Großtechnische In-situ-Phosphorrückgewinnung aus Klärschlämmen

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1 Großtechnische In-situ-Phosphorrückgewinnung aus Klärschlämmen Internationales Symposium Re-Water Braunschweig am 21./ Universität Stuttgart Institut für Siedlungswasserbau-, Wassergüteund Abfallwirtschaft (ISWA) Prof. Dr.-Ing. H. Steinmetz Dipl.-Ing. V. Preyl Dipl.-Ing., RBM C. Meyer MAP-Kristall 1

2 Gliederung Phosphor - eine endliche Ressource! Klärschlamm in der Landwirtschaft? Das Stuttgarter Verfahren zur Phosphorrückgewinnung Großtechnische Umsetzung des Verfahrens in einer Pilotanlage Projektziele der großtechnischen Umsetzung des Verfahrens 2

3 Phosphor - eine endliche Ressource! Phosphorgewinnung aus geogenen Lagerstätten keine nachhaltige Strategie zukünftig weitere Reduzierung von abbauwürdigen Phosphaterzen politische Motivation zur Unabhängigkeit von Fremdlagerstätten Reichweite der Phosphaterze nach derzeitigen Schätzungen ca. 90 Jahre für abbauwürdige Phosphaterze (sog. Reserven) ca. 270 Jahre für (noch) nicht abbauwürdige Phosphaterze (sog. Vorräte) Anteil schadstoffarmer Erze sinkt weltweit; zunehmend mehr Erze mit erhöhtem Begleitstoffgehalt (Cadmium; Uran) Alternative: Phosphorgewinnung im Bereich der organischen Siedlungsabfälle größtes Potenzial in Deutschland zur P-Rückgewinnung liegt im kommunalen Abwasser bzw. Klärschlamm 3

4 Phosphor - eine endliche Ressource! P-Rückgewinnungspotenzial aus kommunalem Klärschlamm in D max. theoretisches P-Rückgewinnungspotenzial aus Schlamm ca t P/a max. praktisches P-Rückgewinnungspotenzial aus Schlamm (Annahmen: Rückgewinnung aus ca. 80 % der Abwässer; Wirkungsgrad der Rückgewinnung ca. 80 %) ca t P/a mittlerer Düngemitteleinsatz (bezogen auf P) in Deutschland ca t P/a theoretisch könnten ca. 22 % des Primär-Phosphors in den Düngemitteln durch bei der kommunalen Abwasserreinigung rückgewonnenen Sekundär-Phosphor substituiert werden 4

5 Klärschlamm in der Landwirtschaft? Direkte landwirtschaftliche Klärschlammausbringung umstritten Klärschlamm ist Senke für im Abwasser enthaltene organische und anorganische Schadstoffe Phosphor im Klärschlamm teilweise nur schlecht pflanzenverfügbar konstant gute Düngewirkung umstritten Ausstieg der Landwirtschaft aus der bodenbezogenen Klärschlammverwertung politisch unterstützt, z. B. in Baden-Württemberg, Bayern, NRW Vorsorgestrategie: Minimierung des Risikos der Umweltbelastung von Böden bzw. Gewässern und der Nahrungsmittelkontamination (Pfad Nutzpflanze Mensch) Klimaschutzeffekte durch die Vermeidung der Freisetzung von CH 4, CO 2, N 2 O 5

6 Klärschlamm in der Landwirtschaft? Trend der Klärschlammverwertung in Deutschland leicht rückläufiger Trend der Verwertung von Klärschlamm in der Landwirtschaft in deutschlandweit, 32 % (2004) und 28 % (2008), nach BMU (2010) Klärschlammaufkommen insgesamt, in t TS Verwertung in der Landwirtschaft, in t TS BMU (2010) deutschlandweit steigender Trend zur thermischen Entsorgung des Klärschlamms, 19 % (1998) auf 52 % (2008) für gesamt Deutschland 6

7 7Min. f. Umwelt, Klima und Energiewirtschaft, Baden-Württemberg, Abfallbilanz (2010) Klärschlamm in der Landwirtschaft? Baden-Württemberg: Klärschlammverwertung Situation in Bundesländern differenziert; z. B. Klärschlammverwertung in Baden-Württemberg in 2010 ca. 3 % landwirtschaftlich, ca. 90 % thermisch

8 Das Stuttgarter Verfahren zur Phosphorrückgewinnung Ausstieg aus der landwirtschaftlichen Klärschlammausbringung Alternativen zur Rückgewinnung der in Klärschlamm enthaltenen Nährstoffe müssen der Landwirtschaft angeboten werden Verschiedene Forschungsprojekte (v. a. Deutschland, Japan) untersuchen derzeit die Phosphorrückgewinnung aus Klärschlamm Verwendung des enthaltenen Phosphors als Sekundärrohstoffdünger oder als Rohstoff für die Phosphatindustrie Entwicklung des Stuttgarter Verfahrens zur Phosphorrückgewinnung aus anaerob stabilisierten Klärschlämmen als Magnesium-Ammonium-Phosphat (MAP = MgNH 4 PO 4 ) Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft (ISWA) der Universität Stuttgart in Zusammenarbeit mit dem IB iat-ingenieurberatung (Stuttgart) 8

9 Das Stuttgarter Verfahren zur Phosphorrückgewinnung Entwicklung des Stuttgarter Verfahrens Erprobung des Verfahrens im Labormaßstab 2003 / 2004 Umsetzung in einer halbtechnischen Versuchsanlage (Reaktorvolumen ca. 1 m³) mit Nachweis des stabilen Betriebs Gesamtwirkungsgrad der Phosphorrückgewinnung ca. 60 % (bezogen auf die zugeführte Phosphorfracht) Kennzeichen des Stuttgarter Verfahrens Verwendung von kommunalem Klärschlamm von Kläranlagen mit simultaner Phosphatelimination (Fällmittel Eisensalze) zur P-Rückgewinnung keine Verfahrensumstellung seitens der Abwasserreinigung erforderlich, z. B. auf vermehrte biologische P-Elimination (Bio-P) Verwendungsmöglichkeit des Produktes MAP direkt als Mehrwert-Dünger in der Landwirtschaft 9

10 Verfahrensschema Das Stuttgarter Verfahren zur Phosphorrückgewinnung Rücklösung Fest-/Flüssig- Trennung Komplexierung MAP-Fällung Neutralisation Kristallisation Sedimentation des MAP Faulschlamm H 2 SO 4 Zitronensäure MgO NaOH Filtrat Filterkuchen MAP 10

11 Das Stuttgarter Verfahren zur Phosphorrückgewinnung Verwendung des erzeugten Produktes MAP als Düngemittel nach der novellierten Düngemittelverordnung (DüMV vom ) Fällen mineralischer Phosphate als Hauptbestandteil von Düngemitteln dürfen als Sekundärrohstoffe ausdrücklich zum Einsatz kommen Schwermetallgehalte in MAP im Vergleich mit Gehalten durchschnittlicher N/P-Dünger und mit Grenzwerten nach DüMV Cd: 50mg/kg P 2 O 5 11

12 Großtechnische Umsetzung des Stuttgarter Verfahrens in einer Pilotanlage Voruntersuchungen Versuche im halbtechnischen Maßstab zur Rücklösung und Fest-/Flüssig- Trennung durchgeführt im Labormaßstab wurden umfangreiche Versuche zur Komplexierung, Neutralisation und Fällung durchgeführt (u. a. mikroskopische Untersuchung) 12

13 Großtechnische Umsetzung des Stuttgarter Verfahrens in einer Pilotanlage Voruntersuchungen, Beispiel Fällmittel Kristallbildung mit Magnesiumchlorid Kristallbildung mit Magnesiumoxid 13

14 Großtechnische Umsetzung des Stuttgarter Verfahrens in einer Pilotanlage Projektpartner Abwasserzweckverband Raum Offenburg IB iat Ingenieurberatung für Abwassertechnik GmbH Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft der Universität Stuttgart Standort der MAP-Pilotanlage Verbandskläranlage des Abwasserzweckverbands Raum Offenburg Ausbaugröße der Verbandskläranlage ca EW (angeschlossen ca EW) Phosphorelimination auf der Kläranlage mittels Eisensalzen Dimensionierung der MAP-Pilotanlage entsprechend einem Teilstrom zu behandelndem Klärschlamm von ca EW (entsprechend 5 % der EW ang ) 14

15 Großtechnische Umsetzung des Stuttgarter Verfahrens in einer Pilotanlage Aufbau und Funktionsweise der MAP-Pilotanlage chargenweiser Betrieb der Anlage (Chargenvolumen ca. 12 m³ Faulschlamm) im Chargenbehälter 1 wird die Rücklösung (bis ph 3) des Faulschlamms durchgeführt (Zugabe der Schwefelsäure erfolgt gleichzeitig mit der Faulschlammbeschickung) in der Kammerfilterpresse erfolgt die Fest-/Flüssig-Trennung des zuvor rückgelösten Faulschlamms (Konditionierung des Faulschlamms mit Polymer in der Beschickungsleitung) im Chargenbehälter 2 werden die Komplexierung (Zitronensäure), die Fällmittelzugabe (Magnesiumoxid), die Neutralisation (bis ph 8,5; Natronlauge) und die MAP-Fällung im Faulschlammfiltrat durchgeführt im Absetz- bzw. Kristallisationsbecken wird oberflächennah der Filtratüberstand abgezogen und damit das Becken in einer Aufwärtsströmung wieder beschickt (Begünstigung von Nachfällungen und Kristallwachstum des MAP); MAP-Abzug 15

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17 MAP-Abzug aus Sedimentationsstufe, teilgetrocknet

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19 Großtechnische Umsetzung des Stuttgarter Verfahrens in einer Pilotanlage Aufbau und Funktionsweise der MAP-Pilotanlage Installation der Anlage in einem Gebäude auf der Verbandskläranlage Offenburg (ehemals zur Faulschlammtrocknung verwendet) 19

20 Großtechnische Umsetzung des Stuttgarter Verfahrens in einer Pilotanlage Aufbau und Funktionsweise der MAP-Pilotanlage Anlage besteht aus zwei Chargenbehältern (Füllvolumen jeweils 12 m³), einem Absetz- bzw. Kristallisationsbecken (Füllvolumen 12 m³) und einer Kammerfilterpresse mit Filtratsammelbehälter (Füllvolumen 2 m³) Vorratsbehälter NaOH Sedimentations-/ Kristallisationsbecken Vorratsbehälter Zitronensäure Chargenbehälter 1 Chargenbehälter 2 20

21 Großtechnische Umsetzung des Stuttgarter Verfahrens in einer Pilotanlage Aufbau und Funktionsweise der MAP-Pilotanlage Zusätzliche Vorratsbehälter (Füllvolumen 15 m³ bzw. 20 m³) und Dosiereinrichtungen für die Betriebsmittel 21

22 Großtechnische Umsetzung des Stuttgarter Verfahrens in einer Pilotanlage Betriebsmittel und MAP-Produktion der Pilotanlage Betriebsmittel Schwefelsäure Zitronensäure Natronlauge Magnesiumoxid 78%ig 50%ig 50%ig 92%ig Betriebsmittelverbräuche Schwefelsäure Zitronensäure Natronlauge Magnesiumoxid 8 l/m³ FS 11 l/m³ FS 7 l/m³ FS 1,5 kg/m³ FS MAP-Ertrag Ausgangsbasis 12 m³ Faulschlamm ergeben 10 m³ Faulschlammfiltrat Faulschlammfiltrat hat vor Fällung 900 mg/l PO 4 -P; nach Fällung noch 100 mg/l PO 4 -P Ausbeute (trocken) ca. 63 kg MAP-hexahydrat; ca. 40 kg als MAP-monohydrat 1 EW liefert täglich ca. 5 g MAP-monohydrat 22

23 Großtechnische Umsetzung des Stuttgarter Verfahrens in einer Pilotanlage Betriebsweise der MAP-Pilotanlage Betrieb der MAP-Pilotanlage im November jeweils mit einer Charge wöchentlich und Analyse, Auswertung und Optimierung aller Stoffströme im Dezember erfolgt ein Betrieb der Anlage mit einer Charge täglich im wöchentlichen Wechsel mit einer Betriebspause zur weiteren Auswertung und Optimierung Anfang Januar beginnt der reguläre Betrieb der Anlage (täglich eine Charge) 23

24 Projektziele der großtechnischen Umsetzung des Stuttgarter Verfahrens Upscaling des Stuttgarter Verfahrens durch Planung, Bau und Betrieb einer großtechnischen MAP-Versuchsanlage Übertragbarkeit der Erfahrungen aus dem Labor- und Technikumsmaßstab auf die Großtechnik bei der Planung der Pilotanlage Einfahrbetrieb der Pilotanlage verfahrenstechnischen Betriebsoptimierung, ggf. durch begleitende Versuche im Labor- und Halbtechnikmaßstab 24

25 Projektziele der großtechnischen Umsetzung des Stuttgarter Verfahrens Bewertung und Optimierung der Praxistauglichkeit der Großtechnik unter besonderer Berücksichtigung der Auswirkungen auf den Kläranlagenbetrieb Prozessstabilität und zeitliche Verfügbarkeit des Verfahrens Integration der Pilotanlage in die Kläranlagenbetriebsroutine Optimierungsmöglichkeiten der Steuer- und Betriebsparameter der Pilotanlage Handling des Produktes MAP (Förder- und Pumptechnik, Trocknung) Phosphor-Stoffstrombilanzen im Abwasser- und Schlammstrom Schwermetall-Stoffstrombilanzen (Gehalte im ausgefaulten und eingedickten Schlamm, im Schlammwasser vor der MAP-Fällung, im MAP, im Ablauf der MAP-Fällung, Aufkonzentration durch Rückführung des MAP-Sedimentations- Überstands in die KA) 25

26 Projektziele der großtechnischen Umsetzung des Stuttgarter Verfahrens Bewertung und Optimierung der Praxistauglichkeit der Großtechnik unter besonderer Berücksichtigung der Auswirkungen auf den Kläranlagenbetrieb Fällmittel- und ggf. Energieeinsparungen - Fällmittelrecycling durch Nutzung der in der flüssigen Phase (Überstand Sedimentation) in hohen Konzentrationen vorliegenden Metalle, z. B. Fe oder Ca - Verminderung der Rückbelastung der Kläranlage durch entnommenes Ammonium Ableitung von grundsätzlichen Bemessungsansätzen für das Stuttgarter Verfahren in der Großtechnik durch detaillierte Auswertung der Betriebsergebnisse Akzeptanzerhöhung der Phosphorrückgewinnung bei Kläranlagenbetreibern durch Demonstrationsanlage Gewinnung ausreichender MAP-Mengen für einen modellhaften Einsatz des Produkts 26

27 Projektziele der großtechnischen Umsetzung des Stuttgarter Verfahrens Untersuchung der Qualitätsaspekte des Produkts MAP Reinheit des MAP durch chemische Analyse (Elementaranalyse, ICP-OES, GC- MS- und HPLC-Screening) und Röntgenstrukturanalyse - Hauptinhaltsstoffe: Phosphor, Stickstoff, Magnesium - Begleitstoffe: u. a. Kohlenstoff, Polyacrylate aus der Schlammkonditionierung - Stör- und Schadstoffe (Schwermetalle, organische Mikroschadstoffe, u. a. PFT, endokrin wirksame Substanzen) Einschätzung der Verwertungs- und Vermarktungsmöglichkeiten des mit der Pilotanlage erzeugten MAP 27

28 Projektziele der großtechnischen Umsetzung des Stuttgarter Verfahrens Betrachtung der Wirtschaftlichkeit der Pilotanlage unter Einbeziehung des Kläranlagenbetriebs generelle Wirtschaftlichkeitsbetrachtung der Pilotanlage und Ermittlung der maßgeblichen, die Effizienz beeinflussenden Kostenfaktoren - spezifische Investitionskosten für die MAP-Anlage inkl. Peripherie - spezifische Betriebskosten der Anlage (Betriebsmittel (Chemikalien), Energieeinsparung oder Energiemehrverbrauch durch die MAP-Anlage) - personeller Betreuungsaufwand (zusätzliche Personalkosten) für den/die MAP-Anlagenbetrieb/-wartung - benefit möglicher Synergieeffekte - erzielbare Marktpreise für gewonnenes MAP 28

29 Großtechnische Umsetzung des Stuttgarter Verfahrens in einer Pilotanlage Feierliche Einweihung der MAPPilotanlage in Offenburg am

30 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Besonderer Dank an: Ministerium für Umwelt, Klima und Energiewirtschaft des Landes Baden-Württemberg Herrn Ministerialrat R. Wizgall, Herrn Dr. M. Kaimer Abwasserzweckverband Raum Offenburg, Herrn Dipl.-Ing. R.-E. Mohn IB iat - Ingenieurberatung für Abwassertechnik GmbH, Frau Dipl.-Ing. A. Rieger und Herrn Dr.-Ing. W. Maier