minimiert, wodurch die Wartungskosten sinken. Eine langfristige Betriebsstabilität wird sichergestellt.

Entwickelt für den Einsatz in anspruchsvollen Abwässern bilden die HYPERCLASSIC®-Rühr- und Begasungssysteme ein zentrales Element der innovativen und umweltbewussten Wasserversorgungsstruktur von Lafayette. Mit einer Menge von täglich bis zu 6,4 Millionen Gallonen Wasser (MGD) – das entspricht der Füllmenge von mehr als 20 großen Schwimmbädern – stellt die Stadt in Kooperation mit INVENT eindrucksvoll unter Beweis, dass sich eine moderne, umweltfreundliche und leistungsstarke Wasserversorgung realisieren lässt.

Mehr über das HYPERCLASSIC®-Rühr- und Begasungssystem erfahren!
5. November 2024
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Floßlösung für Teichkläranlagen

By Pressemeldungen
  • Floating Mixing and Aeration System in Sweden c
  • 3D Rendering
  • Floating HYPERCLASSIC Mixing and Aeration System
  • Lessebo
  • Comparison Surface Aeration 3

Schwimmendes HYPERCLASSIC®-Rühr- und Begasungssystem erobert schwedische Industrieanlagen

Das innovative schwimmende HYPERCLASSIC®-Rühr- und Begasungssystem erfreut sich in Industrieanlagen in Schweden einer steigenden Beliebtheit, insbesondere in Teichkläranlagen, die von Papier- und Zellstoffherstellern betrieben werden. Diese Anlagen sind für die Reinigung von Abwasser konzipiert und stehen vor spezifischen Herausforderungen im Hinblick auf die Belüftungstechnologien.

Zur Reinigung von Abwässern aus der Papier- und Zellstoffindustrie sind in Schweden Teichkläranlagen weit verbreitet. Belüftungstechnologien wie Oberflächenbelüfter, Membranbelüfter und Tauchbelüfter stehen häufig vor Problemen wie einer unzureichenden Volumennutzung, mangelnder Umwälzung und hoher Wartungsintensität. Das HYPERCLASSIC®-Rühr- und Begasungssystem ist die Lösung für diese Probleme, indem es auf einer schwimmenden Plattform montiert wird. Die Belüftung erfolgt bodennah und das System sorgt aufgrund der hohen Turbulenzen für eine effektive Durchmischung des Abwassers.

Die Implementierung des klassischen HYPERCLASSIC®-Rühr- und Begasungssystems hat in Abwasserreinigungsanlagen der Prozessindustrie weltweit zu beachtlichen Verbesserungen der Reinigungsleistung geführt. Unter anderem konnte das durchmischte Volumen erheblich gesteigert werden, die Reichweite des Rührbetriebs erhöht und die Schlammqualität verbessert werden. Zudem zeichnet sich das System durch seine Flexibilität und Robustheit aus, was zu einem geringeren Wartungsaufwand führt.

(1) Beispielhaft zu nennen ist der Austausch eines Membranbelüftungssystems in einer schwedischen Industriekläranlage, deren Lagune ein Fassungsvermögen von rund 50.000 m3 aufweist . Aufgrund des Einsatzes eines HYPERCLASSIC®-Rühr- und Begasungssystems konnte eine um ca. 30% höhere Belüftungsleistung erzielt werden, ohne zusätzliche Gebläse installieren zu müssen. Dies führte zu einer Reduzierung der Wartungsaufwendungen und einer insgesamt effizienteren Abwasserreinigung.

(2) Eine weitere schwedische Industriekläranlage tauschte in 2021 drei Oberflächenbelüfter mit nur einem HYPERCLASSIC®-Rühr- und Begasungssystem und konnte eine gleichbleibende Sauerstoffgelöstkonzentration an Teststellen nahe des Ufers erreichen. Statt wie zuvor drei separate Systeme jährlich umfassend warten zu müssen, erfordert das neue System lediglich einen Ölwechsel alle zwei Jahre. Vor der Implementierung des HYPERCLASSIC®-Rühr- und Begasungssystems wurden Oberflächenbelüfter bei geringer Last teilweise komplett ausgeschaltet. Jetzt besteht die Möglichkeit, die Belüftungsleistung entweder zu reduzieren oder in den alleinigen Rührbetrieb, ohne Belüftung, zu wechseln, um Schlammablagerungen am Lagunenboden zu vermeiden.

(3) Im Norden Schwedens rüstete eine Industriekläranlage ihre Lagune mit sechs Rühr- und Begasungssystemen und zwei Rührsystemen nach, um den Anforderungen an höhere Produktionsmengen gerecht zu werden. Einige der bis dahin verwendeten Oberflächen- und Tauchbelüfter konnten im Zuge dessen außer Betrieb genommen werden. Das HYPERCLASSIC®-Rühr- und Begasungssystem ist auf einer schwimmenden Stahlplattform montiert. Optional kann eine Wartungsplattform angebracht werden, um den Zugang für einen Ölwechsel zu erleichtern. Das Belüftungssystem wird an eine Druckluftversorgung angeschlossen und erfordert keine weiteren fest installierten oder wartungsintensiven Einrichtungen im Becken. Die Prozessluft gelangt durch die Welle zum hyperboloidförmigen Rührkörper, wird dort in feine Blasen zerteilt und anschließend homogen in der Lagune verteilt.

Das sorgfältig durchdachte Design ermöglicht eine unkomplizierte Montage an Land sowie ein reibungsloses Einheben in den Teich im Anschluss. Abschließend wird das schwimmende HYPERCLASSIC®-Rühr- und Begasungssystem an der vorgesehenen Position abgespannt, an die Prozessluft angeschlossen und in Betrieb genommen.

Die langjährige Erfahrung von INVENT im Bereich der Abwasserreinigung zeigt sich in der erfolgreichen Implementierung des schwimmenden HYPERCLASSIC®-Rühr- und Begasungssystems, da immer ganzheitliche Lösungsansätze der Ingenieure in Erlangen ausgearbeitet werden. Bei der Produktion der Systeme wird überwiegend auf regionale Materialien und Dienstleistungen zurückgegriffen. Seit 2019 wird das schwimmende Rühr- und Begasungssystem erfolgreich eingesetzt und erfreut sich nicht nur in Schweden wachsender Beliebtheit.

Hier zum Produktvideo
6. September 2024
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CFD in der Abwasserreinigung

By Pressemeldungen

CFD-Simulationen in der Abwasserindustrie: Brückenschlag zwischen Theorie und Praxis

Das Gebiet der Strömungsmechanik ist ein komplexes Netzwerk aus Physik, mathematischen Modellen und realen Anwendungen. In der Abwasserindustrie ist das Verständnis dieser Strömungsdynamik nicht nur eine wissenschaftliche Übung, sondern eine Notwendigkeit. Hier kommt Computational Fluid Dynamics (CFD) ins Spiel – ein entscheidendes Werkzeug, das die Art und Weise, wie wir reale Probleme der Strömungsmechanik angehen und lösen, revolutioniert hat.

Die Ursprünge von INVENTs CFD-Reise

In den 1990er Jahren leitete die Gründung der INVENT durch Dr.-Ing. Marcus Höfken die rigorose Anwendung der Strömungsmechanik in der Abwasserbehandlung ein. Mit Wurzeln am Lehrstuhl für Strömungsmechanik der Universität Erlangen-Nürnberg unter der Leitung von Professor Dr. Franz Durst entstand INVENT aus einer echten Leidenschaft für Strömungsmechanik, kombiniert mit einem streng wissenschaftlichen Ansatz.

Schon in den Anfangsjahren erkannte man bei INVENT das Potenzial der CFD-Simulationen und nutzte diese in Zusammenarbeit mit Hochschulen. Das Unternehmen gründete bald darauf eine eigene CFD-Abteilung, die sich rasch ausschließlich der Komplexität der Wasser- und Abwasserbehandlung widmete. Von der Modellierung von Rührwerken mit detaillierter CAD-Geometrie bis zu Multiphasen-Simulationen für belüftete Becken war INVENT an vorderster Front tätig, indem es geltende Konventionen in Frage stellte und Standards anhob.

Bild 1: Strömungsgeschwindigkeitsfeld im SBR  

CFD in der Abwasserbehandlung: Brückenschlag zwischen Theorie und Praxis

Aber was ist CFD? Im Kern ist Computational Fluid Dynamics (CFD) die Verwendung angewandter Mathematik, Physik und computergestützter Software, um Strömungen zu modellieren und zu visualisieren. Dies wird in der Abwasserbehandlung unverzichtbar.

Es gibt viele Beispiele: Belüftete Becken erfordern beispielsweise Multiphasen-Simulationen, welche dabei helfen können, die Standard-Sauerstoffübertragungsrate (SOTR), eine entscheidende Metrik in der biologischen Abwasserbehandlung, vorherzusagen. Oder die Bewegung und das Verhalten suspendierter Feststoffe und aktiven Schlamms zu verstehen. CFD hilft bei der Modellierung dieser Phänomene und bietet Einblicke in Partikelbahnen, Absetzmuster und mehr.

Darüber hinaus können in gerührten Behältern oder in Pumpstationen die Effekte an der Wasseroberfläche, die oft durch turbulentes Verhalten gekennzeichnet sind und zur Bildung von Wirbeln führen, komplex sein. CFD-Simulationen unterstützen Ingenieure dabei, diese Oberflächeneffekte zu modellieren sowie Behandlungsprozesse zu entwerfen und zu optimieren.

Mit zunehmender Vertiefung in die Modellierung der Abwasserbehandlung werden bestimmte Merkmale und Techniken unverzichtbar. Die Gründe sind:

  1. Turbo-Gebläse:
    Die genaue Auslegung der Turbo-Gebläse ist von entscheidender Bedeutung. In Kläranlagen spielen diese eine zentrale Rolle, um eine effiziente Zirkulation und Suspension von Feststoffen sicherzustellen. Eine genaue Auslegung gewährleistet eine zuverlässige Darstellung des realen Gebläsebetriebs.
  2. Multiphasen-Simulation für Belüftung:
    Belüftung ist entscheidend für die biologischen Oxidationsprozesse der biologischen Abwasserreinigung. Das Verständnis komplexer Phänomene wie Blasendynamik ist entscheidend. Faktoren wie Blasenzerfall, ihre eventuelle Koaleszenz und der Massentransfer sind entscheidend, um die Sauerstoffübertragungsrate zuverlässig vorherzusagen.
  3. Transport von Schlammflocken:
    Schlammflocken oder aggregierte Partikel erfordern ebenfalls weitere Untersuchungen und sorgfältige Modellierung. Bei Multiphasen-Simulationen für ihren Transport kommt ein komplexer Faktor ins Spiel: das Fließverhalten. Mit zunehmender Konzentration dieser Flocken weicht das Verhalten der Flüssigkeit von der newtonschen Idee ab und übernimmt Eigenschaften nicht-newtonscher Fluide. Diese Veränderung im Flüssigkeitsverhalten, gepaart mit Flockungseffekten – bei denen Partikel zusammenkommen, um größere Flocken zu bilden – macht den Modellierungsprozess noch komplexer.

Eine bedeutende Herausforderung bleibt jedoch bestehen. Das Verhalten von biologischen Verbindungen im Abwasser kann nicht explizit innerhalb der Gleichungen der Strömungsmechanik modelliert werden. Hier spielt der numerisch-empirische Ansatz eine wesentliche Rolle. Durch die Verbindung von Theorie mit empirischen Daten stellen wir genaue Ergebnisse sicher, die auf realen Beobachtungen und Validierungen basieren.

Die potenziellen Anwendungen von CFD in diesem Bereich sind vielfältig und erstrecken sich über Siebanlagen, hydraulische Dynamik, Wasserverteilung und darüber hinaus. Man denke an anoxische Tanks, Klärbecken, Oxidationsgräben, anaerobe Faulbehälter – CFD kann alles abdecken.

Bild 2: Experimentelle Validierungen in den INVENT-Laboren

Instrumente und Zusammenarbeit

INVENT ist in Sachen CFD-Technologie immer auf dem neuesten Stand. Die Software M-STAR, mit seinem Lattice-Boltzmann-Ansatz zur Lösung der Navier-Stokes-Gleichungen, bietet fortschrittliche Turbulenzmodellierungstechniken wie Large Eddy Simulation. Es sind zeitgenaue dynamische Simulationen möglich und bieten einen beispiellosen Einblick in turbulente Phänomene.

Turbulenz ist schließlich entscheidend für das Rühren. Je genauer Turbulenzen modelliert werden, desto besser sind die Vorhersagen im Zusammenhang mit der Vermischung, einem Eckpfeiler in den Prozessen der Abwasserbehandlung.

Dennoch liegt die eigentliche Stärke der CFD-Abteilung von INVENT nicht nur in ihren überlegenen Software- und Hardware-Tools, sondern auch in ihrem anhaltenden Bestreben nach numerischer Validierung. Durch kontinuierlichen Vergleich von Simulationsergebnissen mit experimentellen Daten, entweder in Zusammenarbeit mit Hochschulen oder durch Vor-Ort-Experimente in Kläranlagen, stellt INVENT die Präzision ihrer CFD-Simulationen sicher.

Die beste CFD ist weit mehr als eine Simulation, sie beinhaltet auch kontinuierliche experimentelle Validierungen und Kalibrierungen unter Verwendung eines numerisch-empirischen Ansatzes.

Bild 3: Tracertest im technischen Maßstab in den INVENT-Laboren

Fazit

In einer Welt, in der Präzision zählt, ist der Einsatz von CFD in der Abwasserbehandlung kein Luxus, sondern eine Notwendigkeit. Die Branche fordert nachhaltigere und effizientere Lösungen, so dass die Brücke zwischen theoretischen Simulationen und experimentellen Validierungen noch entscheidender wird. INVENT wird diesen Weg weiterhin gehen und die komplexen Daten der Wasser- und Abwasserbranche simulieren.

Autor: Efraim Reiss-Gonzales

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27. August 2024
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