Nährstoff-Rückgewinnung aus der kommunalen Abwasserbehandlung mittels P-RoC-Verfahren

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1 Nährstoff-Rückgewinnung aus der kommunalen Abwasserbehandlung mittels P-RoC-Verfahren Besuch Hong He, Prof. Huang 25. September 2014 COMPETENCE CENTER FOR MATERIAL MOISTURE Nutrient Recovery from sewage - NURSE R. Schuhmann, A. Ehbrecht, R. Körber Lin (Counts) Calcium- Phosphat CSH-Substrat Theta - Scale KIT Universität von Baden-Württemberg und nationale Großforschungseinrichtung Helmholtz-Gemeinschaften

2 Projektblatt Antragsteller: Kooperationspartner: Institut für Funktionelle Grenzflächen (IFG) FuE-Strategie Grenzflächenprozesse : Kern des Verfahrens ist die Interaktion gelöster Stoffe (hier: P) mit einem reaktiven Substrat. Die Interaktion an der Grenzfläche fest-flüssig ist Kernkompetenz des IFG. Fa. Alltech Dosieranlagen GmbH, Weingarten seit 1983 erfolgreich in der Dosiertechnik tätig Eigentümer geführtes Unternehmen mit 30 Mitarbeitern Jahresumsatz von rd. 4 Mio. Absatzgebiete weltweit Alleinstellungsmerkmal: Anbieter von Komplettsystemen Basis: bestehender Kooperationsvertrag ( ,- ) KIT-CS (CMM) Stadt Neuburg/Donau HeidelbergCement AG Fa. Cirkel GmbH, Rheine Ziel des KIT-Seed-Fonds-Projektes in 2 Stufen: Bau einer Demonstrationsanlage zur Phosphorelimination auf der Kläranlage in Neuburg/Donau September 2011 P-Elimination aus Abwasser mittels P-RoC-Verfahren zur Reduzierung des P-Gehaltes in Zentratwasser

3 Phosphor-Problematik Phosphorkreislauf natürlich anthropogen aus: Cornel (2005) September 2011 P-Elimination aus Abwasser mittels P-RoC-Verfahren zur Reduzierung des P-Gehaltes in Zentratwasser

4 Phosphor-Problematik Phosphorvorkommen und -reichweite Verfügbarkeit von Rohphosphaten (IFS Proceedings No ) Weltweite Reserven (in 10 9 Tonnen) China 6,6 37 % Marokko 5,7 32 % Andere 5,7 31% Insgesamt: 18,0 Lagerstätten geographisch ungleich verteilt Marokko, Algerien, Tunesien, Ägypten, Russland (Kola), USA (Florida, South Carolina), Saudi- Arabien, Mittlerer Osten (Israel, Jordanien, Syrien, Saudi-Arabien), Südafrika und China Politische und wirtschaftliche Einflussnahme September 2011 P-Elimination aus Abwasser mittels P-RoC-Verfahren zur Reduzierung des P-Gehaltes in Zentratwasser

5 Phosphor-Problematik Phosphoremissionen September 2011 P-Elimination aus Abwasser mittels P-RoC-Verfahren zur Reduzierung des P-Gehaltes in Zentratwasser

6 P-RoC-Verfahren (Phosphorus Recovery from waste and process water by Crystallization) Verfahrensschema Kristallisationsreaktor gereinigtes Wasser optional optional Abwasser Vorreinigung CSH Phosphorindustrie Absetzbecken gereinigtes Wasser P-haltiges Produkt Solartrocknung Landwirtschaft September 2011 P-Elimination aus Abwasser mittels P-RoC-Verfahren zur Reduzierung des P-Gehaltes in Zentratwasser

7 P-RoC-Verfahren Wettbewerb, Risiken, Marktsituation Wettbewerb Projektansatz: P-Entfrachtung zur P-Reduzierung im Klärschlamm, der als Sekundärbrennstoff in der Zementherstellung genutzt wird derzeit noch ohne Konkurrenz Risiken finanzielle Risiko liegt im Willen der Gebietskörperschaften Risiko politisch gemindert durch beabsichtigte zukünftige Gesetzesregelung Marktsituation hohe Marktchancen September 2011 P-Elimination aus Abwasser mittels P-RoC-Verfahren zur Reduzierung des P-Gehaltes in Zentratwasser

8 Projektskizze Umsetzung: Stufenweises Vorgehen Stufe 1: Machbarkeit des P-RoC-Verfahrens mit Zentratwasser (9 Monate) Laborversuche (Kennenlernen Fingerprint des Abwassers) HT-Versuche (Eignung der Verfahrenstechnik) Pilotanlage vor Ort (Dimensionierung der Anlage und Wirtschaftlichkeit) Meilenstein: Erfüllung technischer Kriterien und Beschluss bzw. Beauftragung der Stadt Neuburg a. d. Donau und Stufe 2: Entwicklung der großtechnischen Anlage (12 Monate) Verfahrenstechnische Validierung der Pilotanlage Kontinuierlicher Betrieb quantitativer Abtrennschritt des generierten Substrates Trocknungsverfahren für das gewonnene Produkt September 2011 P-Elimination aus Abwasser mittels P-RoC-Verfahren zur Reduzierung des P-Gehaltes in Zentratwasser

9 Projektskizze Projektzeitplan Stufe 1: Zeitplan "P-Elimination von PhosphorKläranlage Neuburg" lfd. Nr. Arbeitsinhalt AP 1 Experimente im Labormaßstab Gesamt 1a Charakterisierung des Abwassers 1b Reaktionskinetik AP 2 Experimente im Halbtechnikmaßstab Gesamt 2a Verfahrenstechnik 2b Reaktionskinetik AP 3 Pilotanlage Gesamt Transport / Installation / Funktionstest Betrieb inkl. Validierung AP 4 Produktqualität (Organikeinfluss) Gesamt Projektmonat AP 5 P-Bilanzierung Gesamt Zwischenbericht Gesamt September 2011 P-Elimination aus Abwasser mittels P-RoC-Verfahren zur Reduzierung des P-Gehaltes in Zentratwasser

10 Projektskizze Projektzeitplan Stufe 2: lfd. Nr. Arbeitsinhalt AP 6 Know-How-Transfer Gesamt IFG AllTech AP 7 Kontinuierlicher Betrieb 7a Reaktionskinetik IFG AllTech 7b Validierung im HT-Maßstab IFG AllTech AP 8 Substratentnahme 8a Verfahrenstechnik IFG AllTech 8b Validierung im HT-Maßstab IFG AllTech AP 9 Substrattrocknung 9a Verfahrenstechnik IFG AllTech 9b Validierung im HT-Maßstab IFG AllTech AP 10 Bau der Demonstrationsanlage 10a Planung, Konstruktion, Fertigung IFG AllTech 10b Inbetriebnahme AllTech AP 11 P-Bilanzierung Zeitplan "P-Elimination von PhosphorKläranlage Neuburg" Schlussbericht IFG IFG Projektmonat September 2011 P-Elimination aus Abwasser mittels P-RoC-Verfahren zur Reduzierung des P-Gehaltes in Zentratwasser

11 Projektskizze Anteile der TT-Partner an den Arbeitspaketen Teilprojekt Anteil IFG [%] Anteil Alltech [%] Stufe 1: AP 1: Experimente im Labormaßstab AP 2: Experimente im Halbtechnikmaßstab AP 3: Pilotanlage AP 4: Produktqualität AP 5: P-Bilanzierung Stufe 2: AP 6: Know-How-Transfer AP 7: Kontinuierlicher Betrieb AP 8: Substratentnahme AP 9: Substrattrocknung AP 10: Bau der Demonstrationsanlage AP 11: P-Bilanzierung Bau und Vertrieb weiterer Anlagen September 2011 P-Elimination aus Abwasser mittels P-RoC-Verfahren zur Reduzierung des P-Gehaltes in Zentratwasser

12 P-RoC-Verfahren: Material und Produktqualität Produkt Original CSH-Substrat Produkt aus Prozesswasser Produkt aus kommunalem Abwasser Grenzwerte Verordnungen Element Düngemittel-VO Klärschlamm-VO RAL-Kompost Bio-Abf.-VO Anthropogene Böden [mg/kg m T ] [mg/kg m T ] [mg/kg m T ] [mg/kg m T ] [mg/kg m T ] Blei Pb Cadmium Cd Chrom Cr Kupfer Cu Nickel Ni Quecksilber Hg Zink Zn CSH-Substrat P-RoC-Produkt [mg/kg m T ] [mg/kg m T ] n.n. n.n n.n. n.n Grenzwert lt. Tab. 1.4 Sp. 1 Stand: Stand: Gabe 30 t TS/ha Sand und Ton September 2011 P-Elimination aus Abwasser mittels P-RoC-Verfahren zur Reduzierung des P-Gehaltes in Zentratwasser

13 Nährstoffrückgewinnung aus Schweinegülle mittels Kristallisation an Calcium-Silicat-Hydrat-Phasen A. Ehbrecht, S. Schönauer, T. Fuderer, R. Schuhmann COMPETENCE CENTER FOR MATERIAL MOISTURE Source: maps.google.de KIT Universität von Baden-Württemberg und nationale Großforschungseinrichtung Helmholtz-Gemeinschaften

14 Übersicht Projektidee Technologie und Arbeitsweise P-RoC-Verfahren Gestuftes Vorgehen Wissenschaftliche Ergebnisse Effizienz der P-Elimination Materialumwandlung Zusammenfassung und Ausblick September 2011

15 Projektidee In 2011 waren in D über Biogasanlagen in Betrieb, davon > 30% Co- Vergärungsanlagen (UBA, 2013) Herausforderung: Gärrestabsatz bei ungünstigem Nährstoffverhältnis P:N (Rahmenplan S. 28) Stand: Zupacht von Flächen mit erhöhten Kosten (Pacht, Treibstoff, Arbeitszeit) Lösung: Entfrachtung von Phosphor um > 30% Quelle: carbo-tech.info und bta-international.de September 2011

16 P-RoC-Verfahren = Phosphor Recovery by Crystallization technisch einfach durchführbares Verfahren basiert auf einer Kristallisations- und/oder Fällungsreaktion durch Zugabe eines Calcium-Silicat-Hydrates geeignet für: phosphatreiche Teilströme kommunaler Kläranlagen industrielle oder landwirtschaftliche Prozesswässer September 2011

17 Gestuftes Vorgehen Langzeitversuch Pilotmaßstab (1m³) Wirtschaftlichkeit und Effizienz Langzeitversuch Halbtechnikmaßstab (0.1 m³) Anlagentechnik und Bilanzierung Kurzzeitversuch Labormaßstab (5 L) Reaktionskinetik Charakterisierung des Aboder Prozesswassers September 2011

18 Effizienz der P-Elimination P-Elimination [%] HRT 2 HRT 2 Ac Güllevolumen [m³] September 2011

19 Vorstellung Hintergrund Technologie und Arbeitsweise Wissenschaftliche Ergebnisse Wirtschaftlichkeitsabschätzung Ausblick Danksagung Materialumwandlung Qz Qz Intensity Tb Tb Tb Qz Tb Tb Tb Produkt = Dünger CSH-Substrat September Theta [ ]

20 Zusammenfassung und Ausblick Das P-RoC-Verfahren eignet sich für die Nährstoffentfrachtung von Gülle Generiertes Produkt ist mit einem P 2 O 5 -Gehalt von 4-18 % und kann als Dünger eingesetzt werden Effizienz der Nährstoffentfrachtung lässt sich je nach Fragestellung durch Verfahrensoptimierung anpassen Um die spez. Kosten zu senken, werden durch Optimierungen einige Einsparpotentiale gesehen. Daher besteht hier weiterer Forschungsbedarf September 2011

21 September 2011 berliner.de