Projektbericht

Big Sky, Montana, USA, hat seine Kläranlage umfassend modernisiert, um dem steigenden Abwasseraufkommen infolge von Bevölkerungswachstum und dem Ausbau des Kanalnetzes gerecht zu werden. Als optimale Lösung wurde ein Membranbioreaktor-System (MBR) ausgewählt, das durch die innovativen Rühr- und Belüftungstechnologien von INVENT unterstützt wird. Diese gewährleisten eine effiziente biologische Reinigung und ermöglichen die Wiederverwendung des gereinigten Abwassers zur Bewässerung von Golfplätzen und zur Beschneiung – selbst unter extremen klimatischen Bedingungen.

In den vergangenen Jahren verzeichnete Big Sky ein starkes Bevölkerungswachstum. Gleichzeitig wurde eine wachsende Anzahl von Haushalten an das kommunale Abwassersystem angeschlossen, um die Abhängigkeit von dezentralen Klärsystemen (z.B. Sickergruben) zu reduzieren. Dadurch hat sich das behandelte Abwasservolumen in den letzten drei Jahrzehnten verdoppelt.

Um diese steigenden Anforderungen zu erfüllen, wurden die Ingenieure von AE2S in Bozeman, Montana, mit der Planung einer umfassenden Erweiterung und Modernisierung der bestehenden Kläranlage in Big Sky beauftragt. Nach eingehender Prüfung wurde ein Membranbioreaktor (MBR) ausgewählt, da er eine besonders hohe Ablaufqualität gewährleistet. Das behandelte Abwasser wird in lokalen Speichern gesammelt und zur nachhaltigen Nutzung bereitgestellt – etwa zur Golfplatzbewässerung im Sommer und für die Schneeerzeugung im Winter.

Ein wesentlicher Vorteil von MBR-Systemen ist ihre Fähigkeit, mit hohen Schlammkonzentrationen bei gleichzeitig effektiver biologischer Reinigung zu arbeiten. In solchen Systemen ist eine zuverlässige und energieeffiziente Durchmischung in anaeroben und anoxischen Zonen entscheidend. INVENT Environmental Technologies wurde daher beauftragt, Rührwerke für die neuen biologischen Reaktoren und Fermenter zu liefern. In enger Zusammenarbeit mit den AE2S-Ingenieuren schlug INVENT das HYPERCLASSIC^®-Rührwerk Evolution7 als ideale Lösung vor. Das hyperboloide Rührwerk sorgt für eine besonders effiziente Feststoffsuspension und homogene Durchmischung – entscheidend für Prozesse wie die verbesserte biologische Phosphorentfernung und Denitrifikation. Die einzigartige Form, die geringe Rotationsgeschwindigkeit und das radiale Strömungsmuster des HYPERCLASSIC^®-Systems verhindern Sedimentablagerungen. Für einen zuverlässigen Betrieb in Montanas strengen Wintern wurde das Getriebe speziell für kalte Witterungsverhältnisse angepasst.

Neben den biologischen Reaktoren stellte auch das Ausgleichsbecken eine besondere Herausforderung dar: Es musste sowohl durchmischt als auch intermittierend belüftet werden. Konventionelle Belüftungssysteme erwiesen sich aufgrund des unregelmäßigen Betriebs des Beckens als ungeeignet. INVENT löste dieses Problem mit dem HYPERCLASSIC^®-Rühr- und Belüftungssystem, das mechanische Durchmischung mit zeitweiser Luftzufuhr kombiniert.

Da es sich um die erste Installation eines HYPERCLASSIC^®-Rühr- und Belüftungssystems in Montana handelte, wurde ein Standardtest zur Sauerstoffübertragung (SOTR) am INVENT-Hauptsitz in Erlangen, Deutschland, durchgeführt. Der großmaßstäbliche Reinwassertest bei Auslegungstiefe bestätigte die hohe Effizienz der Sauerstoffeintragung. Ein umfassender Prüfbericht wurde AE2S und der Stadt Big Sky vorgelegt und vollständig genehmigt.

Die erfolgreiche Umsetzung der Rühr- und Belüftungstechnologien von INVENT in der Kläranlage Big Sky unterstreicht die Bedeutung maßgeschneiderter, leistungsstarker Lösungen in der modernen Abwasserbehandlung – insbesondere in Regionen mit extremem Klima und ambitionierten Nachhaltigkeitszielen.

Die Ocotillo Water Reclamation Facility (WRF) in Chandler, Arizona, USA – eine Region in der Wasserwiederverwendung essentiell ist – spielt eine zentrale Rolle im nachhaltigen Wassermanagement. Die Stadt Chandler hat deshalb in modernste Anlagen zur Abwasserbehandlung und Wasseraufbereitung investiert, um gereinigtes Wasser für Parks, Unternehmen, Golfplätze und städtische Grundwasseranreicherungsanlagen bereitzustellen.

Um zu gewährleisten, dass die Ocotillo-Anlage den zukünftigen Anforderungen gerecht wird, musste die bestehende 18 MGD-Anlage hinsichtlich ihres biologischen Prozesses und ihrer Vorreinigung modernisiert werden. Wilson Engineers übernahm die Planung der Optimierungen, während McCarthy Building Companies den Bau ausführte.

Im Rahmen dieses Upgrades waren neue Rührwerke für den anoxischen Bereich erforderlich, um die fortschrittliche biologische Belebtschlammbehandlung der Anlage zu unterstützen. INVENT lieferte eine maßgeschneiderte Lösung, welche die hohen technischen Anforderungen erfüllte. Die INVENT HYPERCLASSIC^®-Rührwerke Evolution 7 wurden aufgrund ihrer Effizienz und Zuverlässigkeit ausgewählt. Zusätzlich wurde aufgrund der 26 Fuß tiefen (ca. 8 m) anoxischen Becken das INVENT CYBERPROP-Rührwerk in die Welle des HYPERCLASSIC^®-Rührwerks integriert, um die vertikale Durchmischung zu verbessern, ohne den Energieverbrauch zu erhöhen.

Das CYBERPROP-Rührwerk ist ein innovatives Propellerblatt, das über dem Rührkörper des HYPERCLASSIC^®-Rührwerks an der vertikalen Welle montiert ist. Es rotiert mit derselben Geschwindigkeit wie der Rührkörper und verbessert so die Homogenisierung ohne zusätzlichen Energieaufwand, was die Prozesseffizienz weiter optimiert.

Um die Leistung weiter zu steigern, führte INVENTs CFD-Abteilung, THINK Fluid Dynamix^®, eine CFD-Strömungssimulation durch, um den Zulauf der anoxischen Becken zu optimieren. Die Simulation ergab, dass eine einfache Ablenkplatte die Strömungsdynamik erheblich verbessern würde. Auf Grundlage dieser Erkenntnisse wurde eine Ablenkplatte installiert, die für eine effektivere Beckenhydraulik sorgt.

Mit diesen Anpassungen ist die Ocotillo WRF nun bestens vorbereitet, um zukünftige Herausforderungen in der Wasseraufbereitung zu meistern und die langfristigen Nachhaltigkeitsziele von Chandler zu erreichen.

Eines der führenden INVENT Produkte sorgt in Hunderten von amerikanischen Kläranlagen für erhebliche Energieeinsparungen. Das HYPERCLASSIC^®-Rühr- und Begasungssystem bietet exzellente Misch- und Homogenisierungsergebnisse sowie eine hohe Effizienz beim Sauerstoffeintrag. Das Design ist strömungsmechanisch optimiert und umfasst einen hyperboloidförmigen Rührkörper, der in Bodennähe installiert ist, sowie einen Antrieb, der oberhalb des Wasserspiegels auf einer Brücke montiert ist. Die Energieeffizienz des HYPERCLASSIC^®-Rühr- und Begasungssystems wurde bereits in diversen Projekten in den USA, beispielsweise in Manchester, Connecticut oder im Silicon Valley, Kalifornien nachgewiesen.

Kläranlage Manchester, CT

Im Jahr 2015 schloss die Stadt Manchester, CT, eine umfassende Modernisierung ihrer alternden Wasseraufbereitungsanlage ab. Die Betreiber entwickelten ein Szenario, das den Betrieb von zwei parallelen Belüftungslinien mit jeweils acht Becken vorsah. Allerdings bestand die Sorge, dass bei nur zwei Linien die Hälfte des Belüftungsvolumens außer Betrieb genommen werden müsste, um Wartungsarbeiten durchzuführen. Um dieses Problem zu lösen, wurde ein Rühr- und Begasungssystem in das Design integriert und getestet. Schließlich wurde in jedem der 16 Becken ein HYPERCLASSIC^®-Rühr- und Begasungssystem installiert.

Dies brachte zahlreiche Vorteile im Prozess und in der Betriebsflexibilität mit sich, wie die Wiederverwendung alter Belüfterplattformen. Außerdem kann jedes der 16 Becken entweder in einem anoxischen oder aeroben Zustand betrieben werden. Wenn ein oder zwei Becken in einem Belüftungstank außer Betrieb genommen werden mussten, konnte der Rest des Tanks im Zyklusbetrieb betrieben werden, um die Stickstoffentfernung aufrechtzuerhalten. Da Rühren und Belüften unabhängig voneinander sind, ist es nicht nötig, bestimmte Zonen übermäßig stark zu belüften, um die erforderliche Mischintensität aufrechtzuerhalten. Das Hyperboloid-Rührwerk liefert die erforderliche Rührenergie, sodass die aeroben Zonen am Ende des Prozesses mit deutlich geringerem Belüftungsniveau betrieben werden können. Dabei werden die Prozessanforderungen weiterhin erfüllt, was erhebliche Energieeinsparungen ermöglicht.

Das Personal der Anlage war stark in die Planung und das Design der Modernisierung eingebunden. Dank ihres umfassenden Wissens über die Anlage konnten passende Lösungen entwickelt werden, um die vorhandenen Becken mit minimalen strukturellen Verbesserungen wiederzuverwenden. Die Offenheit der Mitarbeiter für neue Technologien, wie das erwähnte Hyperboloid-Rühr- und Begasungssystem, ermöglichte innovative Lösungen und maximale Betriebsflexibilität.

Kläranlage Silicon Valley, CA

Das System für die Belüftung des Klärschlamms in der Kläranlage von Silicon Valley Clean Water (SVCW) war seit dem Bau der Anlage in den frühen 1980er Jahren praktisch unverändert geblieben. Es wurden verschiedene Optionen in Betracht gezogen, darunter Upgrades auf eine feinblasige Belüftung, verbesserte Turbinenrührwerke und das HYPERCLASSIC^®-Rühr- und Begasungssystem. Die Kosten für eine vollständige Umrüstung auf ein feinblasiges Belüftungssystem waren jedoch weitaus höher im Vergleich zu einem innovativen Rühr- und Begasungsdesign. Dies führte das SVCW-Team zu einer vertieften Untersuchung der INVENT Rühr- und Belüftungstechnologie.

Das HYPERCLASSIC^®-Rühr- und Begasungssystem zeigte dabei einige zusätzliche Vorteile:

• Die Luftaustrittsöffnung wurde etwa 54 Zoll näher am Boden der Belüftungsbecken platziert, was die Sauerstoffeintragseffizienz verbesserte.
• Der Einsatz des INVENT-Begasungsring erzeugte kleinere Blasen, die den Sauerstofftransfer weiter optimierten.
• Die durch das Rühren erzeugte Strömung verlängerte die Verweildauer der Blasen in der Säule der Belüftungsbecken, was die Sauerstoffeintragseffizienz weiter erhöhte.
• Mikro-Wirbel, die vom Rührkörper ausstrahlten, reinigten den Beckenboden und verhinderten die Ansammlung schwerer Feststoffe.

SVCW bewertete die theoretische und die tatsächliche Leistungen, um einen tieferen Luftaustrittspunkt in den Belüftungsbecken zu rechtfertigen. Eine Prüfung der Leistungskurven der Gebläse zeigte, dass die größere Austrittstiefe die Gebläse an ihre Kapazitätsgrenze bringen würde. Dieser Versuch war erfolgreich, was das Konzept des HYPERCLASSIC^®-Rühr- und Begasungssystem weiter voranbrachte. Trotz des Betriebs mit voller Geschwindigkeit führte die Installation des Systems zu einer drastischen Reduzierung des Stromverbrauchs im Belebtschlammprozess in Silicon Valley.

Beide Anlagen konnten diese energieeffizienten Belüftungs-Upgrades erfolgreich umsetzen, indem sie das INVENT HYPERCLASSIC^®-Rühr- und Begasungssystem einführten. Manchmal können kleine Blasen den Unterschied machen!