KrWG Kreislaufwirtschaftsgesetz Kommentar. Fachzeitschrift für Abfallund. Ressourcenwirtschaft. Neue AbfAEV bereits berücksichtigt!

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1 314 Lizenziert für Thomas M. Kläusli und AVA-CO Jahrgang März 214 Seite Fachzeitschrift für Abfallund Ressourcenwirtschaft Neue AbfAEV bereits berücksichtigt! KrWG Kreislaufwirtschaftsgesetz Kommentar Herausgegeben von RA Stefan Kopp-Assenmacher Berliner Kommentare Weitere Informationen:

2 KLÄRSCHLAMMBEHANDLUNG - Hydrothermale Carbonisierung Studie bestätigt Vorteile der Hydro thermale Carbonisierung von Klärschlamm Study confirms the benefits of Hydrothermale Carbonisation of sewage sludge Thomas M. Kläusli Thomas Kläusli verfügt über langjährige internationale Erfahrung im Finanz- und Technologiebereich. Er war viele Jahre Berater bei Asea Brown Boveri. Nach seinem Masterstudium in den USA wechselte er in die Telekommunikationsindustrie wo er insbesondere für das Partnergeschäft, das Customer Relationship Management und die Ausarbeitung von Konvergenz-Strategien zuständig war. Seit 21 ist er Chief Marketing Officer bei AVA-CO2 Schweiz AG. Abbildung 1 Klärschlammanfall in der EU-27 (Eurostat 21a) Übrige Mitgliedsstaaten 22 % Niederlande 4 % Polen 5 % Italien 1 % Frankreich 12 % 144 Müll und Abfall 3 14 Zusammenfassung Bei der Abwasserreinigung in Kläranlagen fällt unweigerlich Klärschlamm als Abfallstoff an. Alleine in Deutschland sind es pro Jahr 1,9 Mio. Tonnen Klärschlamm (TR), welche kostenpflichtig entsorgt werden müssen. In Europa waren es 212 über 1 Mio. Tonnen. Weltweit dürfte die Menge an angefallenem Klärschlamm bei 7-9 Mio. Tonnen liegen. Die Hydrothermale Carbonisierung (HTC) stellt eine neue, innovative Methode für die Behandlung von Klärschlamm dar. Bei der HTC wird nasse Biomasse in einer wässrigen Suspension bei Temperaturen von C innerhalb weniger Stunden unter Druck in CO 2 -neutrale HTC-Kohle umgewandelt. In verschiedenen Studien wurde die Eignung des Verfahrens für ein breites Spektrum von organischen Abfällen bereits nachgewiesen. Eine neue Studie der Zürcher Hochschule für Angewandte Wissenschaften (ZHAW) zeigt nun, dass die HTC insbesondere auch für die Behandlung von Klärschlämmen geeignet ist. Die Studie wurde durch das Schweizerische Bundesamt für Umwelt (BAFU) in Auftrag gegeben und durch den Industriepartner AVA-CO2 unterstützt. Die Ergebnisse der Studie sprechen eine deutliche Sprache. Die HTC ist den herkömmlichen thermischen Trocknungsverfahren sowohl in Bezug auf die Energie- als auch auf die Ökobilanz überlegen. Auch bei der thermischen Verwertung weist HTC-Klärschlammkohle gegenüber getrocknetem Klärschlamm Vorteile auf. Die Technologie ist in Zukunft kaum mehr aus der Aufbereitung von Klärschlamm für thermische Verwertungswege wegzudenken. Abstract Sewage sludge is an unavoidable waste product of the processing done in waste water treatment plants. Germany produces around 1.9 million tons (dry matter) of sewage sludge per year, which have to be expensively disposed of. Europe Deutschland 19 % Vereinigtes Königreich 17 % Spanien 12 % in 212 produced more than 1 million tons. It is estimated that worldwide around 7-9 million tons are produced annually, with an increasing trend. Hydrothermal carbonisation (HTC) technology represents a new and innovative way to process sewage sludge. HTC uses temperatures of C and pressure to convert the watery sludge suspension in just a few hours into CO 2 -neutral HTC-coal. A variety of studies have already proven the suitability of the process for a wide range of organic wastes. A new study carried out by the Zurich university for applied sciences (ZHAW) now shows that HTC is particularly suitable for the processing of sewage sludge. The study was sponsored by the Swiss environment ministry (BAFU) and supported by AVA-CO2 as industrial partner. The results of the study are very clear. HTC is superior to current thermal drying technologies in both energy saving and ecological impact. In combustion applications too, the HTC-coal is advantaged compared to dried sewage sludge. It is very likely, that in the near future the HTC technology will play an important role in the treatment of sewage sludge for thermal energy production. 1. Intro Die globale Herausforderung von Klärschlamm Bei der Abwasserreinigung in Kläranlagen fällt unweigerlich Klärschlamm als Abfallstoff an. Alleine in Deutschland sind es pro Jahr 1,9 Mio. Tonnen Klärschlamm (TR), welche kostenpflichtig entsorgt werden müssen. In Europa waren das 212 über 1 Mio. Tonnen, wobei in Deutschland, UK, Spanien, Frankreich und Italien über 7 % der Gesamtmenge anfielen. Das Aufkommen an kommunalem Klärschlamm dürfte in den nächsten Jahren, insbesondere in Ost-Europa, durch eine Erhöhung des Anschlussgrades an Kläranlagen stark steigen. Weltweit dürfte die Menge an angefallenem Klärschlamm bei 7-9 Mio. Tonnen liegen. Tendenz steigend. Die Art der Entsorgung variiert dabei von Land zu Land sehr stark. Während in der Schweiz seit 26 Klärschlamm nur noch thermisch verwertet werden darf, wird beispielsweise in Ländern wie Griechenland oder Rumänien überwiegend, die Deponierung als Entsorgungsweg gewählt. Andere Länder setzen nach wie vor stark auf die landwirtschaftliche Verwertung. Sowohl die Deponierung, als auch die landwirtschaftliche Ausbringung sind in den letzten Jahren aus ökologischen Gründen zunehmend in die Kritik geraten. Neben Schwermetallen, welche im Klärschlamm enthalten sind, äußern die Verantwortlichen ebenso Bedenken gegenüber den großen Mengen an Keimen, Arzneimittelrückständen und teils krebserregende Stoffe. Daher setzen immer mehr Regierungen, rund um den Globus, aus ökologischen sowie ökonomischen Gründen auf die thermische Verwertung. Hintergrund Klärschlamm als Herausforderung Die Entsorgung von Klärschlämmen erfolgt in Deutschland im Rahmen der rechtlichen Vorgaben des Kreislaufwirtschafts- und Abfallgesetzes (KrW-/ AbfG) sowie der Klärschlammverordnung (AbfKlärV), als auch der Düngemittelverordnung (DüMV) und der Technischen Anleitung Abfall (TA) bzw. TA Siedlungsabfall. Die Schlammentsorgung auf Deponien ist in den letzten Jahren zurückgegangen, da für diesen Entsorgungsweg seit dem Jahr 25 die Obergrenze

3 des organischen Gehaltes auf 3 bzw. 5 % Glühverlust festgelegt wurde (TA-Siedlungsabfall). Dieser Wert ist meist nur noch nach einer thermischen Schlammbehandlung, sprich Verbrennung, zu erreichen. Auch die landwirtschaftliche Ausbringung verringert sich überwiegend aus ökologischen Gründen. Jüngstes Beispiel ist die Ankündigung des Bundeslandes Niedersachsen, die beinhaltet vollständig aus der landwirtschaftlichen Klärschlammverwertung auszusteigen[1]. Auch international wird vermehrt nach geeigneten Alternativen zur landwirtschaftlichen Ausbringung gesucht. Selbst Länder wie die USA oder China befassen sich intensiv mit der thermischen Verwertung. Dabei stellt die landwirtschaftliche Ausbringung von Klärschlamm eine kostengünstige Entsorgungsvariante dar. Die öffentliche Akzeptanz, sowie die zur Verfügung stehenden Flächen sind jedoch begrenzt. Denn ein entscheidender Nachteil für diesen Entsorgungsweg, ist die Schadstoffkonzentration der Klärschlämme und die damit einhergehende Belastung der Böden und Gewässer. Entsprechende Grenzwerte für Klärschlämme sind in Deutschland in der Klärschlammverordnung (AbfKlärV) und in der Verordnung über die Verwertung von Bioabfällen auf landwirtschaftlich, forstwirtschaftlich und gärtnerisch genutzten Böden (BioAbfV) enthalten. Hauptsächlich müssen die Konzentrationen der Schwermetalle Cadmium, Chrom, Kupfer, Quecksilber, Nickel, Blei und Zink berücksichtigt werden. Ein weiteres, noch gravierenderes Problem ist aber die Tatsache, dass sich neben den Schwermetallen, biologisch schwer abbaubare Stoffe (z. B.: Dioxine, halogenierte organische Verbindungen, polychlorierte Biphenyle PCB etc.), Keime sowie große Mengen an unterschiedlichen Arzneimittel oder hormonell wirksamen Verbindungen im Klärschlamm anreichern. Die Risiken persistenter, d. h. nicht abbaubarer Schadstoffe sind derzeit nur für wenige Stoffgruppen bekannt. Diese Stoffe können langfristig die Bodenfruchtbarkeit beeinträchtigen oder in die Nahrungskette gelangen und sich somit negativ auf die Gesundheit von Menschen und Nutztieren auswirken. Organische Stoffverbindungen wie Dioxine, Furane oder polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoffe (PAK) wirken als Kanzerogene und sind bereits in extrem geringen Mengen wirksam. Einige Xenobiotica können bereits im μ/kg TS-Bereich schädliche Effekte zeigen. Für andere organische Substanzen sind Auswirkungen auf das Ökosystem Boden und für den Menschen kaum untersucht [2]. Das Risiko der landwirtschaftlichen Klärschlammausbringung ist entsprechend nicht kalkulierbar und die Ausbringung sollte daher aus ökologischen Gründen weltweit unterbunden werden. Nach dem Vorbild der Schweiz dürften mittelfristig auch Österreich und Deutschland zur Klärschlammverbrennung, als Hauptverwertungsweg, übergehen. In Deutschland wurden 212 bereits rund 55 % des anfallenden kommunalen Klärschlamms thermisch verwertet[3]. Die Ankündigung der neuen Koalition, die Klärschlammausbringung zu Düngezwecken zu beenden, setzt ein deutliches Zeichen. In der EU, aber auch in Ländern Nord- und Südamerikas oder Asiens, sind klare Bestrebungen in Richtung thermische Ver- Sonstige 1 % Deponierung 13 % Verbrennung 2 % Landwirtschaftsbau 16 % wertung zu erkennen. So hat die Zentralregierung Chinas das Ziel verfasst, bis 215 mindestens 4 % des anfallenden Klärschlamms vorschriftsmässig, sprich thermisch, zu entsorgen. Neue Kläranlagen müssen eine entsprechende thermische Klärschlammbehandlung nachweisen[4]. Es steht außer Zweifel, dass sich die thermische Verwertung von Klärschlamm durchsetzen wird. Die thermische Schlammbehandlung und -entsorgung mit bestehenden Technologien, stellt aber nach wie vor einen hohen Kostenfaktor in der Abwasserbehandlung dar. Kosteneinsparungen in diesem Bereich verspricht nun aber der Einsatz der hydrothermalen Carbonisierung (HTC), da dieses Verfahren für die Klärschlammbehandlung besonders gut geeignet ist wie eine groß angelegte Studie der Zürcher Hochschule für Angewandte Wissenschaften (ZHAW) kürzlich gezeigt hat. 2. ZHAW Studie HTC Die intelligente Lösung für Klärschlamm Die hydrothermale Carbonisierung ist herkömmlichen Trocknungstechnologien für Klärschlamm sowohl bei der Energie- als auch bei der Ökobilanz überlegen. Die Studie der Zürcher Hochschule für Angewandte Wissenschaften (ZHAW), welche durch das Schweizerische Bundesamt für Umwelt (BAFU) in Auftrag gegeben und durch die Firma AVA-CO2 Schweiz AG fachlich unterstützt wurde, hat in der Zeit von 211 bis Oktober 213 die folgenden fünf Aspekte der hydrothermalen Carbonisierung zur thermischen Verwertung von Klärschlamm detailliert untersucht. 1. Mechanische und thermische Trocknungsverfahren nach der HTC 2. Behandlung von HTC-Prozesswasser 3. Möglichkeiten zur energetischen Verwertung der HTC-Kohle 4. Rückgewinnung von Phosphor und Schwermetallen aus dem HTC-Prozess 5. Ökobilanzierung der HTC im Vergleich zu herkömmlichen Entsorgungswegen Die Forschungsarbeiten wurden sowohl am Standort der ZHAW in Wädenswil als auch bei der AVA-CO2 Forschung GmbH in Karlsruhe, Deutschland durchgeführt. Nach den ausführlichen Untersuchungen der Senatsverwaltung Berlin zur HTC ist die ZHAW Studie nun bereits die zweite Studie, welche detailliert die Vorteile und das Potenzial der hydrothermalen Carbonisierung (HTC) aufzeigt. Landwirtschaft 41 % Abbildung 2 Entsorgungsweg von Klärschlamm in der EU Müll und Abfall

4 KLÄRSCHLAMMBEHANDLUNG - Hydrothermale Carbonisierung Abbildung 3 Kläranlage 146 Müll und Abfall Vorteil HTC-Entwässerung Während der hydrothermalen Carbonisierung finden eine chemische und eine physikalische Dehydratation der Biomasse statt. Die chemische Dehydratation erfolgt mit der Abspaltung von Wassermolekülen aus Hydroxylgruppen, während die physikalische Dehydratation durch die tiefere Viskosität des Wassers, die Zersetzung von Kolloiden und die Abnahme von hydrophilen funktionellen Gruppen, gefördert wird [5]. Diese Phänomene lassen auf eine einfachere und verbesserte Entwässerbarkeit der HTC-Kohle im Vergleich zu Biomasse, welche hydrophob ist, schließen. Laborversuche, die bei der Zürcher Hochschule für Angewandte Wissenschaften in Wädenswil, Schweiz durchgeführt wurden und durch Ergebnisse der AVA- CO2 bestätigt werden konnten, zeigen, dass die Entwässerung und Trocknung durch die Karbonisierung des Schlammes erleichtert wird. Die Untersuchungen in der ZHAW Studie zur Entwässerbarkeit zielten hauptsächlich auf die drei folgenden Aspekte ab: Testen von innovativen Technologien für die mechanische Entwässerung mit HTC-Slurry 1. In diesem Zusammenhang wurde insbesondere die Filterpressung als vielversprechende Technologie identifiziert und untersucht. Vergleich aus technischer Sicht zwischen herkömmlichen Technologien für die Entwässerung von Klärschlamm mit den neuen Ansätzen für HTC. 1 Als HTC-Slurry wird die kohlenstoffhaltige, wässrige Suspension nach dem HTC Prozess bezeichnet. Aus der HTC-Slurry wird durch die Fest-Flüssig-Separation die HTC-Kohle gewonnen. Schwerpunkt der Untersuchungen war der maximal erreichbare Trockenrückstand. Vergleich der Kosten und des Energieaufwandes für die unterschiedlichen Verfahren. Die Filterpressversuche im großtechnischen Maßstab wurden im AVA-CO2 Werk in Karlsruhe Ende Mai 212 durchgeführt. Der verwendete HTC-Slurry stammte aus Versuchen mit der HTC- Anlage. Für die Produktion wurde ausgefaulter, kommunaler Klärschlamm aus der Umgebung von Karlsruhe verwendet. Für die Versuche zur Entwässerbarkeit stellte die AVA-CO2 insgesamt 3 m 3 HTC-Slurry zur Verfügung. Der TR Gehalt wurde mit einer Infrarot Waage auf 8 bis 1 % bestimmt. Aufgrund des hohen TR-Gehalts wurden für die Pressversuche mit der HPS27 von Bucher keine Flockungsmittel eingesetzt. Während der Versuche konnten in den Filterelementen M31 keine Verstopfungen der Filtergewebe beobachtet werden. Der Vorteil des Absaugens von Überstandwasser wurde in den großtechnischen Pressversuchen ebenfalls bestätigt. Die durchschnittlichen erreichten TR-Werte für die HTC-Slurry lagen % höher, als für ausgefaulten Klärschlamm. In einzelnen Versuchen wurden mit der HPS27 TR-Werte von beinahe 7 % erreicht. Dies deutet darauf hin, dass durch Verbesserungen im operativen Betrieb konstante TR-Werte im Bereich von 7 % durchaus möglich sind. Der Vorteil der HTC für eine verbesserte Fest-Flüssigtrennung wurde somit im großtechnischen Versuch mit einem Filterpresssystem eindeutig nachgewiesen. Im Vergleich zur thermischen Klärschlammtrocknung reduzieren sich bei der Klärschlammentwässerung mit dem HTC-Verfahren, gemäß der ZHAW-Studie, der Wärmebedarf um bis zu 62 % und der Elektrizitätsbedarf um bis zu 69 %. Dies hängt direkt mit dem Umstand zusammen, dass die Biokohle nach dem HTC- Prozess hydrophobe Eigenschaften aufweist, was eine Entwässerung gegenüber der hydrophilen Biomasse maßgeblich vereinfacht und zu den erwähnten Einsparungen führt. Während sich die ZHAW auf Versuche mit handelsüblichen und nicht speziell adaptieren Kammerfilterpress-Systemen konzentrierte und dabei bereits erstaunlich gute Resultate von bis zu fast 7 % TR erreichte, hatte die AVA-CO2 parallel dazu noch weitere Technologien auf ihre Eignung für die Separierung und Trocknung untersucht. Hier konnten z. B. durch den Einsatz einer innovativen Lösung, welche die Abwärme des HTC-Prozesses nutzt, TR-Gehalte von über 9 % erreicht werden. Gleichzeitig reduzierten sich die Investitions- und Betriebskosten, was zu weiteren Vorteilen gegenüber der herkömmlichen thermischen Trocknung führt. 4. Behandlung von HTC-Prozesswasser Vom Sorgenkind zum Wertstoff Die Behandlung von HTC-Prozesswasser galt aufgrund der hohen DOC-Werte lange als die Achillesferse der HTC. Die Resultate der Studie sowie der diversen Versuche bei der AVA-CO2 Forschung GmbH zeigen nun aber deutlich, dass das modulare Prozesswasseraufbereitungs-System der AVA-CO2 die vorgeschriebenen Grenzwerte einhält. So mussten im Zusammenhang mit einer öffentlichen Ausschreibung in der Schweiz

5 ein Grenzwert für die Erhöhung des DOC von maximal 3 mg/l im Auslauf der Kläranlage eingehalten werden. Aufgrund einer intelligenten Membranlösung, welche den nach der HTC noch verbliebenen Kohlenstoffanteil im Prozesswasser wieder in den HTC-Prozess zurückführt, reduziert sich die DOC-Belastung maßgeblich und führt gleichzeitig zu einer hervorragenden Kohlenstoff-Bilanz von über 93 %. Während sich die ZHAW auf Untersuchungen zur biologischen Abbaubarkeit des Permeats 2, wie bei der AVA-CO2 der Prozesswassserstrom nach dem Membranverfahren genannt wird, konzentrierte, wurden in Karlsruhe noch zusätzliche Untersuchungen mit einem Membran Bio Reaktor (MBR) durchgeführt. Das Permeat zeigte eine mittlere bis sehr gute biologische Abbaubarkeit der organischen Fracht auf. Im aeroben kontinuierlich betriebenen Laborreaktor, wurde für das HTC-Prozesswasser und HTC-Permeat bei Raumbelastungen im Bereich 5-1 Kg. CSB (m3 * d) noch gute CSB-Abbauwerte im Bereich von 7-75 % erreicht. Bei einer Verdünnung von 1:5 wurde eine vollständige DOC-Elimination nach 22 Stunden festgestellt. Bei einer Verdünnung von 1:1, was der Realität näher kommt, wurde bereits nach 5 Stunden eine 1 %ige DOC-Elimination erreicht. Diese Ergebnisse deuten eindeutig darauf hin, dass im Permeat, welches an die Kläranlage zurückgeführt wird, keine refraktären DOC-Anteile mehr vorhanden sind. Dies steht auch im Einklang mit der ursprünglichen Vermutung, dass langkettige Kohlenstoffmoleküle durch die Membranfiltration zurückgehalten werden. Durch den Einsatz einer optimierten Membran können die erreichten Werte sogar noch verbessert werden. Die mehrmonatigen Versuche mit dem effizienten und platzsparenden MBR verliefen ebenfalls sehr erfolgreich, wie die Ergebnisse zeigten. Die MBR-Anlage konnte kontinuierlich und ohne Probleme über die ganze Testdauer betrieben werden. Die guten Abbauraten zeigen, dass AVA-CO2 in der Lage ist die Grenzwerte für Direkteinleiter zu erreichen. AVA-CO2 denkt aber bereits weiter. So werden die Möglichkeiten des HTC-Prozesswassers als Kohlenstoff-Quelle für Kläranlagen oder als Flüssigdünger untersucht. Damit würde aus dem früheren Sorgenkind ein Wertstoff. 5. Möglichkeiten zur energetischen Verwertung der HTC- Kohle als Chance begreifen Die energetische Verwertung von Klärschlamm wird in Zukunft an Bedeutung gewinnen. Der große Vorteil der HTC besteht darin, dass die Technologie es erlaubt aus Klärschlamm einen Brennstoff herzustellen, welcher in der Lage ist fossile Brennstoffe wie z. B. Braunkohle zu ersetzen. Somit muss Klärschlamm nicht mehr kostenintensiv getrocknet und entsorgt werden. Durch die HTC kann Klärschlamm einen Teil zur globalen CO 2 -Reduktion und damit zur Energiewende beitragen. Bereits 212 hat AVA-CO2 groß angelegte Brennversuche in einem Stahlwerk in Norditalien durch- 2 Permeat ist der Anteil des Prozesswassers, der nach der patentierten AVA-CO2 Membranfiltration nicht in den HTC-Prozess zurückgeführt wird. DOC-Elimination (%) Belüftungszeit (h) Testansatz 1 (Leitungswasser, 1:5) Testansatz 2 (Leitungswasser, 1:1) Testansatz 3 (Abwasser, 1:5) Testansatz 4 (Abwasser, 1:1) Legende zur Grafik: Zeitlicher Verlauf der kumulativen Elimination des HTC-Permeat-DOCs über rund 2 d für das im Abbildungstitel erwähnte modifizierte Permeat. Die Anfangsverdünnung war 1- resp.5-fach. Die Versuche wurden mit Belebtschlamm der Schwachlaststufe (Bio 2) der ARA Oftringen durchgeführt. Weiter kam reales Abwasser aus dem Zulauf zur Stufe Bio 1 der ARA Oftringen resp. Leitungswasser als Hintergrund zur Anwendung. geführt. Das Ziel: Ersatz von Koks-Kohle durch CO 2 - neutrale Biokohle und damit einhergehend eine Kostenreduktion und Energieunabhängigkeit für das Stahlwerk. Die Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen (RWTH Aachen) hat Anfang 213 einen Kurzbericht zum Einsatz von AVA-CO2 Biokohle bei der Stahlerzeugung im Elektrolichtbogenofen veröffentlicht. Fazit: Generell ließ sich beobachten, dass die Versuchsdauer durch den Biokohleeinsatz deutlich verkürzt werden konnte. Während der Referenzversuch mit fossiler Kohle eine Prozessdauer von ca. 6 Minuten aufwies, konnte der Einschmelzvorgang bei den Versuchen mit Biokohle nach durchschnittlich 4 Minuten beendet werden. Dieser zeitliche Unterschied lässt sich durch die höhere Reaktivität der Biokohle erklären. Der Bericht der RWTH Aachen kommt zum Schluss, dass Biokohle generell für einen Einsatz zur Stahlerzeugung im Elektrolichtbogenofen geeignet scheint [6]. Aber nicht nur für Stahlwerke stellt HTC- Kohle eine interessante Alternative zu fossiler Kohle dar. Auch andere Industriezweige zeigten ein großes Interesse an diesem neuen, CO 2 -neutralen Energieträger. Auch der Einsatz in Zementwerken und Monoverbrennungsanlagen wurde im Rahmen der ZHAW Studie näher untersucht. Am 1. September 212 wurde bei der Firma Jura Cement, mit einer für die Zementindustrie kleinen Menge an HTC-Kohle von 3,2 Tonnen, erste Brennversuche mit Klärschlammkohle durchgeführt. Der Zementofen wurde zum Versuchszeitpunkt mit 135 Tonnen fossiler Kohle pro Stunde auf Volllast gefahren. Obwohl die HTC-Kohle zum Teil aus größeren und relativ festen Kohlebrocken bestand, konnte die HTC-Kohle problemlos gefördert und verwertet werden. Der Gesamtprozess wurde wie erwartet nicht negativ beeinflusst. Aufgrund der eher kleinen Mengen, welche eine Beurteilung nicht abschliessend zulässt, sind weitere Versuche in Zementwerken geplant. Die dem weltweit tätigen Holcim Konzern angehörige Holcim (Schweiz) AG hat bereits Mitte 213 ihr Interesse an einer Zusammenarbeit mit AVA-CO2 angekündigt. So ist diese bereit zu prüfen, ob in ihrem aargauischen Zementwerk Siggenthal, die gesamte Produktion von HTC-Kohle aus der geplanten Abbildung 4 DOC-Elimination HTC-.1 AZV spez. nach 46 h Müll und Abfall

6 KLÄRSCHLAMMBEHANDLUNG - Hydrothermale Carbonisierung Abbildung 5 AVA-CO2 HTC-Kohle bei Versuchen bei der Firma Jura Cement HTC-Anlage in Oftringen, Schweiz in der Grössenordnung von 1. t/a eingesetzt werden kann. In diesem Zusammenhang sollen im Vorfeld die unterschiedlichen Einsatzmöglichkeiten der AVA cleancoal abgeklärt werden. Im April und Oktober 213 wurden Brennversuche bei einer Monoverbrennungsanlage in der Schweiz durchgeführt. Die Schlammverbrennungsanlage Winterthur verbrennt stündlich 2.7 Tonnen entwässerten Klärschlamm. Dazu werden ca. 15 m 3 Klärgas pro Stunde als Zusatzbrennstoff für die Stützfeuerung benötigt. Ziel der Untersuchung war die Prüfung, einer vollständigen Substitution des Zusatzbrennstoffes durch den Einsatz von HTC-Klärschlammkohle. Auch die Frage, ob durch die Zudosierung von HTC-Kohle, Emissionen eine Überschreitung der Schweizerischen Luftreinhalteverordnung verursachen würden, sollte beantwortet werden. Weiter wurde untersucht, ob der Einsatz von HTC-Kohle zu Problemen beim Transportsystem (Förderschnecke) oder im Brennraum der Wirbelschichtfeuerung führt. Fazit: Es traten weder Probleme im Transportsystem noch im Brennraum auf. Die gemessenen Abluftgrenzwerte konnten eingehalten und eine vollständige Substitution der Stützfeuerung aufgezeigt werden. Eine auf die Monoverbrennungsanlage abgestimmte Konditionierung der HTC-Kohle dürfte sogar noch zu besseren Ergebnissen führen. Dies insbesondere mit Bezug auf das Brennverhalten der HTC-Kohle in der Brennkammer führen. Speziell die Substitution der Stützfeuerung durch HTC-Klärschlammkohle könnte für viele bestehende Monoverbrennungsanlagen von großem Interesse sein. Eine vollständige Substitution des Klärgases bei der SVA Winterthur würde zu Einsparungen von ca. 6. Nm 3 Klärgas pro Jahr führen. Dies entspräche in etwa 3,6 Mio. kwh Energie oder über 1 Mio. kwh an Strom. Die Versuche haben gezeigt, dass HTC-Klärschlammkohle der AVA-CO2 das Potenzial hat, Stützfeuer bei Monoverbrennungsanlagen, welche mit Klärgas oder mit fossilen Brennstoffen wie zum Beispiel Heizöl betrieben werden, vollständig zu ersetzen. Auch der Einsatz in anderen Industriefeuerungsanlagen wie zum Beispiel in Zement- oder Stahlwerken ist grundsätzlich möglich und vielversprechend. Eine phosphorfreie HTC-Kohle für die Industrie würde aber auf jeden Fall den Königsweg darstellen, da nicht nur CO 2 -Emissionen durch den Ersatz von Braun- oder Steinkohle erheblich reduziert werden könnten, sondern auch auf den Bau von teuren und umstrittenen Monoverbrennungsanlagen verzichtet werden könnte Abbildung 6 Verlauf der Ofentemperatur sowie der benötigten Zusatzbrennstoffmenge im Versuchszeitraum von Versuch 1. Die gepunktete Messlinie im unteren Bereich zeigt die Menge an Klärgas, welche für die Stützfeuerung eingesetzt wird. Es ist gut zu sehen, dass die Menge durch das Zuführen von HTC- Kohle auf reduziert werden konnte. 148 Müll und Abfall FTFag Z.Anl Messwert [m3:h] ARA Hard TT WS Ofenraum Messwert [ C] Q 2-Rg nach Luvo 2 Messwert [Vol%] FTFag Z.Anl Messwert [m3:h] PDT Dfl-Mge-Rgln V. Gebl. Messwert [m3:h] TT WS Ofenraum Messwert [ C] X Summe Schlammdurchfluss Messwert [m3:h] Q 2-Rg nach Luvo 2 Messwert [Vol%] A LRW Temperat. [ C] PDT Dfl-Mge-Rgln V. Gebl. Messwert [m3:h] X Summe Schlammdurchfluss Messwert [m3:h] A LRW Temperat. [ C] 698

7 Phospor Der Flaschenhals des Lebens Phosphor ist der Flaschenhals des Lebens, schrieb der Biochemiker und Science-Fiction-Autor Isaac Asimow bereits Seine damalige Aussage hat nichts an Aktualität verloren. Denn Phosphor ist Bestandteil der Erbsubstanz, es steckt im Adenosintriphosphat, das für die Energieversorgung auf Zellebene verantwortlich, es ist Baustein von Knochen, Zähnen und Pflanzen. Phosphor ist damit Bestandteil für alles Leben auf der Erde und Phosphor ist endlich. Wann genau die Phosphatreserven zur Neige gehen ist umstritten. Laut der Studie World Phosphate Rock Reserves and Resources von 21, reichen die Vorräte noch 3 bis 4 Jahre. Andere Untersuchungen deuten an, dass die maximale Fördermenge bereits in 2 bis 25 Jahren erreicht sein könnte. Nicht nur die Menge an Phosphatreserven geht zurück, sondern auch die Qualität nimmt konstant ab. Bereits heute ist der Schwermetallanteil in gewissen Phosphatmienen bedrohlich hoch geworden[7]. Die landwirtschaftliche Nutzung von Klärschlamm, welche oft mit dem Kreislaufgedanken gerechtfertigt wird, ist aus ökologischen Gründen umstritten. Neben einer in vielen Teilen Europas bereits heute vorhandenen Überdüngung, bestehen berechtigte Ängste, dass mit dem Klärschlamm schädliche pathogene Stoffe in die Umwelt gelangen. Neben diesen ökologischen Bedenken hat die Klärschlammausbringung einen weiteren Nachteil: Da der Phosphor im Klärschlamm durch den Einsatz von chemischen Fällungsmitteln bei der Abwasserbehandlung meist relativ stark gebunden ist, bleibt die kurzfristige Pflanzenverfügbarkeit des eingebrachten Phosphors in der Regel ungenügend. Für einen optimalen Pflanzenertrag muss in einigen Fällen sogar mineralischer Phosphordünger dazugegeben werden. Aus diesem Grund wird weltweit fieberhaft an der Phosphor-Rückgewinnung geforscht und nach Lösungen gesucht. Klärschlamm steht hier im Fokus, da der Anteil an Phosphor im Klärschlamm hoch ist. Aus technischer Sicht ist die Phosphor-Rückgewinnung aus Klärschlammasche bereits heute möglich. Dies ist auch der Grund für die Vielzahl an bestehenden, oder geplanten Klärschlamm-Monoverbrennungsanlagen. Wegen der hohen Kosten und des enormen Aufwandes, wird jedoch heute noch keines der verschiedenen Phosphor-Rückgewinnungsverfahren aus Klärschlammasche kommerziell eingesetzt. Politiker, wie auch Betreiber von Monoverbrennungsanlagen haben die Hoffnung, dass irgendwann in Zukunft der Preis für Phosphatdünger so stark steigen wird, dass sich eines der kostenintensiven Rückgewinnungsverfahren in der Anwendung lohnt und gleichzeitig auch noch die enormen Investitionskosten von Monoverbrennungsanlagen amortisiert. Die Studie der ZHAW hat nun die Extrahierbarkeit von Phosphor und Schwermetallen aus HTC-Slurry, HTC-Kohle und HTC-Asche bei verschiedenen ph-werten untersucht. Auch für den Bereich Phosphor-Rückgewinnung konnte die Studie Vorteile der HTC aufzeigen. Für Klärschlamm, HTC-Slurry und HTC-Asche wurden jeweils 4 Proben hergestellt. Dafür wurden 25 mg der Substanz in 25 ml Reinstwasser suspendiert. Die Gemische wurden 1 Stunde mit dem Magnetrührer gerührt und danach 3 Minuten ruhen gelassen (ungelöste Anteile setzten sich ab). Dadurch konnte sichergestellt werden, dass sich die ph-werte der Suspensionen equilibrieren und keine Messfehler durch Partikel an der ph-sonde (HQ11d, Hach) auftreten konnten. Die ph-werte der Suspensionen hielten sich zwischen 6.9 und 7.4. Für jedes Ausgangsmaterial wurde mit einigen Tropfen 98 %, 9.8 %,.98 % Schwefelsäure (HsSo4) und mit 5 %, 1 % und 1 % Natronlauge (NaOH) die ph- Werte 1, 5, 9 und 12 eingestellt. Anschließend wurden die Proben über Nacht auf einem Schüttler (IKA-Vibrax- VXR, electronic) homogenisiert und über Glasfilterfritten Nr. 4 unter Wasserstrahlvakuum in Corning-Tubes filtriert. Die Eluate wurden vor der IC-Messung (883 Basic IC plus, Metrohm) durch.45 μm Spritzenfiltern in Messtubes filtriert. Von den Ausgangssubstraten wurden XRF-Analysen (3-fach Bestimmung) und TS- Bestimmungen durchgeführt. Die Eluate wurden ionenchromatographisch (IC-Messung) getrennt und die Analyten mittels elektrischer Leitfähigkeit detektiert, wobei eine 5 Punkt Kalibration mit definierter Dikaliumhydrogenphosphat-Lösung zur Quantifizierung diente. Die IC-Messungen zeigten Dihydrogenphosphat Retentionszeiten von 2.6 Minuten. Die Banden wurden integriert und in Konzentrationen umgerechnet. Die Chromatographie-Säule beinhaltete ein Anionen-Austauscherharz mit R-NH 4 + als funktionelle Gruppe. Als Eluent diente eine Phthalsäure-lösung in einem Aceton/Wasser-Gemisch (nach Metrohm Monographie.). XRF-Analysen zeigen, dass in der Prozesskette von Klärschlamm zu HTC-Asche Phosphor angereichert wird. In Klärschlamm wurden 3. % P-Gesamt und in HTC-Asche 8.7 % Phosphor in Asche nachgewiesen. Dies kommt durch die schrittweise Entfernung von löslichen und leichtflüchtigen Kohlenwasserstoffen zustande. Bei der Verbrennung der HTC-Kohle wird zudem ein großer Anteil in der Kohle vorhandenen Kohlenstoffverbindungen zu CO 2 oxidiert, was zu einer Reduzierung der Masse führt, wobei Phospor mengenmässig konstant in der Asche bleibt. Im Anschluss wurden die Ergebnisse mit Werten für die Rückgewinnung aus Klärschlammasche verglichen. Bei der Rückgewinnung von Phosphor und Schwermetallen mittels herkömmlicher Säureextraktionen kann bei HTC-Asche im Vergleich zu Klärschlammasche aufgrund der tieferen Alkalinität 3 Säure eingespart werden. Dies kann zu erheblichen Kosteneinsparungen führen. Die Ergebnisse könnten weitreichende Folgen haben. So wäre zum Beispiel die Monoverbrennung von HTC-Kohle gegenüber der Monoverbrennung von entwässertem Klärschlamm nicht nur angesichts der besseren Energiebilanz, sondern auch anlässlich der wirtschaftlicheren Phosphor-Rückgewinnung zu bevorzugen. AVA-CO2 untersucht aber noch weitere alternative Möglichkeiten zur Phosphor- Rückgewinnung aus dem HTC-Prozess. Dabei stehen insbesondere hydromechanische Verfahren, welche aufgrund der thermo-chemischen Reaktionsmechanismen während der HTC vorliegen, im Vordergrund. Unabhängig von diesen Ergebnissen, stellt die HTC 3 Die Alkalinität beschreibt das Säurebindungsvermögen, also die Menge basisch wirkender Kationen (z. B. Natrium, Calcium, Magnesium, etc.) oder anderer säurebindender gelöster Stoffe. Müll und Abfall

8 KLÄRSCHLAMMBEHANDLUNG - Hydrothermale Carbonisierung Müll und Abfall 3 14 vermutlich bereits heute die effizienteste und kostengünstigste Methode zur Phosphor-Rückgewinnung aus Klärschlamm dar. 7. Das grosse Ganze Die Ökobilanz Die Autoren der Studie, Bättig et al. (211), verglichen mittels einer Multikriterienanalyse 15 verschiedene Verfahren der Klärschlammentsorgung. In der Multikriterienanalyse wurden wirtschaftliche, soziale und umweltbezogene Dimensionen betrachtet. Im damaligen Vergleich wurden unter anderem die Monoverbrennung, die Mitverbrennung in einem Heizkraftwerk, die Verbrennung in einer Müllverbrennung, die Entsorgung in der Zementindustrie, die Schlammvergasung, die Nassoxidation, die Vergärung und die Ausbringung in der Landwirtschaft verglichen. Das HTC-Verfahren wurde damals nicht berücksichtigt. Die ZHAW Studie hat nun nachträglich die Umweltauswirkungen der HTC auf Basis der Multikriterienanalyse umfassend beurteilt und mit den fünf häufigsten thermischen Entsorgungswegen verglichen. Der Vergleich mittels Ökobilanz verfolgte zwei Ziele: 1) Identifikation der wichtigsten Beiträge zu den Umweltauswirkungen des HTC-Prozesses und Erarbeitung von Empfehlungen für eine Umweltoptimierung des HTC-Verfahrens. 2) Vergleich des HTC-Prozesses mit weiteren Verfahren der Klärschlammentsorgung aus Umweltsicht. Für die funktionelle Einheit und Systemgrenze der Ökobilanz wurde die Verarbeitung von 1 Kg ausgefaultem Klärschlamm mit einem TS von 21.3 % zu HTC- Kohle mit einem TS von 7 % und einem Brennwert von 14 MJ/kg festgelegt. Die entsprechende Systemgrenze umfasste das gesamte HTC-Verfahren inklusive Energieverbrauch für den HTC-Prozess, die erforderliche Infrastruktur und die Entsorgung des Prozesswassers. Die Bereitstellung des Klärschlamminputs und die Verbrennung der HTC-Kohle wurden nicht miteinbezogen. Beim untersuchten System wurde die von der AVA-CO2 entwickelte Sandabscheidung (SAS) nicht berücksichtigt. Mit dem SAS-System kann HTC-Kohle mit einem Brennwert von über 2 MJ/Kg produziert werden. Das AVA-CO2 SAS-System dürfte grundsätzlich einen positiven Einfluss auf die Ökobilanz der HTC haben. Der Vergleich zeigt relativ geringe Unterschiede zur thermischen Klärschlammtrocknung mit Abwärme. Sobald jedoch auch für den HTC-Prozess Abwärme für die Dampferzeugung verwendet wird, zeigt die Ökobilanz eine deutliche Überlegenheit der HTC gegenüber der thermischen Trocknung. Auch der Einsatz von HTC-Kohle, als Ersatz für fossile Energieträger, wie dies z. B. in Monoverbrennungsanlagen oder in Zement- und Stahlwerken möglich wäre, macht die HTC aus Sicht der Ökobilanz zur bevorzugten Technologie. Der Ersatz von fossilen Brennstoffen durch HTC-Kohle und die damit verbundene Reduktion von Treibhausgasemissionen wurde in einer aktuellen Studie von Vogt & Fehrenbach (212) untersucht. Die Studie identifizierte ein großes Klimaschutzpotenzial beim Ersatz von Heizöl durch HTC-Kohle in der Stützfeuerung von Schlammverbrennungsanlagen im Bundesland Berlin. Im Rahmen der ZHAW Studie konnte das Potential von HTC-Kohle, die Stützfeuerung von Schlammverbrennungsanlagen zu ersetzen, am Beispiel einer entsprechenden Anlage in der Schweiz nachgewiesen werden. Die ZHAW Studie kommt zu dem Schluss, dass aus Sicht der Ökobilanz die Verbrennung von Klärschlamm in einer Müllverbrennungsanlage die höchsten negativen Umweltauswirkungen bezüglich Metallen & Mineralien, Eutrophierung, Humantoxizität und der Methode der ökologischen Knappheit verursacht. Im Gegenzug schneidet die Verbrennung von HTC-Kohle, in einem Zementwerk, in Bezug auf den Verbrauch von nicht erneuerbaren Energien, den Treibhausgasemissionen, Eutrophierung, Human- & Ökotoxizität und radioaktiven Abfällen besonders positiv ab. 8. Fazit HTC kommt Das zukünftige Gebot zur thermischen Verwertung von Klärschlamm, welches im neuen Koalitionsvertrag enthalten ist, gibt die Richtung vor wie Klärschlamm in absehbarer Zeit auch in Deutschland verwertet werden wird. Der Trend zur thermischen Verwertung ist auch in der EU und sogar weltweit deutlich zu erkennen. Die HTC eröffnet hier neue Chancen und Möglichkeiten, um fossile Energieträger mit Klärschlammkohle zu ersetzen und so einen nicht unwesentlichen Beitrag zur Verminderung des globalen CO 2 -Ausstoßes zu leisten. Die Ergebnisse, der durch das Schweizerische Bundesamt für Umwelt in Auftrag gegebene Studie, sprechen eine deutliche Sprache. Die hydrothermale Carbonisierung ist den herkömmlichen thermischen Trocknungsverfahren in Bezug auf die Energie-, und Ökobilanz überlegen. Die patentierte Prozesswasseraufbereitung der AVA-CO2 ist in der Lage auch strengste Anforderungen an Grenzwerten für z. B. gelöste Kohlenstoffanteile einzuhalten. Zudem eröffnet die energiereiche AVA cleancoal völlig neue Möglichkeiten für den Einsatz von Klärschlamm als Ersatz fossiler Brennstoffe in der Industrie. Schlussendlich zeigt die HTC auch ihre Stärke beim aktuellen Thema der Phosphor-Rückgewinnung. Die tiefere Alkalinität erlaubt eine effizientere und kostengünstigere Rückgewinnung von Phosphor im Vergleich zu herkömmlicher Klärschlammasche. Erste kommerzielle HTC-Anlagen werden bereits 214 durch AVA-CO2 erstellt. Sind diese HTC-Anlagen erst einmal in Betrieb, ist die Technologie nicht mehr aus der Aufbereitung von Klärschlamm wegzudenken. Literatur [1] EUWID Recycling und Entsorgung [2] Olaf Bandt, Thorben Prenzel 26, Bund für Umwelt und Naturschutz Deutschland, BUNDposition Klärschlamm 41/26, Bundforderungen für eine nachhaltige Kreislaufwirtschaft im Einklang mit Gesundheit- und Bodenschutz [3] EUWID Recycling und Entsorgung [4] Germany Trade & Invest 12/211 [5] Funke, A.: Ziegler, F. 21 [6] Reichel, T.: Echterhof, T. 213, Untersuchung zum Einsatz von Biokohle der AVA-CO2 bei der Stahlerzeugung im Elektrolichtbogenofen [7] Joachim Laukenmann 213, Sonntags-Zeitung: Mit dem Klärschlamm das Überleben sichern Anschrift des Autors Thomas M. Kläusli Chief Marketing Officer AVA-CO2 Schweiz AG Baarerstrasse 2, CH-634 Zug Tel Mail: tk@ava-co2.com