Phosphorrückgewinnung als Baustein einer zukunftsfähigen Klärschlammverwertung

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1 Phosphorrückgewinnung als Baustein einer zukunftsfähigen Klärschlammverwertung David Montag Institut für Siedlungswasserwirtschaft der RWTH Aachen

2 Phosphorkreisläufe Mensch Tiere Schwemmkanalisation Zahlenangaben: JAHNKE (2000) Kläranlage Waschmittelproduktion Industrie Abbau Düngung Pflanzen Verwitterung Erdkruste Tektonische Hebung Aufschmelzung 3, tp T 1 a Boden 4, tp T 10 8 a Sediment Org. Abfälle Erosion Sedimentation Klärschl. Flüsse Transport Seen, Meere 2, tp T 10-1 a

3 Notwendigkeit einer Phosphorrückgewinnung Diskussion über die landwirtschaftliche Klärschlammverwertung Einführung strengerer Grenzwerte in der Klärschlammverordnung Anteil der thermischen Klärschlammentsorgung steigend Notwendigkeit zusätzlicher phosphathaltiger Mineraldünger Erschöpfung derzeit abbauwürdiger Phosphaterzlagerstätten Phosphor als Pflanzennährstoff nicht ersetzbar Schließung des Nährstoffkreislaufes geboten

4 Phosphormengen bei der Abwasserreinigung Rückgewinnungspotential Mg P/a 75 Millionen Einwohner mit 2,0 g P/(E d) 50 Millionen Einwohnergleichwerte mit 1,0 g P/(E d) mittlere P-Elimination: 90% Erzielbare Rückgewinnungsmengen Mg P/a Einbeziehung von 80% des Potentials Wirkungsgrad der Rückgewinnungsanlagen: 80% Mittlerer Düngemittelabsatz in Deutschland Mg P/a Substitution von ca. 34% durch P-Rückgewinnung möglich

5 Phosphorrückgewinnung bei der Abwasserreinigung mögliche Einsatzstellen zur Phosphorrückgewinnung auf kommunalen Kläranlagen Sandfanggut Sandfang Vorklärbecken Belebungsbecken Nachklärbecken 2 Prozesswasser Klärgas Rücklaufschlamm Voreindicker Faulbehälter Nacheindicker Entwässerung Verbrennung 1 Ablauf der Nachklärung 3 Faulschlamm 2 Prozesswasser 4 Klärschlammasche

6 Charakterisierung der Einsatzstellen zur Phosphorrückgewinnung Einsatzstelle 1. Kläranlagenablauf 2. Schlammwasser 3. Entwässerter Faulschlamm 4. Klärschlammasche Volumen/ Massenstrom 200 l/(e d) 1 10 l/(e d) 0,15 l/(e d) 0,03 kg/(e d) Phosphor konzentration Bindungsform Rückgewinnungspotential (bezogen auf Zulauffracht der Kläranlage) maximaler Rückgewinnungsgrad < 5 mg/l gelöst max. 55 % 50 % mg/l ~ 10 g/kg FS 64 g/kg gelöst max. 50 % 45 % biologisch/ chemisch gebunden chemisch gebunden ~ 90 % 45 % ~ 90 % 80 %

7 Phosphorrückgewinnung bei der Abwasserreinigung sinnvolle Einsatzstellen zur Phosphorrückgewinnung auf kommunalen Kläranlagen Sandfanggut Sandfang Vorklärbecken Belebungsbecken Nachklärbecken 2 Prozesswasser Klärgas Rücklaufschlamm Voreindicker Faulbehälter Nacheindicker Entwässerung Verbrennung 1 Ablauf der Nachklärung 3 Faulschlamm 2 Prozesswasser 4 Klärschlammasche

8 Technologien zur Phosphorrückgewinnung bei der kommunalen Abwasserbehandlung Abwasser Adsorptionsverfahren Kristallisationsverfahren (Crystalactor ) Magnetseparator Nachfällung/ Flockungsfiltration RIM NUT Ionentauscher Klärschlamm/ Schlammwasser Aqua Reci Prozess CAMBI-Prozess mit basischer P-Extraktion Klärschlammbehandlung im Eisenbad mit P-Rückgewinnung Kristallisationsverfahren (Crystalactor ) LOPROX-Prozess mit P-Rückgewinnung durch Nanofiltration Stuttgarter Verfahren Phostrip-Verfahren PRISA-Verfahren P-RoC-Verfahren Seaborne-Verfahren Thermische Hydrolyse von Klärschlamm (KREPRO-Prozess) Klärschlammasche BioCon-Verfahren SUSAN-Verfahren RüPA- bzw. PASCH-Verfahren SEPHOS-Verfahren

9 Einsatzstelle 2 zur Implementierung von Verfahren zur P-Rückgewinnung Betrieb einer dezentralen Anlage zur Phosphorrückgewinnung Stoffstrom: Schlammwässer Konzentration: relativ hoch Konzentrationserhöhung durch gezielte Betriebsführung möglich Bindungsform: P in gelöster Form Verfahrenstechnische Einbindung: einfach integrierbare Anlagentechnik Realisierungszeitraum: kurzfristig, da direkte Umsetzung

10 Verfahrensschema des PRISA-Verfahrens

11 Phosphatrücklösung: Empfehlungen für eine optimale Betriebsweise Einstellen der Aufenthaltszeit im Eindicker auf 3 Tage täglich (ein- bis) zweimaliges Durchmischen ggf. Zugabe geringer Mengen (ca. 10%) vorgeklärten Abwassers 22% Phosphatrücklösung aus Überschussschlamm im Voreindicker (Referenz ca. 3,5%) Phosphatkonzentration: 80 bis 110 mg PO 4 -P/l (Referenz 20 bis 25 mg PO 4 -P/l)

12 MAP-Kristallisation: Empfehlungen für eine optimale Betriebsweise 90% Phosphatkristallisationswirkungsgrad stabil erreichbar bei ph-wert ca. 9,5 N:P-Verhältnis 6,0:1,0 Mg:P-Verhältnis 1,5:1,0 technisches MgO einsetzbar Rückgewinnung von 0,6 g P/(E d) bzw. 31% des Zulaufs

13 Schadstoffbelastung des Sekundärphosphates: phosphorspezifische Schwermetallgehalte Metallgehalt [mg/kg P] Pb Cd Cr Cu Ni Zn Hg MAP arithmetisches Mittel Klärschlamm NPK-Dünger 15/15/15 Quelle: Klärschlamm und NPK-Dünger: BANNICK et al., 2001

14 Schadstoffbelastung des Sekundärphosphates: Grenzwertbetrachtung Schwermetalle Metallgehalt [mg/kg TS] Pb Cd Cr Cu Ni Zn Hg MAP arithmetisches Mittel Grenzwert AbfKlärV Grenzwert DüMV

15 Betriebskonzept und Wirtschaftlichkeitsbetrachtung Auslegungsdaten Anschlussgröße: E P-Fracht: 2 g P/(E d) Rückgewinnungsgrad: 30% des Zulaufs Menge recycelter Phosphor: kg P/a Betriebswirtschaftliche Daten Zinssatz: 4% Abschreibungszeiträume Bautechnik: 30 Jahre Maschinentechnik: 12,5 Jahre EMSR-Technik: 10 Jahre Erlöse: /Mg P

16 Verfahrenstechnische Umsetzung PRISA ÜSS Voreindicker Befüllung Rücklösung Trommelfilter Schlammwasser: Nacheindicker Faulschlammentwässerung Misch-, Kristallisations- und Sedimentationsbehälter NaOH NaOH MgO MgO Beutelfilteranlage MAP Rücklauf zur Kläranlage Entleerung weitere Schlammbehandlung

17 Grenzen der Kostenermittlung Legende VE = Voreindicker, F = Filter, BF = Beutelfilter, MKSB = Misch-, Kristallisations- und Sedimentationsbehälter

18 Ergebnisse der Kostenermittlung für das PRISA-Verfahren Szenario 1 Szenario 2 Kapitalkosten /a /a Betriebskosten /a /a Jahreskosten /a /a Erlöse /a /a produktspezifische Kosten 7,32 /kg P 0,92 /kg MAP 6,12 /kg P 0,77 /kg MAP einwohnerspezifische Kosten 1,60 /(E a) 1,34 /(E a) Erhöhung der Abwasserbehandlungskosten um ca. 4 ct/m³

19 Einsatzstelle 4 zur Implementierung von Verfahren zur P-Rückgewinnung Rückgewinnung eines hohen Anteils der Phosphate im kommunalen Abwasser Stoffstrom: Klärschlammasche Konzentration: hoch Bindungsform: P in gebundener Form (ungünstig) chemische Rücklösung erforderlich nur bei Monoverbrennungsanlagen Verfahrenstechnische Einbindung: aufwendige Technik große zentrale Anlagen (z.b. Standort Monoverbrennungen) Realisierungszeitraum: mittelfristig, keine direkte Umsetzung möglich, da Neubau von zentralen Anlagen

20 Stoffstrom Klärschlammasche Voraussetzung: Monoverbrennung Klärschlammanfall in 2004: 2,26 Mio. Mg TS Klärschlammasche durchschnittlicher Glührückstand in Klärschlamm: 52% Phosphoranteil in Aschen aus Monoverbrennungsanlagen: 6,2% Rückgewinnungsquote: 90% Klärschlammmonoverbrennung (Stand 2004) Klärschlammmenge zur Monoverbrennung rückgewinnbare Phosphormenge Substitutionspotential* [Mg TS/ a] [Mg P/ a] [%] % Auslastung der vorhandenen Klärschlammmonoverbrennungsanlagen Monoverbrennung von 85 % des Klärschlammanfalls in Deutschland * bezogen auf Inlandsabsatz von Phosphatdüngemitteln im Wirtschaftsjahr 2005/2006

21 PASCH-Verfahren des Umwelt-Forums der RWTH Aachen Kostenschätzung: 5,30 /kg P bzw. 2,80 /(E a)

22 Umsetzbarkeit der Phosphorrückgewinnung grundsätzlich gut umsetzbar hinsichtlich Verfahrenstechnik Produktqualität Schwermetalle Organische Schadstoffe Voraussetzung für wirtschaftlichen Anlagenbetrieb Kläranlagen > E (ca. 65 Mg P/a, 180 kg P/d) > Mg Asche/a (ca Mg P/a, kg P/d)

23 Zukunft der Phosphorrückgewinnung Abhängigkeit der Phosphorrückgewinnung von der Zukunft der Klärschlammentsorgung Zukünftige Mono-Verbrennung eines Großteils der Klärschlämme? Ja Nein Möglichkeit der semi-zentralen Errichtung von Rückgewinnungsanlagen im Verbund mit Monoverbrennungsanlagen sinnvollster Weg für kommunale Kläranlagen: Rückgewinnung aus den Schlammwässern Voraussetzung für große Potentiale bei der Rückgewinnung aus Schlammwässern: vermehrte biologische Phosphorelimination

24 Zusammenfassung Phosphorrückgewinnung als Baustein zukunftsfähiger Klärschlammentsorgung Beitrag zur Schonung der Phosphaterzlagerstätten Techniken zur Phosphorrückgewinnung zumeist noch im Entwicklungsstadium PRISA-Verfahren geeignet zur nachträglichen Integration in kommunale Kläranlagen Rückgewinnung von 30% des Phosphorzulaufs zur Kläranlage als schadstoffarmer Mehrnährstoffdünger Mehrkosten für die Abwasserbehandlung von ca. 4 ct/m³ bzw. 1,50 /(E a) PASCH-Verfahren nach Klärschlammverbrennung Rückgewinnung von 80% des Phosphorzulaufs zur Kläranlage Kosten von ca. 2,80 /(E a)