Vorlage - VO/19/16040/65
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Sachverhalt:
1. Ausgangssituation Im Grundsatzbeschluss über die Ertüchtigung der Reinigungsleistung, die Erneuerung der Anlagentechnik und die Sanierung der Betriebsgebäude für das Klärwerk Regensburg im Ausschuss für Umweltfragen, Natur- und Klimaschutz vom 19.09.2019 bzw. im Stadtrat vom 26.09.2019 (vgl. VO/19/15769/65) wurde bereits grundsätzlich die Notwendigkeit der Erneuerung der technischen Anlagen für die biologische Reinigungsstufe unter Punkt 3.2.2 dargestellt.
1.1 Aktueller Betrieb der Nitrifikationsbecken (biologische Reinigungsstufe) Die biologische Reinigungsstufe ist ein wesentlicher Verfahrensschritt für den Gesamtprozess der Abwasserreinigung, da bei diesem Behandlungsschritt die Schmutz- und Abwasserinhaltsstoffe durch Mikroorganismen abgebaut werden. In den nachfolgenden Nachklärbecken wird noch das gereinigte Abwasser vom Belebtschlamm getrennt. Die biologische Reinigungsstufe besteht im Wesentlichen aus drei baugleichen Beckengruppen mit 12 Becken und einem Gesamtvolumen von 30.900 m³. Damit die Mikroorganismen in den Becken mit Sauerstoff versorgt werden können, wird Luft mittels Verdichter-Aggregaten mit einem Überdruck von ca. 0,5 bar über ein Leitungsnetz zu den Belüfterelementen („Filterkerzen“) am Boden dieser Becken geleitet. In den keramischen Filterkerzen wird die Luft feinblasig in das Abwasser eingetragen, um eine hohe Ausnutzung des Sauerstoffes zu ermöglichen.
Dieses System konnte im Zeitraum der letzten ca. 30 Jahre hinsichtlich der Reinigungsleistung und der Betriebssicherheit gut eingesetzt werden. Mit zunehmender Anlagenbelastung, vor allem durch den starken Anstieg der Stickstofffrachten, wurde jedoch die Leistungsgrenze der Anlagentechnik erreicht. Um den Abbau der Stickstoffverbindungen zu optimieren, müssen in einem Becken sowohl belüftete (aerobe) als auch unbelüftete (anaerobe) Zonen vorhanden sein, damit durch diese Milieuänderungen die Abbauprozesse (Oxidation bzw. Reduktion der Stickstoffverbindungen) erfolgen können. Da bei den keramischen Belüfterkerzen ein ständiger Luftstrom notwendig ist, um das Zusetzen der bei den Kerzen vorhandenen Feinstporen mit Schlammpartikel zu verhindern, ist die variable Ausbildung einer unbelüfteten (anaeroben) Zone mit dieser Technik nur bedingt möglich.
Das gesamte System der Belegung der Becken mit den keramischen Filterkerzen wurde daher durch den Klärwerksbetrieb in den Jahren 2015 und 2016 für eine effizientere Abbauleistung der Stickstoffverbindungen umgerüstet. Mit der Schaffung von fest vorgegebenen belüfteten und unbelüfteten Zonen in dem 100 m langen Becken konnte dadurch ein verstärkter Stickstoffabbau erreicht werden. Das starre System mit den Mindestluftmengen, bedingt durch die Filterkerzen und der festen Belegung in den Becken, ist jedoch nicht in der Lage auf Belastungsschwankungen durch die wechselnden Zulauffrachten ausreichend flexibel zu reagieren.
1.2 Anforderungen für eine zukünftige Optimierung der Nitrifikationsbecken Um eine signifikante Leistungssteigerung der biologischen Stufe zu ermöglichen, muss in Abhängigkeit der Zulauffrachten von Kohlenstoff und Stickstoff die Verfahrenstechnik, bestehend aus den Aggregaten zur Drucklufterzeugung, der Luftverteilung zu den Nitrifikationsbecken und den Belüfterelementen in den Becken, flexibel aufeinander abgestimmt sein. Daher werden die Nitrifikationsbecken künftig in vier Belüftungsabschnitte unterteilt und mit einer sogenannten Membranbelüftung ausgerüstet. Die Membranbelüfter haben den betrieblichen Vorteil, dass bei der Beaufschlagung mit Druckluft eine sehr feinblasige Belüftung für einen sehr guten Sauerstoffeintrag möglich ist und damit die aerobe Zone für die Oxidationsprozesse geschaffen werden kann. Damit die folgenden Abbauprozesse in einer anaeroben Zone erfolgen können, ist es bei den Membranbelüftern ohne Weiteres möglich, die Druckluftzufuhr völlig abzustellen. Dadurch können zeitlich variabel in einem Beckenabschnitt sowohl anaerobe als auch aerobe Zustände betrieblich geschaffen werden.
Für die Optimierung der Abbauprozesse müssen dabei folgende verschiedene Zustände in den Becken durch die neue Anlagentechnik eingestellt werden können:
mit einer maximalen Luftmenge von 45.000 Nm³/h
Stickstoffelimination
1.3 Bestehende Anlagentechnik für die Drucklufterzeugung Die bestehende Anlagentechnik wurde im Jahr 1979 im Betrieb genommen und ist somit in den wesentlichen Bauteilen 40 Jahre alt. Die Gesamtanlage besteht aus
Trotz ständiger Wartung und aufwendiger Instandhaltungsmaßnahmen hat die Anlagentechnik das Ende der Nutzungsdauer erreicht.
In der Motorenhalle befinden sich drei Aggregate zur Drucklufterzeugung, die seit dem Jahr 1979 in Betrieb sind. Im Jahr 1992 wurde ein zusätzliches Turbo-Gebläse installiert. Die Gesamtförderleistung der vier Aggregate beträgt 78.000 Nm³/h. Die Wartung der alten Technik ist sehr kostenintensiv und die Beschaffung von Ersatzteilen für die Maschinen- und Bauteile der Steuerungstechnik kaum mehr möglich. Die Elektrotechnik sowie die Mess-, Steuer- und Regeltechnik wurde zur Aufrechterhaltung der Steuerung der Anlagentechnik nach Bedarf erneuert. Damit konnten jedoch keine Optimierungen beim Reinigungsprozess erreicht werden.
1.4 Anforderungen an die zukünftige Anlagentechnik für die Drucklufterzeugung Wie unter Nr. 1.2 beschrieben, besteht für die Maschinentechnik zur Drucklufterzeugung die Anforderung flexibel auf die notwendigen Druckluftmengen reagieren zu können. Die Auslegung und Anzahl der Aggregate sollte mit baugleichen Typen erfolgen, damit der Aufwand für Wartung und Instandhaltung möglichst wirtschaftlich erfolgen kann. Zudem sollen die Aggregate einen höheren Druck von ca. 0.7 bar als bisher (0,5 bar) erzeugen können, um einen Lufteintrag auch bei einer größeren Wassertiefe zu ermöglichen.
Ein weiterer wichtiger Aspekt bei der Erneuerung der Verdichteraggregate ist der Stromverbrauch, da die Erzeugung der Druckluft für die biologische Reinigungsstufe sehr energieintensiv ist. Bezogen auf den Gesamtstromverbrauch der Abwasserreinigung verursacht dieser Verfahrensschritt ca. 50 Prozent des Stromverbrauches. Daher ist es unter wirtschaftlichen Gesichtspunkten sinnvoll, neue energieeffiziente Maschinen für die Drucklufterzeugung einzusetzen. Mit einer neuen Maschinentechnik ist es möglich, den Stromverbrauch in einer Größenordnung von bis zu 20 Prozent zu reduzieren.
2. Entwurfsplanung des Ing.-Büros Miller, Nürnberg Für die Umsetzung u.a. der Erneuerungsmaßnahmen der Anlagentechnik für die biologische Reinigungsstufe wurde in einem europaweiten Vergabeverfahren der Planungsauftrag an das Ing.-Büro Miller, Nürnberg, im Juli 2017 vergeben.
Da die biologische Reinigungsstufe die Leistungsfähigkeit des Klärwerks bestimmt, wurde hier besonders auf eine zukunftsorientierte Planung Wert gelegt. Aufgrund der ständig zunehmenden Anlagenbelastung muss die vorhandene Verfahrenstechnik den aktuellen Anforderungen angepasst werden. Dies hat zur Folge, dass die gesamte technische Ausrüstung mit einer optimierten Verfahrenstechnik erneuert werden muss, damit mit dem baulichen Bestand der Nitrifikationsbecken eine deutliche Leistungssteigerung ermöglicht werden kann. Diese Leistungssteigerung ist dringend notwendig, damit der Zeitraum bis zur geplanten vollständigen Inbetriebnahme mit einer Erweiterung der Ausbaugröße auf voraussichtlich 500.000 EW überbrückt werden kann.
In dem Gesamtkonzept der Entwurfsplanung vom September 2019 sind bezüglich einer Erneuerung der technischen Anlagen für die biologische Reinigungsstufe im Wesentlichen folgende Maßnahmen vorgesehen:
1. Erneuerungen der Verdichteraggregate für die Druckluftversorgung 2. Erneuerungen der Luftleitungen für die Nitrifikationsbecken 3. Erneuerungen der Belüftungselemente für den Lufteintrag in die Nitrifikationsbecken 4. Bauliche Optimierung der Nitrifikationsbecken 5. Erneuerungen und Ergänzungen der E-Technik / Messtechnik 6. Optimierung des Steuerungskonzeptes 7. Optimierung der Nachklärbecken 2, 3, 5 und 6
Bei den Planungen zur Erneuerung der Anlagentechnik wurden die umfangreichen Betriebserfahrungen der bestehenden Anlage berücksichtigt. Bei der Neuauslegung und Neuordnung der Anlagentechnik wurde großer Wert auf eine hohe Verfügbarkeit und Betriebssicherheit der gesamten Anlage gelegt.
2.1 Erneuerungen der Verdichteraggregate für die Druckluftversorgung Im Zuge der Erneuerung der Maschinentechnik zur Drucklufterzeugung muss das Umfeld der Elektrotechnik mit neuen Schaltschränken, neuen Transformatoren und einer neuen SPS-Anbindung an die zentrale Leittechnik entsprechend angepasst werden.
Die Auslegung der Gebläse-Leistung der neuen Maschinen erfolgt in enger Abstimmung mit dem erforderlichen Lufteintrag in den Nitrifikationsbecken. Damit eine möglichst optimale Anpassung an die benötigte Luftmenge möglich ist, sind sechs baugleiche Turboverdichter mit jeweils 7.500 Nm³/h Förderleistung geplant. Die Gesamtleistung der Gebläse-Station beträgt somit künftig 45.000 Nm³/h. Die Elektromotoren sind künftig über Frequenzumformer drehzahlgeregelt, sodass nur der tatsächliche Luftbedarf in der Biologie erzeugt wird. Hinsichtlich der Energieeffizienz der Aggregate hat sich ebenfalls ein deutlicher Fortschritt ergeben. Durch die neue Maschinentechnik (berührungslose Lager bei den Turboverdichtern) können beim Stromverbrauch Einsparungen in einer Größenordnung von bis zu 20 Prozent erreicht werden. Der geringere Stromverbrauch trägt im Wesentlichen dazu bei, das Ziel „energieneutrales Klärwerk“ zu erreichen.
2.2 Erneuerungen der Luftleitungen für die Nitrifikationsstufe Für die Anbindung der Belüfterelemente an die Druckluftaggregate müssen entsprechende neue Luftleitungen hergestellt werden. Die Luftverteilung entlang des Nitrifikationsbeckens erfolgt hier in jeweils 4 Abschnitten, die jeweils eine betriebliche Einheit bilden. Somit besteht die Möglichkeit, jeden Abschnitt nach Erfordernis als aerobe oder anaerober Zone in den Becken herzustellen.
2.3 Erneuerungen der Belüftungselemente für den Lufteintrag in die Nitrifikationsbecken Das neue Belüftungssystem besteht aus Plattenbelüftern, die als Einzelelemente mit dem Maß 2 m x 1 m an der Beckensohle befestigt werden. Auf einem Edelstahlrahmen ist eine perforierte Membran aufgespannt, die sich bei einer Beaufschlagung mit Druckluft nach oben wölbt; die Luft tritt dann feinblasig durch die sich öffnenden Schlitze aus. Ohne Druckluftbeaufschlagung liegt die Membran wieder auf dem Rahmen; die Öffnungen schließen und verhindern damit das Eindringen von Belebtschlamm und Abwasser ins Belüftungssystem. In den Nitrifikationsbecken sind die Elemente über die gesamte Länge in einem optimierten Raster belegt, damit das Schlamm-Wassergemisch ständig in Schwebe gehalten wird. Auf der Gesamtlänge von 100 m wird das Becken in 4 Zonen eingeteilt. Mit der Anordnung ist sowohl ein hoher Sauerstoffeintrag für die Oxidation der Stickstoffverbindungen möglich als auch ein völliges Abschalten der Belüfter in den Phasen, bei denen die anaeroben Abbauprozesse im Becken stattfinden können.
2.4 Bauliche Optimierung der Nitrifikationsbecken Die bestehenden Nitrifikationsbecken werden derzeit mit einer Füllhöhe vom ca. 4,85 m betrieben. Diese Füllhöhe ergibt sich aus dem max. Druck der bestehenden Verdichteraggregate mit 0,5 bar, damit die Luft über die Filterkerzen noch eingeblasen werden kann. Mit den neuen Verdichteraggregaten besteht die Möglichkeit mit einem höheren Druck die Belüfterplatten zu beaufschlagen und damit den Wasserspiegel um ca. 0,50 m anzuheben. Damit kann ein zusätzliches Volumen von ca. 7.000 m³ im Beckenbestand für die Nitrifikationsstufe aktiviert werden. Die Maßnahme ist sehr wirtschaftlich, da hierzu nur geringe bauliche Maßnahmen an den bestehenden Becken (Höhersetzen der Ablaufschwellen, Aufhöhung der Beckenränder) vorgenommen werden müssen, damit der notwendige höhere Luftdruck von ca. 0,6 bar gleichzeitig von den neuen Aggregaten ohne Probleme erzeugt werden kann.
2.5 Erneuerungen und Ergänzungen der E-Technik / Messtechnik Für die neue Anlagentechnik müssen neue Schaltschränke in der Motorenhalle aufgestellt werden, über die die Energieversorgung und die Steuerung der Verdichteraggregate erfolgt. Ebenso muss die neue Anlagentechnik an das zentrale Leitsystem angebunden werden Die notwendigen Leistungen stellten sich in der konkreten Ausplanung als sehr umfangreich dar, da der Umbau der gesamten Elektrotechnik während des laufenden Betriebes erfolgen muss und daher die Erneuerungsmaßnahmen auch sehr zeitintensiv sind.
2.6 Optimierung des Steuerungskonzeptes Für die Steuerung der gesamten Verfahrenstechnik für die biologische Reinigungsstufe ist eine umfangreiche Erneuerung der Elektrotechnik und der Mess-, Regel- und Steuerungstechnik sowie eine erweiterte Anbindung an die zentrale Leittechnik erforderlich. Für eine Optimierung der Steuerung der Abbauprozesse sind zusätzliche Online-Messungen in den Nitrifikationsbecken notwendig, um parameterbezogen die aktuellen Konzentrationen zu erfassen. Mit den zusätzlichen Messeinrichtungen kann somit der Lufteintrag auf das erforderliche Maß geregelt und folglich ein energieeffizienter Betrieb ermöglicht werden. Nachdem der Umbau bei laufendem Betrieb der Anlage stattfindet, muss die Altanlage in der Übergangsphase im Bestand weitgehend erhalten bleiben. Parallel dazu muss die Elektrotechnik für die neue Anlagentechnik errichtet werden, um eine abschnittsweise Inbetriebnahme der Anlagenteile zu ermöglichen.
2.7 Optimierung der Nachklärbecken 2, 3, 5 und 6 Bei den Planungen zur Optimierung der Anlagentechnik für die Phosphorelimination wurden auch die Auswirkungen einer verbesserten Abscheideleistung von Feinstflocken in den Nachklärbecken untersucht. Eine Strömungssimulation kam zum Ergebnis, dass durch einen Umbau der Mittelbauwerke eine deutliche Verbesserung bei den „abfiltrierbaren Stoffen“ nachgewiesen werden kann und damit eine signifikante Reduzierung der Ablaufkonzentration für den Parameter Gesamt-Phosphor erzielt werden kann. Auf Grundlage dieser Erkenntnisse wurden zunächst die Nachklärbecken 1 und 4 bis zum Jahresende 2018 mit den adaptiven Mittelbauwerken im Rahmen dieser Maßnahme ausgerüstet. (siehe Beschluss VO/17/13668/65 vom 15.11.2017 durch den Ausschuss für Umweltfragen, Natur- und Klimaschutz bzw. Stadtrat vom 28.11.2017) Auf Grundlage der Erkenntnisse über die Möglichkeit zur Leistungssteigerung der Nachklärbecken wurden auch die weiteren vier Nachklärbecken in die Planungen zur Leistungssteigerung der biologischen Stufe einbezogen. Die Nachklärbecken 5 und 6 werden ab September bis Dezember 2019 nachgerüstet und im Jahr 2020 sollen die Nachklärbecken 2 und 3 folgen (siehe Beschluss VO/18/14861/65 vom 15./28.11.2018). Damit ist die Nachklärung künftig in der Lage, auch bei ungünstigen Betriebsbedingungen eine hohe Abscheideleistung zu erreichen. In der Folgezeit können die Betriebsergebnisse beobachtet und analysiert werden, ob evtl. eine weitere Reduzierung des Ablaufwertes für Phosphor möglich ist, um möglicherweise Investitionskosten für diese Nachrüstung mit weiteren Aufwendungen der Abwasserabgabe verrechnen zu können.
3. Kostenberechnung In der Kostenberechnung des Ing.-Büros Miller vom September 2019 werden für die Maßnahmen zur Erneuerung der Anlagentechnik Kosten in Höhe von rd. 9,88 Mio. € (brutto) ausgewiesen. Mit der Maßnahme zur Optimierung der Nachklärbecken 2, 3, 5 und 6 in Höhe von rd. 1,22 Mio. € (brutto) ergeben sich Gesamtkosten in Höhe 11,1 Mio. € (brutto).
Die Gesamtkosten setzen sich im Wesentlichen aus folgenden Positionen zusammen:
Bauvorbereitungrd. 50.000 € Gebläsestationrd.1.527.000 € Nitrifikationsbeckenrd.3.335.000 € Elektrische Anlagenrd.1.727.000 € Optimierung Nachklärbeckenrd.1.020.000 € Summe:rd.7.659.000 € 19 % Umsatzsteuerrd. 1.455.000 € Summe (brutto)rd.9.114.000 €
22 % Baunebenkostenrd. 1.986.000 €
Gesamtkostenrd.11.100.000 €
Anteil der Anschlussgemeinden Entsprechend den vertraglichen Regelungen der Zweckvereinbarungen werden die Anschlussgemeinden an den Investitionskosten entsprechend ihrer jeweiligen Abwasserkontingente beteiligt. Die Gesamtkosten in Höhe von 11.100.000 € werden wie folgt aufgeteilt:
Anschlussgemeinden (32,25 %)=3.579.750 € Stadt Regensburg (67,75 %)=7.520.250 € _________ Summe :11.100.000 €
Die Anschlussgemeinden werden an den tatsächlichen Kosten entsprechend des Baufortschrittes entsprechend beteiligt.
4. Zeitplan Aufgrund der sehr umfangreichen Maßnahmen und der Notwendigkeit zur Aufrechterhaltung des laufenden Betriebes wird die Maßnahme in mehrere Abschnitte unterteilt. Derzeit ist folgende Ablauf geplant:
Abschnitt 1: Erneuerung der Gebläsestation - Ausführungsplanung und Erstellung der Ausschreibungsunterlagen: bis März 2020 - Durchführung der Vergabeverfahren: bis Mai 2020 - Auftragserteilung: Juni 2020 - Ausführung der Leistungen: Februar 2021 bis Juli 2021
Abschnitt 2: Druckluftverteilung und Belüftung - Umbau Nitrifikationsbecken 1 und 2:Juli 2021 bis Dezember 2021 - Umbau Nitrifikationsbecken 3 und 4:Januar 2022 bis Juni 2022 - Umbau Nitrifikationsbecken 5 und 6:Juli 2022 bis Dezember 2022 - Umbau Nitrifikationsbecken 7 und 8:Januar 2023 bis Juni 2023 - Umbau Nitrifikationsbecken 9 und 10:Juli 2023 bis Dezember 2023 - Umbau Nitrifikationsbecken 11 und 12:Januar 2024 bis Juni 2024
5. Haushalt, Finanzierung Die erforderlichen Haushaltsmittel werden im Entwurf des Investitionsprogramms 2019 – 2023 im UA 7103/05 auf der Haushaltsstelle 1.7103.9685 berücksichtigt. Im gültigen Investitionsprogramm 2018 – 2022 ist die Maßnahme grundsätzlich veranschlagt.
Der Ausschuss empfiehlt / Der Stadtrat beschließt:
Für das Klärwerk werden die Erneuerungsmaßnahmen der technischen Anlagen für die biologische Reinigungsstufe nach Maßgabe des Sachverhalts und im Rahmen der verfügbaren Haushaltsmittel durchgeführt.
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