Stand und Trends bei der Nährstoffrückgewinnung auf Kläranlagen

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1 Stand und Trends bei der Nährstoffrückgewinnung auf Kläranlagen Lukas Egle, Markus Reichel

2 Inhalt Allgemeines Stickstoff: Rückgewinnung oder Entfernung? Phosphor P-Potential Rückgewinnungsverfahren Charakteristik Endprodukte Stand und Trends Zusammenfassung

3 Allgemeines Nährstoffe wie Stickstoff (N) und Phosphor (P) sind essentiell für Lebewesen menschliche Stoffwechselprodukte gelangen in großen Mengen ins Abwasser N-und P-Düngung in der Landwirtschaft sind die Basis für hohe Ernteerträge Bedarf an Nährstoffen landwirtschaftliche Aufbringung von Klärschlamm ist die einfachste Möglichkeit der Rückführung von Nährstoffen Problemfelder: rechtliche Grundlagen (Klärschlammverordnung, Bodenschutzgesetz, Wasserrecht) Winteraufbringungsverbot (Lagerplatz) Akzeptanz

4 Stickstoff Stand und Trends bei der Nährstoffrückgewinnung auf Kläranlagen Allgemeines in Atmosphäre (Luft) praktisch unbegrenzt vorhanden Phosphor Vorkommen in Lagerstätten, daher begrenzte Ressource ungleichmäßig verteilte Lagerstätten (weltweit) Zukunftsprognose: steigender Bedarf durch Bevölkerungswachstum höhere Nahrungsmittelproduktion erforderlich schnellere Erschöpfung von P unwirtschaftlicher Abbau von Lagerstätten erforderlich erhöhte Schadstoffbelastung P-Erz P-Dünger steigende Preise soziales Ungleichgewicht

5 Jährlicher Abbau: 130 Mio. t Phosphatgestein Statische Lebensdauer: Jahre

6 Lösungsansatz: Nährstoffrückgewinnung aus dem Abwasser Stickstoff: Entfernung oder Rückgewinnung? N-Gewinnung: Randbedingungen Ammoniak-Strippung, Energiebedarf N-Entfernung: Verfahren, Energiebedarf Schlussfolgerungen

7 Stickstoff: Gewinnung Oberstes Ziel einer Kläranlage: Reinigung des Abwassers Andere Ziele untergeordnet: z.b. geringer Energiebedarf, Düngerherstellung, Soll Stickstoff auf KA nutzbar gemacht werden: Anforderungen an Verfahrensauswahl Ökonomie Ökologie Verfahrenstechnik (zahlreiche Verfahren)

8 Stickstoff: Gewinnung Aussichtsreichstes Verfahren: Strippung von Ammoniak Strippen: Austreiben flüchtiger Bestandteile mittels Gas Strippmedium im Gegenstrom zum Fluid Partialdruck der leichter flüchtigen Komponenete wird abgesenkt (gelöster Zustand Gasphase) NH 3 + H 2 O NH 4+ + OH -

9 Stickstoff: Gewinnung Züricher eawag: Projektan der der ARA Kloten/Opfingkon: Ammoniak-Luft-Strippung 12 kwh/kg N (thermisch/elektrisch) Am häufigsten eingesetztes Verfahren zur N-Produktion: Schlussfolgerung: Haber-Bosch-Verfahren 11 kwh/kg N (thermisch/elektrisch) Gegenüber Haber-Bosch-Verfahren kein energetischer Vorteil. Kostengünstige N-Fixierung auf Kläranlagen nicht zu erwarten (bei üblichen Randbedingungen). Stickstoff möglichst energieoptimiert entfernen

10 Stickstoff: Entfernung erf. CSB erf. O 2 Nitrifikation/Denitrifikation NH 4+ NO 2- NO 3 - N % 100 % autotroph heterotroph Nitritation/Denitritation 60 % 75 % NH 4 + NO 2 - N 2 autotroph heterotroph Deammonifikation NH 4 + NO 2- +NH 4 + N 2 0 % 40 % autotroph heterotroph (Beier, 2008; Wett, 2008)

11 Stickstoff: Entfernung 7 Stand und Trends bei der Nährstoffrückgewinnung auf Kläranlagen spezifischernenergiebedarf [kwh / kg N] ,5 bis 5,7 3 1,5 Nitrifikation/Denitrifikation Nitritation/Denitritation Deammonifikation Nitritation/Denitritation (Wett, 2008)

12 Stickstoff: Entfernung Stand und Trends bei der Nährstoffrückgewinnung auf Kläranlagen Beispiel: Variante Trübwasserbehandlung mittels 1 Nitrifikation/Denitrifikation 2 Nitritation/Denitritation 3 Deammonifikation (Siegrist, 2011)

13 Stickstoff: Entfernung Stand und Trends bei der Nährstoffrückgewinnung auf Kläranlagen Prozess Variante 1 Variante 2 Variante 3 kg N kwh/100 kg N kg N kwh/100 kg N kg N kwh/100 kg N Zulauf Nitrifikation/Denitrifikation bis bis bis 285 Nitritation/Denitritation Deammonifikation Faulschlamm Ablauf SUMME 228 bis bis bis kwh /kg N [%] Variante 1 (Nitrifikation/Denitrifikation) Variante 2 (Nitrifikation/Denitrifikation + Nitritation/Denitritation) Variante 3 (Nitrifikation/Denitrifikation + Deammonifikation)

14 Stickstoff: Zusammenfassung N liegt praktisch unbegrenzt vor Energiebedarf für Stickstoffgewinnung bedeutend Haber-Bosch-Verf. ressourcensparender als mit Ammoniak- Strippung auf KA: N energiesparend entfernen, statt rückgewinnen alternative biol. N-Entfernung sinnvoll weniger O 2, bzw. Energie erforderlich wichtiger: weniger/kein CSB für N-Entfernung erforderlich Verringerung des Problems: Limitierung der Denitrifikation wegen CSB- Mangel Vorklärung kann optimiert betrieben werden mehr Gasproduktion in Faulbehälter weniger Energiebedarf

15 Stickstoff: Zusammenfassung Energiebedarf für Stickstoffgewinnung bedeutend N liegt praktisch unbegrenzt vor Vgl. Haber-Bosch-Verf. mit Ammoniak-Strippung In Hinblick auf Ressourcenschonung H.-B.-Verf. sinnvoller auf KA: N energiesparend entfernen, statt rückgewinnen Alternative biol. N-Entfernung sinnvoll weniger O 2, bzw. Energie erforderlich wichtiger: weniger/kein CSB für N-Entfernung erforderlich Verringerung des Problems: Limitierung der Denitrifikation wegen CSB- Mangel Vorklärung kann optimiert betrieben werden mehr Gasproduktion in Faulbehälter weniger Energiebedarf

16 P-Potential Jährliche Fracht im Abwasser: t P ( 1 kg P/E*a) Jährliche Fracht im Klärschlamm: t P ( 0,8 kg P/E*a) P-Mineraldüngerimport: ~ t P ( 1,5 kg P/E*a) Theoretisches Substitutionspotential: ~ 50 % Situation Politische und rechtliche Randbedingungen, organische und anorganische Verunreinigungen, Hygiene, geringe Akzeptanz Rückführung der Wertstoffe auf niedrigem Niveau Direkte Verwertung Klärschlamm LW 15 % Indirekt als Kompost ~ 10 % Verbrennung ~ 40 %

17 Urbane Nährstoffquelle Kläranlage Ablauf (1) Schlammwasser (2) Faulschlamm (3) bzw. Klärschlamm (4) Monoverbrennungsasche (5)

18 P muss gelöst als Orthophosphat PO 4 -P vorliegen Flüssige Phase Verfahren Kristallisation Fällung Ionentauscher Elektrokinetik + P gelöst Rückgewinnung max. 40 % geringer Energieaufwand geringer Ressourcenbedarf große Volumenströme geringe P-Konzentrationen wirtschaftlicher Betrieb Benefitfür die KA

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20 Faul- bzw. Klärschlamm Verfahren Strippung Nasschemisch Hydrolyse SCWO thermisch + Rückgewinnung bis 90 % P biologisch und chemisch gebunden kleine Volumenströme hoher Ressourcen- und Energieaufwand hohe P-Konzentrationen(bis 4 % P/kg TS) technisch aufwändige Verfahren derzeit nicht wirtschaftlich anfallende Reststoffe (Behandlung)

21 AirPrex Seaborne

22 Klärschlammasche Verfahren Thermochemisch Metallurgische Nasschemisch Elektrokinetisch Bioleaching + Rückgewinnung bis 90 % chemisch als CaP und Eisen- bzw. Al. P-gebunden sehr kleine Volumenströme hoher Ressourcen und Energieaufwand hohe P-Konzentrationen(bis 10 % P/kg TS) technisch aufwendige Verfahren Nutzung Energieinhalt Klärschlamm derzeit nicht wirtschaftlich nahezu vollständige Zerstörung org. Substanz anfallende Reststoffe (Behandlung)

23 Ash Dec MEPHREC

24 Sekundärprodukte Magnesiumammoniumphosphate (MAP) Calcium- und Kaliumphosphate Al- und Eisenphosphate Phosphorhaltige Schlacken AirPrex Phosphorsäuren Nährstoffe P: % N: 0-8 % Ca, K, Mg Ostara Ash Dec Verfügbarkeit Kaum Wasserlöslichkeit < 5 % Zitronensäurelöslichkeit wie TSP Topfversuche und Feldversuche gute bis ausgezeichnete Erträge Langsame P-Abgabe langfristig Verfügbar (in einer Wachstumsperiode)

25 Verunreinigungen Anorganische und organische Verunreinigungen deutlich unter den Grenzwerten der Düngemittelverordnung Keine Anreicherung im Endprodukt Zerstörung durch physikalische, chemische und thermische Behandlung Hygienische Bedenken sehr unwahrscheinlich Kosten Sekundärdünger: 1 kg P: 2 12 P-Dünger aus P-Erz: 1 kg P: 2,3 Nebenprodukte P-armer Klärschlamm bzw. Klärschlammaschen Rückbelastung durch schadstoffreiche Überstände Saure oder basische Überstände Konzentrierte Schwermetallflüsse Filterstäube, Filterkuchen, sonstige Reststoffe

26 Wirtschaftlichkeit

27 Stand und Trends International (1/2) USA, Japan Großtechnische Umsetzungen 4 nordamerikanischen Raum (weitere Expansion auch nach Europa (England)) 2 Verfahren in Japan Verfahren aus dem Schlammwasser (flüssigen Phase) Marktfähiger Dünger Niederlande Verbot KS Ausbringung Rückgewinnung aus dem Schlammwasser/Ablauf (Crystalactor ) Thermphos: Elektrothermische Ascheaufbereitung P für Industrie ICL Fertilizer: Substitution des P-Erzes durch Klärschlammasche Plattform Politik, NGO s, Industrie

28 Stand und Trends International (2/2) Deutschland Klärschlammentsorgung uneinheitlich geregelt Intensive Forschung und Förderinitiativen zu allen Stoffströmen Bisher 3 Verfahren großtechnisch bzw. im Pilotmaßstab umgesetzt Schweiz Verbot KS Ausbringung 2015 wird 1/3 des KS monoverbrannt (Großraum Zürich) Ziel Rückgewinnung aus Asche Österreich Klärschlammentsorgung uneinheitlich geregelt ASH DEC Verfahren entwickelt Forschungsprojekt u.a. mit praktischen Laborversuchen zum Thema P- Recycling aus dem Abwasser am IWAG EU-Projekt zur Rückgewinnung von P aus Asche an der Montanuniversität Leoben RecoPhos-Prozess ÖWAV Gruppe Klärschlamm als Ressource

29 Allgemein Stickstoff Stand und Trends bei der Nährstoffrückgewinnung auf Kläranlagen Verwertung über Klärschlamm od. in Kombination mit P als MAP Strippung energetisch nicht sinnvoll (Ressourcenschonung) Phosphor großes P-Potential im kommunalen Abwasser (ungenützt) fehlende Kreislaufführung bekannte technische Möglichkeiten hochwertige Sekundärprodukte erhöhter Ressourcen und Energiebedarf Wirtschaftlichkeit nicht gegeben Markt für Sekundärdünger (Akzeptanz) Zusammenfassung Abwasserwirtschaft Abfallwirtschaft LW Haushalt Industrie

30 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Forschungsprojekt Phosphorrecycling aus dem Abwasser TU Wien Institut für Wassergüte, Ressourcenmanagement und Abfallwirtschaft

31 Danke für ihre Aufmerksamkeit! Stand und Trends bei der Nährstoffrückgewinnung auf Kläranlagen Lukas Egle, Markus Reichel