HTC Hydrothermale Carbonisierung von Klärschlamm

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1 Abfall Ressource HTC Hydrothermale Carbonisierung von Klärschlamm DBFZ HTP Fachforum vom November 2014, Leipzig Rolf Krebs

2 Was ich heute gerne erzählen möchte ist: Kann denn HTC attraktiv sein für eine ARA, welche ihre Schlammentsorgung eigentlich im Griff hat? Varianten, eine ARA um HTC zu erweitern. Sind die Risiken, welche HTC bei der Schlammbehandlung mit sich bringt, in den Griff zu kriegen? Rücklaufbehandlung oder Covergärung? Bietet HTC eventuell sogar Möglichkeiten, nicht nur die Umwelt zu entlasten, sondern Geld zu verdienen? Stoffliche Nutzung als Vision. Gibt es Verfahren um P und Schwermetalle aus HTC Produkten zurück zu gewinnen? P Rückgewinnung als wichtiger Zukunftsfaktor.

3 Die Carbonisierung von Schlamm offeriert der ARA Vor- & Nachteile! 5 20 % TS Kläusli T. (2012) Hydrothermale Carbonisierung. HTC Tagung ZHAW Wädenswil C 5 25 bar 1 5 h Bessere Entwässerbarkeit / Kohle als Brennstoff oder Bodenverbesserer / Hygienisierung Nähr- & Schadstoffverteilung / belastetes Abwasser

4 Zumbühl T. et al., (2012) Hydrothermal carbonization as an alternative treatment in sewage sludge disposal. Waste Management. Die chemische Abtrennung von «H» und «O» führt zu besserer Entwässerbarkeit.

5 Escala M. et al., (2011) Hydrothermale Carbonisierung von Klärschlamm. Machbarkeitsstudie BAFU. Eine bestehende Faulung lässt sich um eine HTC Anlage erweitern. Chancen Massiv bessere Entwässerbarkeit und verringerte Schlammmenge technisch einfache «lineare» Integration in bestehende Linien Biogas - Mehrproduktion Risiko Rückbelastung von Biologie oder Faulraum

6 Escala M. et al., (2011) Hydrothermale Carbonisierung von Klärschlamm. Machbarkeitsstudie BAFU. Eine bestehende Faulung lässt sich aber auch durch eine HTC Anlage ersetzen. Chancen Massiv bessere Entwässerbarkeit und verringerte Schlammmenge Verbesserte Wärmebilanz (Wärmefreisetzung / Wegfall Faulraum) Risiko Rückbau Biogaslinie und Wegfall der entsprechenden Energie Rückbelastung der Biologie & höherer O 2 -Bedarf

7 Energetische Vorteile mit HTC.

8 HTC Rohabwasser ist mikrobiologisch stabil und organisch hoch belastet! Krebs R. et al, (2013) Weiterentwicklung der hydrothermalen Karbonisierung. BAFU Technologieförderung, Schlussbericht UTF Parameter Einheit Wert Prozesswasser1 Prozesswasser2 Permeat CSB gesamt mg/l CSB gelöst mg/l TOC mg/l DOC mg/l N gesamt mg/l N gelöst mg/l Ammonium mgn/l Nitrit mgn/l Nitrat mgn/l P gesamt mg/l P gelöst mg/l Ortho - PO4 mgp/l Phenol gesamt mg/l Phenol gelöst mg/l TS g/l OTS % TS ph Leitfähigkeit ms/cm CSB, TOC, N [mg / L] RT CSB gesammt KS CSB gesammt RT TOC KS TOC RT N gesammt KS N gesammt RT Phenol gesammt KS Phenol gesammt Bei der Verwendung von HTC-Abwasser als Rücklauf in die ARA ist mit Lastspitzen zu rechnen: Verdünnung! Für die direkte Dosierung als Co-Substrat zur Faulung ist HTC-Abwasser geeignet, falls keine Hemmungen auftreten! Mit einer UF Filtration können die Konzentrationen im Permeat um 2/3 gesenkt werden Phenol [mg / L]

9 Nun stellt sich die Frage: Wer bin ich? Realist Entsorgen Mitbehandlung ARA = Rücklaufbehandlung - CSB Belastung und O 2 Mehrbedarf! - Hemmung von Hetero- und Autotrophen? Optimist Energetisch nutzen Verwertung als Co- Substrat im Faulraum - Biogas Mehrertrag! - Hemmung der Methanbildner? - Rückbelastung im Faulwasser? Visionär Stofflich nutzen Extraktion von Synthesebausteinen - Technologie & Vermarktung? - ARA-intern oder extern?

10 HTC Abwasser direkt als Rücklauf in der Biologie zu behandeln, ist keine so gute Idee. AEROBE TATSACHEN Bei der Mitbehandlung im Belebtschlammbecken ist keine Adaptation der aeroben Biologie notwendig. Es findet ein aerober TOC-Abbau von >95% statt. Um eine Hemmung der Heterotrophen zu verhindern, soll mind. 1:30 verdünnt werden. Um Nitrifikantenhemmung zu verhindern, soll mind. 1:200 verdünnt werden. Bei Raumbelastungen von 5 10 kg CSB/m3*d ist ein aerober CSB Abbau von 75% erreichbar. Schwachlaststufen eliminieren besser als Hochlaststufen. Bei Hochlaststufen liegt der Rest TOC bei mg C/L. Eine Vorbehandlung mit UF kann sehr tiefe Rest-TOC nach der Biologie erreichen.

11 HTC Abwasser als Co-Substrat in die Faulung zu dosieren, ist eine recht gute Idee. ANAEROBE TATSACHEN Bei der Covergärung im Faulraum ist keine Adaptation der anaeroben Biologie notwendig. Es findet ein anaerober Abbau von >98% des TOC statt. Der Methanertrag liegt bei NL CH4/kg ots. Eine Verdünnung von mind. 1:10, besser 1:30 ist bei der Dosierung einzuhalten. Die kontinuierliche Monovergärung von HTC-Abwasser benötigt eine mehrmonatige Adaptation, ist tendenziell instabil und liefert einen geringeren Methanertrag. 350 MEINUNGEN Normliter CH4 / kg ots Tage [d] Die Biogasqualität (CH4:CO2) wird nicht messbar verändert. Ob aus HTC-Abwasser Kohlenwasserstoffe gestrippt werden, ist unbekannt. Faulwasser aus der Laborvergärung von HTC- Abwasser ist tendenziell gelb bräunlich und leicht geruchsbelastet. Kontrolle HTC Unverdünnt HTC Verdünnung 1 HTC Verdünnung 2

12 Aus HTC Abwasser Wertstoffe zu gewinnen, ist eventuell eine noch viel bessere Idee. GIFTIGE TATSACHEN Im HTC Verfahren werden, unabhängig vom Rohmaterial, aber abhängig von der Prozessführung, biologisch abbaubare zyklische Verbindungen produziert. Neben Phenolen findet man auch ein weites Spektrum von relativ toxischen Furanen. Ein interessanter Stoff ist dabei 5-HMF, ein in der chemischen Synthese weit verbreiteter Rohstoff. ARA Elektrizität Netz BHKW Rohschlamm Faulturm Biogas (CH4, CO2) Biogas- Aufbereitung Wärme Bio-Methan CO2 Netz Faul schlamm HTC Biokohle 5-HMF Agri IND

13 Rückgewinnung von Phosphor und Schwermetallen alkanity [molhco 3- / l] 0,035 0,030 0,025 0,020 0,015 0,010 0,005 0,000 Klärschlammasche HTC Asche Phosphorus recovery rate (%) Sulfuric acid (%)

14 Outlook Rückgewinnung von Phosphor und Schwermetallen aus dem HTC Schlamm plants. Monoverbrennung nicht mehr nötig!

15 Was ich heute absichtlich nicht erwähnt habe: Chemisch physikalische Aufbereitung von HTC Abwasser (Filtration). Wenn HTC-Abwasser in der Biologie mitbehandelt wird, so drängt sich eine vorgeschaltete Ultrafiltration (inkl. FHM) auf. Direkte Behandlung von Schwarzwasser aus Haushalten mit HTC. Im Kommunalbereich hat HTC theoretisch ein direktes Anwendungsfeld zur Behandlung von Fäkalien. Stickstoffrückgewinnung aus Kohle & Abwasser. Der Einbezug von HTC schliesst die offenen N- Kreisläufe nicht. Stoffliche Vermarktung von Kohle. Biokohle aus kommunalem Klärschlamm zu produzieren, ist das eine. Sie gewinnbringend zu vermarkten, ist eine andere Geschichte.

16 Es bleibt Raum, Gedanken auszutauschen. Betreiber Welche Erfahrungen bestehen mit HTC? Wer baut 2020 eine HTC? Wer sicher nicht? Planer Wer setzt HTC- Szenarien ein? Wo bestehen Unsicherheiten? Produzenten Ist HTC Kohle in der Pflanzenproduktion anwendbar? Weshalb nicht?

17 Herzlichen Dank Bundesamt für Umwelt AVA-CO2 AG, Zug, Besten Dank für Ihre Aufmerksamkeit! und allen Mitarbeitenden: Urs Baier, Marina Escala, Gabriel Gerner, Frank Hartmann, Ranka Junge, Christa Gufler, Christoph Koller, Rolf Krebs, Martin Kühni, Luzius Matile, Alex Mathis, Matthias Stucki, Rahel Wanner 17