Auf dem Weg zur kosteneffizienten, klimaneutralen und KI-gesteuerten Kläranlage der Zukunft

Der Kläranlagenbetrieb steht, neben dem Hauptziel der Abwasserreinigung, vor vielen weiteren Herausforderungen. Dazu zählen u. a. die Reduzierung des Energie- und Betriebsmittelverbrauches sowie die Minimierung der Treibhausgas-Emissionen.

Das Gesamtziel des Verbundprojektes ist die Entwicklung eines dynamischen, allgemein anwendbaren Optimierungstools für Kläranlagen, das den Betreibern bei aktuellen sowie zukünftigen Herausforderungen einen effizienteren, emissionsminimierten und ressourcenschonenden Betrieb ermöglichen soll. Erreicht werden soll dies durch die Vernetzung von biochemischen Prozessmodellen und künstlicher Intelligenz mit erweiterter Online-Messtechnik. Durch die intelligente Nutzung der erfassten Datensätze werden Messwerte prognostiziert, erweitert und auf Plausibilität geprüft. Optimierungsstrategien werden im Hinblick auf die Klima- und Energieeffizienz durch selbstlernende Algorithmen und einem digitalen Zwilling der jeweiligen Kläranlage ermittelt.

Der zentrale Aspekt des Projektes ist für den Ruhrverband die Messung und Minimierung der Treibhausgas-Emissionen. Diese werden in der Abwasserreinigung auf zwei Wegen verursacht. Sie entstehen zum einen indirekt, indem sie zum Beispiel durch den Stromverbrauch für die Belüftung hervorgerufen werden. Zum anderen werden Treibhausgase direkt durch biologische Prozesse gebildet, wobei insbesondere Methan (CH₄) und Lachgas (N₂O) aufgrund der hohen Klimarelevanz betrachtet werden. Im Rahmen des Verbundprojektes wird der Fokus auf das Lachgas gelegt, welches hauptsächlich im Belebungsbecken entsteht. Die Untersuchungen werden auf zwei Kläranlagen des Ruhrverbandes durchgeführt.

Das Ziel ist die Abschätzung der Gesamtemissionen, wobei die Emissionen, über die Messung des gebildeten N₂O in der Flüssigphase, berechnet werden. Für die Validierung der Berechnung werden zusätzliche Messkampagnen durchgeführt. Dabei werden Gashauben eingesetzt, um die N₂O-Emissionen in der Gasphase messen zu können. Zudem werden FTIR-Messungen vom LANUV durchgeführt, bei denen ebenfalls N₂O und auch CH₄-Emissionen über den Belebungsbecken gemessen werden.

Zur Erhöhung der Genauigkeit der Klimabilanz des Ruhrverbandes werden die Ergebnisse abschließend auf die anderen Kläranlagen des Ruhrverbandes übertragen und es werden allgemeine Handlungsempfehlungen für einen emissionsminimierten Betrieb entwickelt.

Ein modernes Messgerät auf einem Stativ, installiert auf einer Kläranlage des Ruhrverbands. Das Gerät wird im KAbit-Projekt eingesetzt, das ein dynamisches Optimierungstool für Kläranlagen entwickelt. Ziel des Projekts ist ein effizienterer, emissionsminimierter und ressourcenschonender Betrieb von Kläranlagen. Im Fokus steht die Überwachung und Minimierung von Treibhausgas-Emissionen wie Lachgas (N2O), das vor allem im Belebungsbecken entsteht, durch die Nutzung von künstlicher Intelligenz und biochemischen Prozessmodellen.

Ein optisches Absorptionssystem (OPS) steht auf einem Dreibeinstativ auf einer Kläranlage des Ruhrverbands. Das Gerät wird im Rahmen des KAbit-Projekts zur Messung von Treibhausgasen, insbesondere Lachgas, eingesetzt. Im Hintergrund sind Kläranlagenbecken und ein Faulturm zu sehen.

Ein Messgerät zur Lachgas-Erfassung hängt über einem Klärbecken des Ruhrverbands. Das Gerät ist Teil des KAbit-Projekts und dient der Untersuchung und Minimierung von Treibhausgas-Emissionen. Im Hintergrund sind technische Anlagen und Leitungen sichtbar.

Luftaufnahme einer Kläranlage des Ruhrverbands, umgeben von grünen und herbstlich gefärbten Bäumen. Die Anlage dient als Standort für das KAbit-Projekt, bei dem die Optimierung der Abwasserreinigung und die Minimierung von Treibhausgas-Emissionen wie Lachgas erforscht werden.

Ein Unisense-Sensor installiert über einem Belebungsbecken einer Kläranlage des Ruhrverbands. Der Sensor dient im Rahmen des KAbit-Projekts zur Messung von Treibhausgas-Emissionen, insbesondere Lachgas, um Optimierungsstrategien für einen ressourcenschonenden und emissionsarmen Betrieb zu entwickeln.

Ein Kabelsensor, der in einem Belebungsbecken einer Kläranlage installiert ist. Dieser Sensor wird im Rahmen des KAbit-Projekts zur Messung von Lachgas-Emissionen eingesetzt, um den Betrieb von Kläranlagen hinsichtlich Klimaschutz und Ressourceneffizienz zu optimieren.

Fördermittelgeber

Das Verbundprojekt wird vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) innerhalb der Fördermaßnahme "KMU-innovativ" und des Förderbereiches "Nachhaltiges Wassermanagement" unterstützt. Das Forschungsprojekt ist Teil des BMBF-Rahmenprogramms "Forschung für Nachhaltige Entwicklung" (FONA).