Technischer Nachweis eines innovativen Konzepts für ein energie-positives Klärwerk

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1 Manuskript zur 47. Essener Tagung, Technischer Nachweis eines innovativen Konzepts für ein energie-positives Klärwerk Christian Remy, Morgane Boulestreau, Boris Lesjean, Berlin 1 Einleitung Kommunales Rohabwasser enthält eine hohe Konzentration an organischen Stoffen, die z.b. über den Parameter des chemischen Sauerstoffbedarfs (CSB in mg O 2 /L ) in Summe erfasst werden können. Diese organische Substanz enthält etwa 4 kwh pro kg CSB an intern gebundener chemischer Energie (Heidrich et al. 2010). Wenn man eine CSB-Belastung des kommunalen Abwassers von 120 g CSB pro Einwohnerwert (EW) und Tag ansetzt (ATV 2000), ergibt sich damit ein theoretisches chemisches Energiepotential im Rohabwasser von 175 kwh pro Einwohner und Jahr. Vergleicht man dieses Energiepotential mit dem durchschnittlichen Stromverbrauch der kommunalen Abwasserreinigung im Belebtschlammverfahren (32-40 kwh/(ew*a) für Größenklasse (GK) 3-5 nach DWA 2013), so übersteigt das theoretische Energiepotential im Rohabwasser die für dessen Reinigung notwendige Strommenge deutlich um den Faktor 4-5. Damit ist zumindest in der theoretischen Betrachtung ein energie-positives Klärwerk möglich, d.h. ein Klärwerk mit einer positiven Netto- Energiebilanz (= Energierückgewinnung größer als Energieverbrauch). Mit dem konventionellen Belebtschlammverfahren werden die organischen Verbindungen nach einer mechanischen Reinigung und einer Vorklärung zur Abscheidung partikulärer Stoffe im Belebungsbecken durch Mikroorganismen mineralisiert oder in die Biomasse eingebaut. Hierfür und für die biologische Umwandlung von Ammonium-Stickstoff in Nitrat (Nitrifikation) sind erhebliche Mengen an Sauerstoff erforderlich, die unter hohem Energieaufwand bei der Belüftung der Belebungsbecken ins Abwasser eingetragen werden. Über die anaerobe Stabilisierung des anfallenden Klärschlamms wird aus Teilen der organischen Substanz Faulgas erzeugt, was dann im Blockheizkraftwerk (BHKW) in Strom und Wärme umgewandelt werden kann und so einen Teil der im Abwasser enthaltenen Energie zurückgewinnt. Die anfallende Wärme wird meist direkt vor Ort genutzt (z.b. für Faulturmheizung, Gebäudeheizung), so dass nur der dabei erzeugte Strom eine extern nutzbare Energierückgewinnung liefert. Üblicherweise werden ca kwh/(ew CSB *a) an Strom über Faulgasverstromung produziert (MUNLV 1999), was bezogen auf den Stromverbrauch einem Eigenversorgungsgrad von bis zu 70% entspricht. Im Hinblick auf das theoretische Energiepotential im Rohabwasser bedeutet das jedoch, dass lediglich 5-10% der enthaltenen Energie letztlich zurückgewonnen werden. Um diese Energieausbeute zu steigern und gleichzeitig den Energieverbrauch der Abwasserreinigung zu senken, wurde im Projekt CARISMO ( , ein neues Konzept zur Abwasserreinigung in Pilotversuchen in halbtechnischem Maßstab mit realem Abwasser getestet. Das Konzept beruht auf der möglichst hohen Abtrennung von

2 - / 2 - organischer Substanz mit einem Niedrigenergie- Filtrationsverfahren, um den Schlammanfall zu maximieren und die nachfolgende Behandlung zu entlasten (Abbildung 1). Das mechanisch gereinigte Rohabwasser nach Rechen und Sandfang wird hierzu nach einer Flockung (= Dosierung von Flockungsmittel und Flockungshilfsmittel) in einem Mikrosieb (Trommelsieb mit 100 µm Maschenweite) gefiltert, um die partikuläre organische Substanz und die gebildeten Flocken abzutrennen. Der so gewonnene Klärschlamm kann nach Eindickung in einer Faulungsanlage anaerob behandelt werden und lässt sich dort in Biogas umsetzen. Sowohl die Flockung + Mikrofiltration als auch die Biogasgewinnung aus dem entstehenden Klärschlamm wurden in Langzeitversuchen im Projekt CARISMO getestet. Ziel war dabei, durch den neuen Prozess mehr organische Substanz in den Klärschlamm zu überführen (70-80% des Zulauf-CSB) und so die Biogasausbeute bezogen auf den Abwasserzulauf um bis zu 50% zu steigern. Abbildung 1: Schema des Belebungsverfahrens und des CARISMO-Konzepts Neben dem technischen Nachweis der Machbarkeit sollte zudem in einer ganzheitlichen Bilanzierung von Energieverbrauch und Treibhauseffekt das neue Konzept mit der konventionellen Referenztechnologie des Belebungsverfahrens ( Referenzklärwerk ) verglichen werden. Dazu wurde in einer Modellrechnung ein Verfahrensschema für das neue Klärwerkskonzept entworfen, das aufbauend auf den Ergebnissen der Pilotversuche das Konzept energetisch bewertet und zudem eine Nachbehandlung zur Elimination des restlichen CSB sowie des Stickstoffs vorsieht, um das neue Konzept in seiner Ablaufqualität direkt mit dem Referenzklärwerk vergleichen zu können. Der vorliegende Beitrag beschreibt die durchgeführten Pilotversuche zur Flockung und Mikrosiebung bzw. zur Faulung des Klärschlamme sowie die ganzheitliche Bilanzierung von Energieverbrauch, Treibhauseffekt und Betriebskosten im Vergleich von Referenzklärwerk und neuem CARISMO-Konzept.

3 - / 3-2 Material und Methoden Die Pilotversuche wurden mit realem Rohabwasser auf dem Berliner Klärwerk Stahnsdorf durchgeführt. Die mittlere Zulaufqualität des Klärwerks Stahnsdorf zeigt eine hohe Konzentration an CSB, Gesamt-P und Gesamt-N, was auf eine geringe Verdünnung des Abwassers hindeutet (Tabelle 1). Durch den Einfluss von Regenereignissen und durch verschiedene Zulaufqualitäten aus unterschiedlichen Stadtgebieten zeigen die Werte eine relativ hohe Schwankungsbreite. Das Rohabwasser für die Pilotanlage wurde nach der mechanischen Reinigung (Rechen 8mm und belüfteter Sandfang) aus dem Verteilerbauwerk vor der Vorklärung entnommen. Tabelle 1: Zulaufqualität zum Klärwerk Stahnsdorf (ohne Rückbelastung) Parameter Einheit Mittelwert 2012 (Min Max) Suspendierte Stoffe [mg SS/L] 508 ( ) Chemischer Sauerstoffbedarf [mg O 2 /L] 1038 ( ) Gesamt-Phosphor [mg TP/L] 14 (8,5-21) Gesamt-Stickstoff [mg TN/L] 91 (60-150) Ammonium-Stickstoff [mg NH 4 -N/L] 65 (47-78) Mit Becherglasversuchen ( jar tests ) wurde vor der Pilotierung die optimale Auswahl und Dosierung von Flockungsmittel und Flockungshilfsmittel im Labor ermittelt, um die Abscheidung von CSB in einer nachfolgenden Filtration zu maximieren und gleichzeitig den Verbrauch an Chemikalien so gering wie möglich zu halten. Nach umfangreichen Testreihen mit unterschiedlichen Chemikalien und Dosierungen wurden mg/l Aluminium (Al, als Polyaluminiumchlorid PACl) und 5-7 mg/l Polymer (aktive Substanz eines kationischen Polymers mit hohem Molekulargewicht) als optimale Dosierung definiert und in der Pilotanlage getestet. Die Pilotanlage wurde mit 4,5-6 m³ Rohabwasser pro Stunde beschickt. Die manuell gesteuerte Pilotanlage wurde nur innerhalb der Woche und nur tagsüber (8h) betrieben und einmal wöchentlich gereinigt. Nach einer Inline-Dosierung von PACl erfolgte eine Mikroflockenbildung in einem 500L Tank mit Rührwerk (G-Wert > 1000s -1 ), danach eine Inline-Dosierung von Polymer und ein weiterer 500L-Tank mit Rührwerk (G-Wert ~ 100s -1 ) zur Bildung von Makroflocken (Abbildung 2). Das geflockte Rohabwasser wurde dann in einem Trommelsieb (Fa. Hydrotech) mit 100 µm Maschenweite filtriert, das automatisch mit Trinkwasser (5 bar) zurückgespült wurde (Rückverdünnung des Ablaufs < 2%). Der gesammelte Schlamm wurde statisch eingedickt (~12h) und dann dem Faulbehälter zugeführt.

4 - / 4 - Abbildung 2: Prozessschema der Pilotanlage Der halbtechnische Faulbehälter (300L) wurde automatisch über einen gekühlten Puffertank mit Schlamm beschickt (15L/d in 4 Dosen pro Tag) und über Umwälzpumpen durchmischt. Über einen Heizmantel wurde eine konstante Temperatur von C (mesophile Faulung) im Reaktor eingestellt. Zu- und Ablauf des Reaktors wurden regelmäßig beprobt und analysiert, das gebildete Faulgas wurde kontinuierlich in einem Gaszähler (Fa. Ritter) erfasst und regelmäßig mit einem Gasmessgerät (Fa. Gas Sensor Innovation GmbH) auf den Methangehalt untersucht. Tracerversuche mit Lithium ergaben eine mittlere Aufenthaltszeit des Schlamms von 16 Tagen. 3 Ergebnisse der Pilotversuche Das Trommelsieb konnte über 18 Monate störungsfrei betrieben werden und wurde über die automatische Rückspülung effektiv gereinigt, so dass eine chemische Reinigung nur zweimal in dieser Zeit notwendig war. Die Entfernung von suspendierten Stoffen durch das Sieb betrug erwartungsgemäß immer > 95% (Abbildung 3). Im Ablauf des Siebs waren nur noch Gehalte von 3-25 mg/l SS messbar. Mit steigenden Zulaufkonzentrationen an SS stieg die entsprechende Ablaufkonzentration leicht an. Parallel dazu betrug die erreichte Entfernung von organischer Substanz im Mikrosieb gemessen als CSB 70-85% (Abbildung 4). Im Ablauf lag der CSB damit bei mg/l O 2. Genauere Untersuchungen des CSB ergaben, dass ca. 95% des partikulären CSB und 20% des gelösten CSB mit der Kombination Flockung + Mikrosieb aus dem Rohabwasser entfernt werden konnten. Damit steigt mit steigendem Anteil an partikulärem CSB im Rohabwasser die relative Extraktion an Gesamt-CSB (Abbildung 5), da dieser im Mikrosieb besser zurückgehalten wird. Das Rohabwasser in Stahnsdorf zeichnet sich hier durch einen relativ hohen Anteil an partikulärem CSB (ca % des Gesamt-CSB) aus.

5 - / 5 - Abbildung 3: Zulauf- und Ablaufqualität der Pilotanlage für suspendierte Stoffe Abbildung 4: Zulauf- und Ablaufqualität der Pilotanlage für CSB Der Gesamt-Phosphor wurde im Prozess zu 70-90% entfernt und mit dem Klärschlamm abgetrennt (Abbildung 6). Der partikuläre Phosphor wurde dabei zu 94% abgeschieden, während der gelöste Phosphor nur zu 70% entfernt wurde. Damit konnte eine Ablaufkonzentration von 2-3 mg/l TP erreicht werden. Durch eine weitere Optimierung der Fällmitteldosierung sollten Konzentrationen unter 2 mg/l TP durch das Verfahren einzuhalten sein. Vom Gesamt-Stickstoff im Zulauf der Anlage konnten erwartungsgemäß nur etwa 20% zurückgehalten werden (nicht gezeigt),

6 - / 6 - was ungefähr dem partikulären Anteil an Stickstoff im Rohabwasser entspricht. Im Ablauf des Mikrosiebs lagen damit noch ca. 65 mg/l NH 4 -N vor, die in einer Nachbehandlung entfernt werden müssen. Abbildung 5: Abhängigkeit der CSB-Elimination vom Anteil des partikulären CSB im Zulauf Abbildung 6: Zulauf- und Ablaufqualität der Pilotanlage für Gesamt-Phosphor

7 - / 7 - Für die nachfolgende Behandlung des Stickstoffs ist zudem das Denitrifikationspotential der noch vorhandenen organischen Substanz wichtig, da die konventionelle biologische Denitrifikation in der Nachbehandlung eine leicht verfügbare Kohlenstoffquelle benötigt. Zur Abschätzung dieses Denitrifikationspotentials wurde der Gehalt an flüchtigen Fettsäuren im Ablauf des Mikrosiebs gemessen, die als leicht verfügbar gelten und damit eine C-Quelle für die Denitrifikation darstellen. Im Ablauf der Mikrosiebanlage wurden noch 120 mg/l Acetat-Äquivalente gemessen, die für die nachfolgende Denitrifikation zur Verfügung stehen. In kinetischen Denitrifikationstests wurde zudem ein Denitrifikationspotential des Mikrosieb-Ablaufs nachgewiesen. Die Menge des Rückspülwassers mit abgetrennten Schlamm lag in der Pilotanlage bei 4-10% des Zuflussvolumens. Bei einer großtechnischen Anlage sind hier erfahrungsgemäß ca. 5-6% Rückspülwasser zu erwarten. Der Schlamm aus dem Mikrosieb ist relativ verdünnt (6-15 g/l Feststoffe) und kann durch den statischen Eindicker nach 12h auf 2-5% Feststoffe aufkonzentriert werden, was für die nachfolgende Faulung eine gute Ausgangskonzentration darstellt. Der Schlammvolumenindex des Mikrosieb-Schlamms lag bei 50 ml/g. Im Faulreaktor wurden für beide Schlämme (Mischschlamm aus Stahnsdorf, CARISMO-Schlamm aus der Pilotanlage) relativ stabile Abbauraten erreicht, auch wenn durch die geringe Größe des Reaktors und betriebliche Störungen der Abbaugrad der organischen Substanz teilweise Schwankungen aufwies (Abbildung 7). Abbildung 7: Abbau der organischen Substanz und spezifische Biogasproduktion mit CARISMO-Schlamm aus der Pilotanlage

8 - / 8 - Dennoch ließen sich die Massenbilanzen des Faulreaktors mit hinreichender Genauigkeit für Phosphor (±3%) und CSB (± 11%) schließen. Aus den Bilanzen des organischen Trockenrückstands (otr) ließ sich eine spezifische Biogasproduktion für den jeweiligen Schlamm ermitteln. Bei einem Abbaugrad der otr von 50% erzielte der Mischschlamm des Klärwerks Stahnsdorf einen mittleren Biogasertrag von 430 NL/kg otr in, was gut mit den realen Betriebsdaten der großtechnischen Faulung übereinstimmt. Für den Primärschlamm aus der CARISMO-Anlage wurde bei einem Abbaugrad von 56% der otr eine mittlere spezifische Biogasproduktion von 600 NL/kg otr in beobachtet, was durch den höheren Anteil an leicht abbaubarer organischer Substanz im Rohabwasser zu erklären ist. Die Methankonzentration lag für beide Schlämme im Mittel bei ca. 60 Vol-% CH 4. 4 Ganzheitliche Bilanzierung von Energieverbrauch und Treibhauseffekt Die erzielten Ergebnisse der Pilotanlage wurden in eine ganzheitlichen Bilanzierung für ein Modellklärwerk mit EW überführt, um die Unterschiede zwischen einer Referenzanlage mit Belebtschlammverfahren und dem CARISMO-Konzept zu quantifizieren. Die Systemgrenzen der Bilanz umfassen die Aufwendungen für die Abwasserbehandlung und Schlammfaulung (Strom, Chemikalien) sowie die Gutschrift für Stromgewinnung im BHKW (Abbildung 8). Zur Vereinfachung des Modells werden die Prozesse der Schlammentwässerung und entsorgung und auch die Rückbelastung sowie die benötigte Infrastruktur nicht im Modell erfasst. Abbildung 8: Systemgrenzen der ganzheitlichen Bilanzierung

9 - / 9 - Der Energieverbrauch wird dabei in der Einheit kwh elektrisch /m³ Rohabwasser erfasst. Dazu werden neben dem Strombedarf und der Stromproduktion im BHKW auch die Produktion der Chemikalien virtuell in diese Einheit übertragen, in dem der jeweilige Primärenergieaufwand für die Chemikalienproduktion mit dem Primärenergieaufwand der Stromproduktion in Deutschland pro kwh verrechnet wird. Die Datensätze für die Produktion der Chemikalien (FeCl 3, PACl, Polymer, Methanol als externe Kohlenstoffquelle für die Nachbehandlung) basieren auf einer Ökobilanz-Datenbank (Ecoinvent 2010). Für die Berechnung des Treibhauseffekts werden die indirekten Emissionen aus der Produktion von Strom und Chemikalien ebenfalls aus der Datenbank entnommen, während die direkten Emissionen von Treibhausgasen aus der Denitrifikation (0.6% des entfernten N als N 2 O für alle Verfahren (Wicht 1996)) und der Umsetzung von Methanol (fossiles CO 2 ) über Literaturwerte berechnet werden. Die Bewertung der Treibhausgase erfolgt über Charakterisierungsfaktoren des IPCC für einen Wirkhorizont von 100 Jahren (IPCC 2007). Die Qualität des Rohabwassers wird analog der mittleren Zulaufkonzentrationen im Klärwerk Stahnsdorf definiert (Tabelle 2). Für die zu erreichenden Ablaufwerte werden in Anlehnung an die Forderungen der Abwasserverordnung für GK4 folgende Werte definiert: CSB = 100 mg/l, TN = 18 mg/l, TP = 2 mg/l (AbwV 2013). Zusätzlich ist eine weitgehende Nitrifikation zu gewährleisten. Tabelle 2: Vorgaben für Zulauf- und Ablaufqualität für die Modellrechnung Parameter Einheit Rohabwasser nach mechanischer Reinigung Ablauf der Abwasserbehandlung CSB [mg O 2 /L] TP [mg TP/L] 15 2 TN [mg TN/L] NH 4 -N [mg NH 4 -N/L] 65 < 5 Die Bilanzierung beruht auf einer vereinfachten Bilanzierung der Verfahrensketten für Referenzklärwerk und CARISMO-Konzept (Abbildung 9). Für das Referenzklärwerk wurde ein Transfer von 60% des Zulauf-CSB in den Klärschlamm angenommen, während im CARISMO-Konzept 73% des Zulauf-CSB in den Schlamm überführt wird. Für die nachfolgende Behandlung des Rest-CSB und die Stickstoffentfernung wird hier ein Biofilter vorgesehen, der neben der Belüftung des Abwassers für CSB- Abbau und Nitrifikation auch die Dosierung einer externen C-Quelle (Methanol) erforderlich macht. Im Biofilter wird der Rest-CSB zu gleichen Teilen mineralisiert oder in Überschussschlamm eingebaut, dessen Biogasertrag analog eines typischen Überschussschlamms mit 336 NL/kg otr in abgeschätzt wird (MUNLV 1999). Für die

10 - / 10 - Denitrifikation im Biofilter werden unter Annahme von 4,5 g CSB/g NO 3 -N als Kohlenstoffbedarf (ATV 2000) abzüglich der noch verfügbaren C-Quelle nach Mikrosieb (120 mg/l Ac-eq) rechnerisch 56 mg/l Methanol benötigt. Abbildung 9: Vereinfachte Bilanzierung von Referenzklärwerk und CARISMO- Konzept für CSB, TN und TP Der Energie- und Chemikalienbedarf für das Referenzklärwerk wird u.a. über die Sauerstoffbilanz nach ATV 2000 berechnet und durch verfügbare Literaturwerte für Pumpen und Rührwerke ergänzt (MUNLV 1999). Für die chemische Simultanfällung von Phosphor wird hier eine Dosierung von 20 mg/l Fe angenommen. Für das CARISMO-Konzept beruhen die Daten auf den Pilotversuchen und Herstellerangaben für den Energieverbrauch von Mikrosieb und Biofilter (Tabelle 3). Der Biogasertrag wurde nach den Ergebnissen der Pilotanlage abgeschätzt oder im Falle des Biofilter-Schlamms wie oben beschrieben aus der Literatur abgeschätzt.

11 - / 11 - Tabelle 3: Daten zu Energie- und Chemikalienverbrauch, Biogasproduktion und Verstromung für Referenzklärwerk und CARISMO-Konzept Parameter Einheit Referenzklärwerk mit Belebtschlammverfahren CARISMO-Konzept: Mikrosieb + Biofilter Strom für Abwasserbehandlung [kwh/m³] 0,51* 0,01 (Mikrosieb) 0,15*(Biofilter Belüftung) 0,06 (Biofilter Pumpen) Strom für Eindicker + Faulturm [kwh/m³ Schlamm] 3,3 3,3 Dosierung Fe/Al [mg/l] 20 (Fe) 20 (Al) Dosierung Polymer [mg/l] - 7 Dosierung Methanol [mg/l] - 56 Biogasertrag [NL/kg otr in ] (Primärschlamm) 336 (Biofilter-Schlamm) Biogasqualität [Vol-% CH 4 ] Elektrischer Wirkungsgrad BHKW [%] * Effizienz des O 2 -Eintrags: 550 Wh/kg O 2 für Belebung, 450 Wh/kg O 2 für Biofilter Die Ergebnisse der ganzheitlichen Energiebilanz zeigen, dass das abgebildete Referenzklärwerk bei einem Energieverbrauch von 0,6 kwh/m³ (inkl. Chemikalien) und einer Stromproduktion von 0,4 kwh/m³ eine Netto-Strombilanz von 0,14 kwh/m³ und eine Netto-Energiebilanz von 0,2 kwh/m³ Rohabwasser hat. Daraus errechnet sich ein Eigenversorgungsgrad bei der Stromversorgung von 74%, was verglichen mit existierenden Klärwerken im oberen Bereich liegt und damit als optimierte Referenzkläranlage bezeichnet werden kann. Betrachtet man die Strombilanz bezogen auf die Zulaufbelastung, ergeben sich mit der CSB-Zulaufkonzentration von 1000 mg/l Werte von 24 kwh/(ew CSB *a) für den Stromverbrauch und 17,5 kwh/(ew CSB *a) für die Stromproduktion. Der relativ niedrige Verbrauch im Modell des Referenzklärwerks begründet sich u.a. im Ausschluss der Schlammentwässerung (Zentrifugen) und der Rückbelastung, die gerade beim Stickstoff 10-20% der Zulauffracht betragen kann und somit den Stromverbrauch in der Belebung noch mal erhöhen würde.

12 - / 12 - Abbildung 10: Ganzheitliche Energiebilanz von konventionellem Referenzklärwerk und CARISMO-Konzept Im CARISMO-Konzept kann der Stromverbrauch der Abwasserreinigung deutlich auf 0,25 kwh/m³ oder 11 kwh/(ew CSB *a) gesenkt werden, das entspricht einer Reduktion um 54% gegenüber der Referenz. Der Stromverbrauch im CARISMO- Konzept fällt hauptsächlich im Biofilter an (Belüftung und Pumpen), das Mikrosieb selbst hat nur einen sehr geringen Strombedarf (0,01 kwh/m³). Gleichzeitig kann die Stromproduktion durch die vermehrte Extraktion von CSB um 81% auf 0,72 kwh/m³ oder 32 kwh/(ew CSB *a) gesteigert werden. Dabei spielt sowohl der Mehranfall an organischem Schlamm in CARISMO (+36% otr-menge) als auch der höhere Biogasertrag pro kg otr im Faulreaktor (+40% nach Tabelle 3) eine Rolle. Insgesamt kommt das CARISMO-Konzept damit auf eine Netto-Strombilanz von -0,47 kwh/m³ Rohabwasser, was rechnerisch einer Eigendeckung von 288% entspricht. Dafür werden allerdings erhebliche Mengen an Chemikalien eingesetzt (PACl, Polymer, Methanol). Bezieht man den Energieverbrauch für die Chemikalienproduktion mit ein, ergibt sich immer noch ein Netto-Energiegewinn von -0,17 kwh/m³ Rohabwasser. Dabei liefert der hohe Methanolverbrauch (56 mg/l MeOH) den größten Beitrag zum Energieverbrauch. Daher sollte wenn möglich eine Optimierung der Dosierung externer Kohlenstoffquellen in der Nachbehandlung eines CARISMO-Konzepts erfolgen, um so wenig wie möglich an energie- und kostenintensiven C-Quellen zu verbrauchen. Insgesamt lässt sich mit der ganzheitlichen Energiebilanz zeigen, dass das CARISMO-Konzept auch unter Einbeziehung des Energiebedarfs für die verwendeten Chemikalien im Modell einen energie-positiven Prozess der Abwasserreinigung mit vergleichbarer Ablaufqualität eines Referenzklärwerks darstellt und somit als Quelle für regenerative Energie dienen kann.

13 - / 13 - Analog zur Energiebilanz zeigt auch die Betrachtung des Treibhauspotentials, dass das CARISMO-Konzept dem konventionellen Referenzklärwerk im Modell überlegen ist (Abbildung 11). Für das Referenzklärwerk wird im Modell ein Netto- Treibhauspotential von 0,27 kg CO2-eq/m³ Rohabwasser berechnet, inkl. der abgeschätzten Emission von N 2 O bei der Denitrifikation. Durch die erhöhte Stromproduktion und den niedrigen Stromverbrauch liegt das CARISMO-Konzept im Treibhauspotential bei -0,06 kg CO 2 -eq/m³ Rohabwasser trotz Einbeziehung von N 2 O-Emissionen aus der Denitrifikation im Biofilter und dem Beitrag des fossilen CO 2, was bei der Umsetzung von Methanol (aus Erdgas hergestellt) freigesetzt wird. Damit lässt sich das CARISMO-Konzept zumindest als CO 2 -neutrales Klärwerk bezeichnen. Abbildung 11: Treibhauspotential für konventionelles Referenzklärwerk und CARISMO-Konzept Eine erste Abschätzung der Betriebskosten (nur Strom und Chemikalien) zeigt, dass für Referenzklärwerk und CARISMO-Konzept hier vergleichbare Netto-Kosten entstehen (Abbildung 12). Dabei wurde der Strombedarf und die entsprechende Eigendeckung mit 0,13 /kwh angerechnet, während der überschüssige Strom im CARISMO-Konzept nur zu 0,09 /kwh verkauft werden kann (gegenwärtig nicht als EEG-Strom anerkannt). Bei Annahme von handelsüblichen Preisen für Chemikalien ergeben sich für das CARISMO-Konzept leicht erhöhte Kosten für den Betrieb, die durch den erzielten Erlös aus dem Stromverkauf weitgehend ausgeglichen werden. Insgesamt lässt sich aus dieser Abschätzung ersehen, dass der erhöhte Aufwand an Chemikalien im CARISMO-Konzept nicht zu erheblich höheren Betriebskosten für Strom und Chemikalien führt.

14 - / 14 - Abbildung 12: Betriebskosten (Strom und Chemikalien) für konventionelles Referenzklärwerk und CARISMO-Konzept 5 Diskussion Dieser Beitrag beschreibt die Erprobung einer neuen Konzepts zur Abwasserreinigung, was auf der vermehrten Abscheidung von organischer Substanz aus Rohabwasser über eine Flockung und Mikrosiebung beruht. In Pilotversuchen konnte die technische Machbarkeit des Konzepts gezeigt und die Leistungsfähigkeit hinsichtlich der Entfernung von CSB (70-80%) und Phosphor (< 2-3 mg/l im Ablauf) beschrieben werden. Der entstehende Schlamm zeigt erwartungsgemäß einen höheren spezifischen Biogasertrag in der Faulung als der Mischschlamm aus dem konventionellen Belebtschlammverfahren. In einer ganzheitlichen Bilanzierung von Energieverbrauch und Treibhauspotential konnte zudem gezeigt werden, dass das neue CARISMO-Konzept auch inklusive einer entsprechenden Nachbehandlung im Biofilter zur Entfernung von Rest-CSB und Stickstoff gegenüber einem Referenzklärwerk energetisch und vom CO 2 -Fußabdruck vorteilhaft ist. Selbst unter Berücksichtigung des Energieaufwands für die Produktion von Chemikalien (vor allem Methanol als externe C-Quelle) stellt sich das CARISMO-Konzept im Modell als Energie-positives Verfahren der Abwasserreinigung dar, wenn man es für typische Ablaufwerte einer Kläranlage der GK4 (CSB = 100 mg/l, TN = 18 mg/l, TP = 2 mg/l) auslegt. Eine Abschätzung der Betriebskosten für Strom und Chemikalien zeigt vergleichbare Netto-Betriebskosten zur konventionellen Technik. Aufgrund der vielversprechenden Ergebnisse der Pilotversuche und der Energiebilanz und dem gelungenen Nachweis der technischen Machbarkeit ist die Demonstration des CARISMO-Konzepts als Energie-positives und CO 2 -neutrales Verfahren zur Abwasserreinigung in einem realen Klärwerk momentan in Planung.

15 - / 15 - In der Energiebilanzierung wurde deutlich, dass nach einer weitgehenden Entnahme des organischen Kohlenstoffs in der Mikrosiebung die nachfolgende Entfernung des Stickstoffs einen hohen Beitrag zum Energieverbrauch darstellt. Dabei spielt der noch vorhandene leicht verfügbare CSB und die entsprechend zu dosierende externe C-Quelle (Methanol) für die biologische Denitrifikation neben der erforderlichen Belüftung zur Nitrifikation eine wichtige Rolle. Zur Minimierung dieser externen C-Quelle bieten sich z.b. dynamische Strategien zur Steuerung an, die über eine Nitratsonde im Ablauf die C-Quelle dosieren oder ggf. einen Teil des Rohabwassers ungeflockt filtrieren, um den gelösten CSB für die Denitrifikation zu erhalten. Für die Zukunft bieten sich auch Kombinationen des CARISMO-Konzepts mit neuen energiesparenden Verfahren zur Stickstoffentfernung ohne externe C- Quelle an, so z.b. mit der Deammonifikation im Hauptstrom, Algenreaktoren, oder einer Entfernung von NH 4 über Ionentauscher. Die Autoren bedanken sich bei den Kollegen der Berliner Wasserbetriebe und der Firma Hydrotech für die Unterstützung bei den Pilotversuchen und der Bilanzierung sowie bei Veolia Eau für die Finanzierung der Studie. 5 Literatur AbwV (2013): Abwasserverordnung: Anhang 1 (Wastewater ordinance: Annex 1) Bundesgesetzblatt I S. 1108, 2605, updated on in Bundesgesetzblatt I S. 973, ATV (2000): A131 Bemessung von einstufigen Belebungsanlagen (A131: Dimensioning of single stage activated sludge plants). Abwassertechnische Vereinigung e.v., Hennef, Germany DWA (2013): Leistungsvergleich kommunaler Kläranlagen 2012 (Performance comparison of municipal wastewater treatment plants 2012). Deutsche Vereinigung für Wasserwirtschaft, Abwasser und Abfall e.v., Hennef, Germany Ecoinvent (2010): Ecoinvent data v2.2, ecoinvent reports No. 1-26, Swiss Center for Life Cycle Inventories, Dübendorf, Switzerland. Heidrich, E. S., Curtis, T. P. and Dolfing, J. (2010): Determination of the Internal Chemical Energy of Wastewater. Environmental Science & Technology 45 (2), IPCC (2007): Climate Change 2007: Synthesis Report. Contribution of Working Groups I, II and III to the Fourth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change IPCC, Geneva, Switzerland MUNLV (1999): Handbuch Energie in Kläranlagen (Handbook of energy in wastewater treatment plants). Ministerium für Umwelt, Raumordnung und Landwirtschaft des Landes Nordrhein-Westfalen, Düsseldorf Wicht, H. (1996): N2O-Emissionen durch den Betrieb biologischer Kläranlagen (N2O emissions during operation of biological wastewater treatment plants). Dissertation, Institut für Siedlungswasserwirtschaft, TU Braunschweig, Braunschweig, Germany.

16 - / 16 - Anschrift des Verfassers: Dr.-Ing. Christian Remy, Morgane Boulestreau, Boris Lesjean Kompetenzzentrum Wasser Berlin ggmbh Cicerostr Berlin christian.remy@kompetenz-wasser.de