Klärschlammbehandlung und beseitigung

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1 Platzhalter für Bild, Bild auf Titelfolie hinter das Logo einsetzen Klärschlammbehandlung und beseitigung Stoffstrom- und Massenbilanzen Prof. Dr.-Ing. N. Dichtl WS 2014/15

2 Ziele der Stoffstrom- und Massenbilanzen Bestimmung der Durchflussmengen (Hydraulik) Spezifischen Faulgasproduktion Feststoffreduktion Abbaugrad der organischen Feststoffmasse Klärschlammmenge nach Entwässerung Rückbelastung der Kläranlage durch abgetrenntes Schlammwasser aus der Entwässerung Prof. Dr.-Ing. N. Dichtl Massenbilanzen WS 2013/14 Folie 2

3 Ziele der Stoffstrom- und Massenbilanzen Plausibilitätsprüfungen anhand der Bilanzierung der Frachten von Kohlenstoff Chemischer Sauerstoffbedarf Stickstoff Phosphor Identifikation von falschen Messwerten aus Labormessung Beprobung Prof. Dr.-Ing. N. Dichtl Massenbilanzen WS 2013/14 Folie 3

4 Probleme bei der Durchflussmessung Klärschlamm ist eine Suspension aus Wasser, organischen und anorganischen Feststoffen, Öl und Fett Klärschlamm beinhaltet Gas produziert unter anaeroben Bedingungen Faulgas (auch in Rohrleitungen) beinhaltet gelöste Gase, die bei Druckänderung ausgestrippt werden Klärschlamm erschwert die direkte Messung mit Fühlern und Sonden durch Ablagerungen, Fouling, Verzopfungen Inkrustation durch spontane MAP-Bildung Prof. Dr.-Ing. N. Dichtl Massenbilanzen WS 2013/14 Folie 4

5 Hydraulische Bilanzierung Grundgleichung: Q input = Q output Faulbehälter funktionieren nach dem Verdrängungsprinzip Temperaturdifferenz ca. 25 K führt zu Dichteunterschieden Wasserdampf im Faulgas Abzug von Brüden bei Thermodruckhydrolyse Prof. Dr.-Ing. N. Dichtl Massenbilanzen WS 2013/14 Folie 5

6 Anaerobe Abbauversuche im Pilotmaßstab Scheibenrührer Gasmessung Zulauf Ablauf Druckstutzen mit Entlüftungsschlauch Grundablass Prof. Dr.-Ing. N. Dichtl Massenbilanzen WS 2013/14 Folie 6

7 Pilot scale reactors Reactor 1: PS + ES Reactor 3: PS + ES + Topi Reactor volume: 25,2 L biogas In-/Output streams: 1,2 kg/d HRT = 21,0 d Primary sludge (50% TS) Raw sludge Q infl = 1,2 kg/d sludge digestion digested sludge Q effl = 1,2 kg/d Excess sludge (50%TS) Co-substrate (10% TS) (Topinambur ensiled) Prof. Dr.-Ing. N. Dichtl Massenbilanzen WS 2013/14 Folie 7

8 otr-bilanz- Abbaugrad des organischen Trockenrückstandes Beispiel: Reaktorinhalt: Bilanzbeginn: 24 L Rohschlamm: TR RS = 50,94 g/l; GV RS = 82,78% Faulschlamm: TR FS = 23,70 g/l; GV FS =67,70% Frachten: Zulaufmasse: 1,673 kg otr Ablauf: Bilanzende: 0,784 kg otr Rohschlamm: TR RS = 41,61 g/l; GV FS =83,38% Faulschlamm: TR FS = 23,07 g/l; GV FS =70,18% Prof. Dr.-Ing. N. Dichtl Massenbilanzen WS 2013/14 Folie 8

9 otr-bilanz- Abbaugrad des organischen Trockenrückstandes cumulative mass balance [g] 1,8 1,6 1,4 1,2 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 0,0 Reactor 1: PS + ES VS_influent VS_effluent mass balance: VS_inf= 1,673 kg VS_eff= 0,784 kg reactor content: start = 0,385 kg end = 0,389 kg VS-degradation = 53,27 % Prof. Dr.-Ing. N. Dichtl Massenbilanzen WS 2013/14 Folie 9

10 Feststoffmassenbilanzen reactors HRT Q inf = Q eff volumetric loading VSdegradation TSreduction IMP- I 39d ( ) [d] [kg/d] [g VS/L*d] [%] [%] R1: PS+ES % 44% R2: PS+ES 160 C (LD) % 51% R3: PS+ES+GS % 45% R4: PS+(ES+GS) 160 C % 48% IMP-II 32d ( ) [d] [kg/d] [g VS/L*d] [%] [%] R1: PS+ES % 46% R3: PS+ES+Topi % 43% R2: PS+ES (DLD- I) % 41% R4: DS 160 C (DLD- II) % 43% DLD % 66% Prof. Dr.-Ing. N. Dichtl Massenbilanzen WS 2013/14 Folie 10

11 Overview: Lab-scale reactor system DLD Reactor 2 (DLD I): PS + ES Reactor volume: 30 L In-/Output streams: 2,5 kg/d HRT = 12 d Reactor 4 (DLD II): DS 160 C Reactor volume: 18 L In-/Output streams: 2,0 kg/d HRT = 9 d biogas biogas Raw sludge: PS (50%TS) ES (50%TS) Q infl = 2,5 kg/d DLD - I HRT = 12d DS Q effl = 2,5 kg/d Q infl = 2,0 kg/d Thermal Disintegration 160 C ; 6,3 bar 30 min Q infl = 2,0 kg/d Q effl = 2,0 kg/d DLD - II HRT = 9d Q analysis = 0,5 kg/d Prof. Dr.-Ing. N. Dichtl Massenbilanzen WS 2013/14 Folie 11

12 Faulversuche im Pilotmaßstab Prof. Dr.-Ing. N. Dichtl Massenbilanzen WS 2013/14 Folie 12

13 Prof. Dr.-Ing. N. Dichtl Massenbilanzen WS 2013/14 Folie 13

14 Kohlenstoffbilanz TC input = TOC reactor,start + IC reactor,start + TOC influent + IC influent TOC reactor,end IC reactor,end TC output = TOC effluent + IC effluent + TC biogas (CO 2 -C + CH 4 -C) Reactor 1: PS + ES TC_influent TC_effluent TC_ effluent+biogas cumulative mass balance [kg] 1,3 1,0 0,8 0,5 0,3 0,0 mass balance. TC_inf = 0,842 kg TC_eff+biogas = 0,940 kg reactor content: start= 0,216 kg end = 0,211 kg difference= 11,1 % Prof. Dr.-Ing. N. Dichtl Massenbilanzen WS 2013/14 Folie 14

15 Bilanzierung Chemischer Sauerstoffbedarf COD input = COD reactor,start + COD influent - COD reactor,end COD output = COD methane + COD effluent Reactor 1: PS + ES HRT=21d COD_influent COD_effluent COD effluent+methane cumulative mass balance [kg] 3,0 2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 0,0 IMP- II [d] mass balance: COD_inf = 2,408 kg COD_eff+methane = 2,580 kg reactor content: start = 0,780 kg end = 0,812 kg difference = 6,8 % Prof. Dr.-Ing. N. Dichtl Massenbilanzen WS 2013/14 Folie 15

16 Stickstoffbilanz Reactor 1: PS + ES cumulative mass balance [kg] TKN_influent TKN_effluent mass balance: TKN_inf= 133,3 g TKN_eff= 129,66 reactor content: start = 59,7 g end = 68,3 g difference = 3,9 % Prof. Dr.-Ing. N. Dichtl Massenbilanzen WS 2013/14 Folie 16

17 Phosphorbilanz Reactor 1: PS + ES 50 cumulative mass balance [kg] P_influent P_effluent mass balance: P_inf= 46,9 g P_eff= 42,9 g reactor content: start = 20,9 g end = 21,9 g difference = -6,6 % 0 Prof. Dr.-Ing. N. Dichtl Massenbilanzen WS 2013/14 Folie 17

18 Zusammenstellung der Bilanzen IMP- I COD TC TKN P R1: PS+ES 6.8% 11.4% 3.9% -6.6% R2: PS+ES 160 C (LD) 2.4% 9.9% -1.9% -6.5% R3: PS+ES+GS 11.8% 13.8% 2.2% -4.9% R4: PS+(ES+GS) 160 C 6.5% 3.2% -5.6% -3.0% IMP- II COD TC TKN P R1: PS+ES 8.6% 12.6% -3.2% -9.4% R3: PS+ES+Topi 10.3% 6.9% -1.6% -5.4% R2: PS+ES (DLD- I) 6.3% 10.4% -1.4% -3.9% R4: DS 160 C (DLD- II) 4.7% 5.2% 3.7% 1.0% Prof. Dr.-Ing. N. Dichtl Massenbilanzen WS 2013/14 Folie 18

19 Klärwerk Steinhof in Braunschweig Quelle: (Stand: ) Prof. Dr.-Ing. N. Dichtl Massenbilanzen WS 2013/14 Folie 19

20 TC Bilanz Daniel grease Q = 26 m 3 TOC+IC = 2,744 kg TOC = 100% digester gas Q = 28,471 m 3 TOC+IC = 13,736 kg (52,7%) primary sludge Q = 1,134 m 3 TOC+IC = 13,356 kg TOC = 95.2% DOC = 3.8% IC = 1 % excess sludge Q = 689 m 3 TOC+IC = 9,952 kg TOC = 99% DOC = 0.3% IC = 0.7% sludge diges tion digested sludge Q = 1,849 m 3 TOC+IC = 11,447 kg (43.9%) TOC = 90.4% DOC = 5.2% IC = 4.4% Loss TOC+IC = 869 kg (3.4%) Prof. Dr.-Ing. N. Dichtl Massenbilanzen WS 2013/14 Folie 20