Phosphatfällung mit Aluminium-Produkten Abklärungen zur Machbarkeit

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1 Kantonale Tagung für das zürcherische Klärwerkpersonal 2013 Opfikon, 18./19./20. November 2013 Phosphatfällung mit Aluminium-Produkten Abklärungen zur Machbarkeit Richard Haueter Seite 1 Warum wurde diese Thematik vom AWEL aufgegriffen? ARA im Kanton ZH erfüllen grösstenteils Einleitbedingungen für Phosphor! Kosten für Al-Fällmittel höher! Nutzen für ARA? Phosphorrecycling aus der Klärschlammasche Seite 2

2 Klärschlammverwertungsanlage Zentrale Klärschlammverwertungsanlage (KSV) ab Mitte 2015 Klärschlammasche Seite 3 Ziel: Phosphorrückgewinnung aus der Klärschlammasche (KSA) Phosphorindustrie: Substitution von Rohphosphat durch Klärschlammasche (Thermphos) Phosphorrückgewinnung: - Thermo-chemisch - Nass-chemisch < Thermphos? Seite 4

3 Fragestellungen an die Eawag Thermphos-Prozess zur direkten P-Rückgewinnung braucht eisenarme Klärschlammasche Wie stark kann Eisen reduziert werden? Gibt es betriebliche Auswirkungen für die ARA? Wie hoch sind die Zusatzkosten einer Fällmittelumstellung auf Aluminium-Produkte? Klärschlammasche Fe-Fällmittel Klärschlammasche Al-Fällmittel Seite 5 Eisenreduktion / Eintragspfade von Eisen Industrie / Gewerbe ARA / Fe-Fällmittel Trinkwasserverteilnetz (Korrosion) Bevölkerung Seite 6

4 Eisenreduktion / Eisengehalte Faulschlämme ARA mit P-Elimination (Fe-Fällung) Klärwerk Werdhölzli im langjährigen Mittel ca. 70 gfe/kgtr ARA Kanton Basel-Landschaft (2010/11) ca. 65 gfe/kgtr ARA ohne P-Elimination (keine Fe-Fällung) ARA Glatt (1988) ca. 15 gfe/kgtr Deutschland (1974) ca. 20 gfe/kgtr Kleine ARA Kanton ZH (2013) ca. 15 gfe/kgtr ThermPhos Zielwert: 10 gfe/kgksa bzw. 5 gfe/kgtr (50 % GR) Seite 7 Eisenreduktion / Eisengehalte Rohwasser 24h-Sammelproben Klärwerk Werdhölzli (2013) ca mgfe/l ARA Kanton Basel-Landschaft (2010/11) ca mgfe/l Daraus entsteht abgeschätzt ein Eisengehalt im Faulschlamm: spez. Abwasseranfall = 350 l/ew*d spez. Faulschlammanfall = 50 gtr/ew*d Mittlerer Eisengehalt Rohwasser = 1 mgfe/l ca. 7 gfe/kgtr ThermPhos Zielwert: 10 gfe/kgksa bzw. 5 gfe/kgtr (50 % GR) Seite 8

5 Betriebliche Auswirkungen / Abwasser Effizienz der Fe- und Al-Fällmittelsalze gleichwertig Spezifische Dichte von Aluminium geringer als Eisen Beschwerung der Flocke geringer Mol-Masse von Aluminium geringer als Eisen Fäll-Schlammproduktion geringer (bei gleichem Beta-Wert) Seite 9 Betriebliche Auswirkungen / Abwasser Toxische Wirkung von Aluminium-Fällmittel zur Bekämpfung fadenbildender Spezies (z.b. Microthrix parvicella) Seite 10

6 Betriebliche Auswirkungen / Abwasser Trübung im geklärten Abwasser durch den Einsatz von Al-Fällmittel veränderte, kleinere Flockenstruktur, Zunahme der freien Bakterien Seite 11 Betriebliche Auswirkungen / Schlammbehandlung Schwefelverbindungen (H 2 S) im Faulschlamm durch Fe gebunden ansonsten Entschwefelung zwingend erforderlich Entschwefelungsverfahren Eisenkiesfilter Aktivkohlefilter Nassentschwefelung Verunreinigungen der Fällmittel Siehe Arbeitsblatt DWA A202, 2011 (Chemisch-physikalische Verfahren zur Elimination von Phosphor aus Abwasser) Seite 12

7 Betriebliche Auswirkungen / Schlammentwässerung Schlammentwässerung Einsatz von Al-Fällmittel führt im Allgemeinen zu einem tieferen TR-Ergebnis Trockenrückstand TR % Ø rd. 28 % bis Kombiprodukt (Fe 3+ /Al 3+ ) Ø rd. 24 % Seite 13 Kosten einer Fällmittelumstellung Kostenpunkte Fällmittel Klärschlammentsorgung Individuelle Betrachtungen - Infrastrukturanpassungen - Biogasentschwefelung Zwei Fallbeispiele durchgerechnet Klärwerk Werdhölzli, Zürich ARA Hard, Winterthur Seite 14

8 Kosten einer Fällmittelumstellung / Fällmittel Verwendete Fällmittel (AWEL Rapporte, 62 ARA, Simultanfällung) Fe-III-chlorid (Fe 3+ ) Fe-III-chlorid-sulfat (Fe 3+ ) Fe-II-sulfat (Fe 2+, Grünsalz) Kombiprodukte (Fe 3+ /Al 3+ ) Seite 15 Kosten einer Fällmittelumstellung / Fällmittel Lieferanten (AWEL Rapporte, 62 ARA, Simultanfällung) Weitere Aregger Feralco Tessenderlo Seite 16

9 Kosten einer Fällmittelumstellung / Fällmittel Anfrage Marktpreise (Lastenzug 26 to) Fe 2+ ca CHF/kgFe ca CHF/mol Fe 3+ ca CHF/kgFe ca CHF/mol Al 3+ ca CHF/kgAl ca CHF/mol Seite 17 Kosten einer Fällmittelumstellung / Fällmittel Beta-Wert 1.9 im Mittel Fällung mit Fe CHF/kg Pgefällt Fällung mit Fe CHF/kg Pgefällt CHF/kg Pgefällt Fällung mit Al CHF/kg Pgefällt CHF/kg Pgefällt Seite 18

10 Kosten einer Fällmittelumstellung / Klärschlammentsorgung Abnahme Entwässerungsergebnis bis 4 % TR Zunahme entwässerter Klärschlamm t EKS/Jahr (+ 15 %) Mehr Transporte / höhere Transportkosten rund 560 Mehrfahrten Mio. CHF/Jahr Höhere Entsorgungskosten Mio. CHF/Jahr (KSV, 110 CHF pro t EKS) Seite 19 Kosten einer Fällmittelumstellung / Fallbeispiele Fallbeispiele - Klärwerk Werdhölzli, Zürich - ARA Hard, Winterthur Anpassung Infrastruktur Beide ARA fällen mit Fe 2+ (Grünsalz). Bestehende Infrastruktur kann grundsätzlich übernommen werden. Biogasentschwefelung + 2 CHF/kgP gef. Seite 20

11 Kosten einer Fällmittelumstellung / Zusammenstellung Spezifische Mehrkosten bei Al-Fällung im Mittel + ca. 10 CHF/kgP gef. (exkl. Infrastrukturanpassungen) oder Jahresbetriebskosten + ca. 5 % Fällmittel + ca. 3.0 CHF/kgP gef. KS-Transport + ca. 0.5 CHF/kgP gef. KS-Entsorgung + ca. 4.0 CHF/kgP gef. Entschwefelung* + ca. 2.0 CHF/kgP gef. Infrastruktur + nach Bedarf CHF/kgP gef. Seite 21 *Fallbeispiele Machbarkeit einer Fällmittelumstellung / Zusammenfassung Wie stark kann Eisen reduziert werden? Zielwert mit Fe-Fracht im Rohabwasser erreicht Vollständige Umstellung auf Al-Fällung nötig Gibt es betriebliche Auswirkungen für die ARA? Trennleistung Nachklärbecken Polizist für fadenförmige Bakterien fehlt Biogasaufbereitung erforderlich Schlammentwässerung anspruchsvoller Kosten Umstellung auf Aluminium-Fällung? + ca. 5 % höhere Jahresbetriebskosten Seite 22

12 Machbarkeit einer Fällmittelumstellung / Fazit Seite 23 Klärschlammverwertung (KSV): P-Rückgewinnung Nutzung des Phosphors ist technisch machbar. Von den drei untersuchten Verfahren (LEACHPHOS, ASH-DEC, Recophos) spricht für den Kanton Zürich zur Zeit keines für die sofortige Anwendung. Das nasschemische Extraktionsverfahren LEACHPHOS mit interessanten Optimierungspotentialen soll aktiv weiterentwickelt werden. Bis zur Marktreife eines Verfahrens soll die Klärschlammasche in einem Monokompartiment (Deponie) abgelagert werden. Gewächshaus-Laborversuche (Quelle: ETH Zürich) Seite 24

13 Weiterentwicklung / Optimierung von LEACHPHOS Steigerung der Qualität des Extraktionsrückstandes; Ziel: Inertstoffqualität Steigerung der Wertschöpfung des Phosphorproduktes; Ziel: DSP, TSP oder Phosphorsäure Ziel ist, dass bis Ende 2014 Resultate aus der Optimierung vorliegen. Filtration Phosphor-Produkt (Quelle: BSH) Besten Dank an alle ARA-Mitarbeiter für die Teilnahme an der Studie, für die Auskünfte zu Handen der Eawag und die Durchführung der Fallstudie. Seite 25