Niederschlagswasserbehandlung auf Biogasanlagen. Referentin: Dr.-Ing. Sarah Gehrig

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1 Niederschlagswasserbehandlung auf Biogasanlagen Referentin: Dr.-Ing. Sarah Gehrig

2 Vita Dr. Sarah Gehrig» Ausbildung Umwelttechnischer Assistent, Dipl.-Wirtschaftsingenieur (FH), Dr.-Ing. Verfahrenstechnik» Tätigkeit seit 1997 Beratung Umwelttechnik, Umwelt- und Qualitätsmanagement (früher überwiegend Automobil, Stahl, Chemie,.)» Qualifikationen öffentlich bestellte und vereidigte Sachverständige für Verfahrenstechnik und Wirtschaftlichkeit von Biogasanlagen, Umwelt-, Abfall-, Immissionsschutz-, Gewässerschutzbeauftragter, Umweltbetriebsprüfer, Interner Auditor TS 16949, QM-Auditor» Ehrenamt seit 2009 Präsidiumsmitglied im Fachverband Biogas, Leitung und Mitarbeit in div. Arbeitskreisen und Beiräten (Finanziererbeirat, AK Genehmigung, AK Sicherheit, AK Direktvermarktung, ) seit 2012 AG Techn. Sicherheitsmanagement (TSM) im DVGW seit 2012 VDI Richtlinienkommission Betriebssicherheitsmanagement

3 Themen» Ausgangssituation» Gesetzliche Vorgaben» Behandlungsverfahren» Fazit

4 Ausgangssituation» WHG 54 Abs. 1 Abwasser ist».das durch häuslichen, gewerblichen, landwirtschaftlichen oder sonstigen Gebrauch in seinen Eigenschaften veränderte Wasser und das bei Trockenwetter damit zusammen abfließende Wasser (Schmutzwasser) sowie» das von Niederschlägen aus dem Bereich von bebauten oder befestigten Flächen gesammelt abfließende Wasser (Niederschlagswasser)» Oberflächen-/ Niederschlagswasser» Entsteht z.b. auf den (versiegelten) Flächen einer BGA» Anfallende Menge ist von der lokalen Niederschlagsmenge abhängig ( mm/m²)

5 Niederschlagsmenge» Größe der Anlage ist entscheidend» 500 kw el BGA: ca m² versiegelte Fläche» kw el BGA: über m² versiegelte Fläche» Oberflächenwasserverdunstung: ca %,» Pufferspeicher für Starkregenereignisse bzw. mehrfache Niederschläge ausreichend dimensionieren! Tab.: Durchschnittliche Niederschlagsmengen für 2016 (nach 30 % Verdunstung) Jährlicher Niederschlag / Fläche 500 L/m² (S-A) 645 L/m² (Nds.) 755 L/m² (NRW) 965 L/m² (B-W) m² m³ m³ m³ m³ m² m³ m³ m³ m³ m² m³ m³ m³ m³ m² m³ m³ m³ m³

6 Belastetes und unbelastetes Wasser» Unbelastetes Niederschlags-/Oberflächenwasser» Wasser von Dachflächen, nicht verschmutzten Hofflächen, etc.» Belastetes Niederschlags-/Oberflächenwasser» Stammt von mit Silageresten oder Gär- und Sickersäften verschmutzten Flächen (z.b. geöffnetes Fahrsilo, Anlieferflächen, etc.)» Darf nicht ins Grundwasser oder Oberflächenwasser eingeleitet werden» Belastung liegt in der Regel zwischen 300 bis mg/l CSB (chemischer Sauerstoffbedarf), kann aber vereinzelt auch deutlich höher ausfallen (> mg/l)

7 Gesetzliche Bestimmungen» 12 WHG Voraussetzungen für die Erteilung der Erlaubnis und der Bewilligung, Bewirtschaftungsermessen (Einleitung)» (1) Die Erlaubnis und die Bewilligung sind zu versagen, wenn» 1. schädliche, auch durch Nebenbestimmungen nicht vermeidbare oder nicht ausgleichbare Gewässerveränderungen zu erwarten sind oder» 2. andere Anforderungen nach öffentlich rechtlichen Vorschriften nicht erfüllt werden» (2) Im Übrigen steht die Erteilung der Erlaubnis und der Bewilligung im pflichtgemäßen Ermessen (Bewirtschaftungsermessen) der zuständigen Behörde.» Versickerung gilt als Gewässerbenutzung, es wird daher eine wasserrechtliche Erlaubnis benötigt» Mit entsprechenden Aufreinigungsverfahren kann die Entsorgung über Versickerung, Verregnung oder Einleiten in den Vorfluter stattfinden» Die Einleitegrenzwerte werden von den Landkreisen festgelegt

8 Gesetzliche Bestimmungen - Konsequenzen» Nach 324 Strafgesetzbuch kann ein Landwirt sich wegen Gewässerverunreinigung strafbar machen. Das Bußgeld aufgrund einer Ordnungswidrigkeit bleibt davon unberührt und kann ebenfalls erhoben werden» Gewässerverunreinigung» (1) Wer unbefugt ein Gewässer verunreinigt oder sonst dessen Eigenschaften nachteilig verändert, wird mit Freiheitsstrafe bis zu fünf Jahren oder mit Geldstrafe bestraft» (2) Der Versuch ist strafbar» (3) Handelt der Täter fahrlässig, so ist die Strafe Freiheitsstrafe bis zu drei Jahren oder Geldstrafe

9 Behandlungsverfahren» Die Angaben für die verschiedenen Behandlungsverfahren stammen von den Herstellern» In der Reihenfolge und Ausführung der Beschreibungen liegt keine Wertung» Die Darstellung ist nicht abschließend» Betrachtete Behandlungsverfahren:» Ausbringung auf landwirtschaftliche Flächen» Einleiten in die Kanalisation» Pflanzenkläranlage» Aerobe Behandlung» Kombination aus aerober und anaerober Behandlung» Thermische Behandlung

10 Ausbringung/Verregnung auf landwirtschaftliche Flächen» Ausbringung auf landwirtschaftliche Flächen als Düngung entsprechend der guten fachlichen Praxis» Lagerung im Gärrestlager» Vorteil:» Keine Investitionskosten (nur, wenn das Gärrestlager groß genug ist)» Nachteile:» Benötigt entsprechende Flächengrößen» Eingeschränkte Ausbringungszeiten» Lagerkapazität für 6 (9) Monate (DüngeV)» Vglw. hohe Transportkosten je nach Entfernung zu den Ausbringflächen» Transportwürdigkeit des Gärrestes sinkt durch die Verdünnung

11 » Ausbringung auf landwirtschaftliche Flächen II

12 Einleiten in die Kanalisation» Indirekteinleitung in Schmutzwasserkanal» Kosten im LK Diepholz durchschnittlich 2,67 /m³» Bei m³ = » Informieren, ob CSB-Grenzwerte vom Klärwerk vorgegeben werden» Vorteil: vergleichsweise geringe Investitionskosten» Nachteil: Infrastruktur muss vorhanden sein, hohe Betriebskosten Gemeinde/Stadt Gebühren pro Kubikmeter Stadt Sulingen 2,24 Schwaförden 3,12 Kirchdorf 3,00 SG Rehden 2,20 Wagenfeld 2,70 Barnstof 3,36 Diepholz 2,20 Twistringen 2,06 Bassum 2,76 Syke 2,72 Siedenburg 2,60 Lembruch 3,05

13 Pflanzenkläranlage/Retentionsbodenfilter» Mehrstufiges Aufreinigungsverfahren durch Absetzungsprozesse und Mikroorganismen: 1. Sedimentations- bzw. Retentionsteich 2. In der ersten Stufe Vertikalbodenfilter durch aerobe Mikroben 3. Falls erforderlich in der zweiten Stufe durch anaerobe Mikroben (Horizontalbodenfilter) 4. Biol. Selbstreinigung im aufnehmenden Fließgewässer oder in der Versickerungsmulde (erneute Passage durch einen mikrobiell, physikalisch und chemisch wirksamen Oberboden)» Durchschnittlich 50 cm tiefes Becken mit Sumpfpflanzen» Natürlich gewachsener Boden oder durch Mischung hergestelltes Füllsubstrat (i.d.r. Sand)» Reinigungsleistung auf CSB < 150 mg/l ist theoretisch möglich, wird aber nicht immer erreicht» Kosten von ca /m² (keine Herstellerangabe!)» Vorteil: sehr geringer Energiebedarf; geringer Wartungsaufwand; Hohe Betriebsdauer (> 30 Jahre)» Nachteil: hoher Flächenverbrauch; keine gesicherte Nährstoffentfernung im Winter

14 Pflanzenkläranlage Teich-Bodenfilterkaskade für m² zu entwässernde Fläche:» Absetzteich: 336 m²» Pufferteich: 441 m²» Vertikal durchströmter schilfbepflanzter Bodenfilter: m²» Horizontal durchströmter schilfbepflanzter Bodenfilter: 500 m²» Ausbringungsfläche (Wiese) für gereinigtes Abwasser: m²» Summe m²

15 Pflanzenkläranlage/Retentionsbodenfilter Quelle: Rhizotech - Ingenieurbüro Blumberg

16 Thermische Behandlungsverfahren TerraOrganic» Kombiniert thermische und biologische Verfahren» Containerbauweise (40 Container; modular erweiterbar)» Oberflächenwasser wird zum Großteil verdunstet» Kondensat mit Rest CSB Anteil wird biologisch nachbehandelt, weist anschließend CSB Werte < 100 mg/l (Herstellergarantie) auf und kann in den Vorfluter eingeleitet werden» Bioreaktor wird über Abwärme beheizt» Konzentrat kann über BGA verwertet werden» Leistung: ca m³/a (abhängig von der Konzentration)» Je nach Sachlage 1 - max. 9 Gewinn pro m³ Oberflächenwasser (abhängig von Lager- Ausbringungskosten) durch KWK Bonus und Einsparungen ggü. Ausbringung» Amortisation ca. 10 Jahre» Vorteile: KWK-Bonus möglich (120kW th), unabhängig vom Verschmutzungsgrad des Wassers, Herstellergarantie bei Aufbereitung» Nachteile: Hoher thermischer Energieaufwand, benötigt entsprechendes Wärmekonzept, Wirtschaftlichkeit stark vom KWK-Bonus abhängig, Schlamm und Konzentrat muss über die BGA entsorgt werden (60 m³/a), hohe Investitionskosten

17 TerraOrganic» Mindestauslaufwerte des Wassers in den Vorfluter» CSB < 100 mg/l» NH4-N < 10 mg/l» Nges < 20 mg/l» Pges < 2 mg/l» ph >6,5 Quelle: TerraWater GmbH

18 (Tauch-) Belüfter Verfahren» Durch Belüftungstechnik (z.b. Tauchbelüfter) aerober Abbau der organischen Bestandteile durch SBR Verfahren (sequentiell beschickter Reaktor)» Einsatz in bestehenden Becken (Erd-, Beton- oder Stahlbecken)» Reduzierung von CSB- und BSB-Anteil im belasteten Wasser» Zeitliche Trennung ersetzt räumliche Trennung der Reinigungs- und Nachklärungsphase» Durch Stoffwechselaktivitäten von Mikroorganismen im Belebtschlamm Abbau der Organik» Die so entstehenden Schlammstoffe setzen sich ab, das gereinigte Abwasser verbleibt in einer oberen Schicht» Durch Überschuss-Schlamm-Entnahme wird der gebundene Rest-N und Kohlenstoff entfernt» Durch Nitrifikation und Denitrifikation wird der Stickstoff abgebaut» Durch Eisenschlämme kann/muss zudem Phosphor abgebaut werden» Das gereinigte Wasser kann anschließend versickert, verregnet oder eingeleitet werden» Keine relevante Geruchsbelastung

19 (Tauch-) Belüfter Verfahren» Auf Grund der sehr großen Mengen-, Fracht-, Temperatur- und ph-wertschwankungen wird die Biologie auf mindestens 25 Tage ausgelegt, um eine stabile Nitri/Deni zu gewährleisten» Es ergibt sich eine Überschussschlammproduktion von ca. 20 kg/d TS» Bei 2 g/l ergibt sich daher ein mindest-bio-volumen von 250 m³ (25d x 20 kg/d / 2 g/l)» Aus Sicherheitsgründen wird der biologische SBR-Anteil nur mit 25 % angesetzt (Rest sind Absetz-, Dekantier- und Pausenzeiten) : m³» Auf fast allen 500 kw el BGA existierenden Regenwasserbehälter dürften ein größeres Volumen aufweisen» Ggf. Neubau eines Regenwasserspeichers» Flächiges Zufuhrrohr sorgt einerseits für eine flächige Oberflächenwasserzufuhr nach einer unbelüfteten Umwälzphase und dient andererseits für die Überschussschlammentnahme (rein manuell, alle paar Wochen)

20 (Tauch-) Belüfter Verfahren» Investitionskosten (ohne Becken) ca ; Betriebskosten ca. 3,5 /m³» Vorteil: Relativ Kostengünstig, geringer Platzbedarf, kann in vorhandenen Becken eingesetzt werden» Nachteil: Energieaufwändige Belüftung dadurch vergleichsweise hohe Betriebskosten, Belebtschlammentsorgung» Sinnvoll, wenn bereits Becken vorhanden sind und die Investitionskosten gering gehalten werden sollen; Geeignet für kleine bis mittlere Anlagengrößen» Zulauf- und Ablaufwerte» CSB mg/l <150 mg/l» NH4-N 104 mg/l 1,7 mg/l» Pges >140 mg/l 50 mg/l (Pges : mit anschließendem Einsatz von Eisenschlamm < 2mg/l) Abb. Tauchbeläufter im Behälter Quelle: Aquasystem International

21 Aerobe Behandlung EnviClear» Aerobes Abbauverfahren in einem Belebungsreaktor» Filtationsmodule für die Trennung von Wasser und Belebtschlamm» Überschussschlamm (ca. 50 m³/a) wird in BGA verwertet» Aufströmendes Luft-/Wassergemisch reinigt die Membranoberflächen» Aufreinigung bis CSB von ca mg/l» Zwei Varianten: Für m³/a ( ) und für m³/a ( )» Betriebskosten (ohne Abschreibung): 1-1,30 /m³ Zulauf aus Folienbecken Ablauf in Vorfluter Belüftung Quelle: a3 water Solutions GmbH

22 EnviClear» Zulauf- und Ablaufwerte einer installierten Anlage» CSB mg/l 87 mg/l» Nges 219 mg/l < 20 mg/l» NH4-N 190 mg/l < 1 mg/l» ph 5,82 ~ 7,1» P 52 mg/l 1,7 mg/l Hebemodul Filtratsammler Membrantaschen Auströmkanal Belüfter Abb.: Mebranmodul Quelle: a3 water Solutions GmbH

23 EnviClear» Vorteil: geringer Flächenbedarf, Flexibel gegenüber starken Schwankungen» Nachteil: vergleichsweise hohe Investitionskosten, mittlere Betriebs- /Wartungskosten, Schlammentsorgung» Sinnvoll für mittlere bis große Anlagen Abb.: Installierte Anlage. Quelle: a3 water Solutions GmbH

24 Anaerobe Behandlung Flexbio Verfahren» Anaerober und anschließend aerober Abbau der organischen Bestandteile» Zwei Größenvarianten in Containern Erweiterungen möglich» Für BGA bis kwel ist nur ein Container notwendig» Hydraulisches Durchsatzvolumen Container max. 2 m³/h (4 m³/h) (durchschnittlich 0,5 m³/h (1 m³/h) im Dauerbetrieb)» Behandlungskapazität Container: m³/a (8.000 m³/a)» Gesamtvolumen 25 m³ (50 m³)» Ablaufwerte einer installierten Anlage (kleinere Ausführung; mg CSB/l; m³/a )» CSB < 100 mg/l» NH4-N < 1 mg/l» Nges < 20 mg/l Quelle: FlexBio Technologie GmbH

25 Flexbio Verfahren Funktionsweise» Der Festbettreaktor ist ein anaerober Fermenter» An Trägermaterial haftet ein Biofilm an, der hochaktive, syntrophe Lebensgemeinschaften ausbildet» Anschließende aerobe Belebungsstufe» Relativ hohe Toleranz gegenüber Prozessschwankungen und geringe Verweilzeiten» Betriebsweise bei niedrigen Temperaturen (psychrophil)» Kohlenstoff wird umgewandelt in» Biogas (90-92 %),» Ablauf (3 5 %) und» Überschussschlamm (3 5 %)» Bei durchschnittlichem CSB von mg/l entstehen bis zu 2 m³ Biogas pro m³-oberflächenwasser

26 Flexbio Verfahren Funktionsweise» Festbettreaktor in Kombination mit dem Belebtschlammverfahren 1. Organikabbau im Festbettreaktor (anaerob) 2. Nitrifikation und Abbau der restlichen Organik in Belebungsstufe (aerob) 3. Denitrifikation und Belebtschlammabbau durch Teilstromrückführung in Festbettreaktor (anaerob) Quelle: FlexBio Technologie GmbH

27 Flexbio Verfahren Kosten» Vorteile: Biogasproduktion, KWK-Bonus, vergleichsweise niedrige Betriebskosten» Nachteile: Investitionskosten, Schlammentsorgung (geringer als bei aeroben Verfahren), Wirtschaftlichkeit auch vom KWK-Bonus beeinflusst Quelle: FlexBio Technologie GmbH

28 Fazit» Die vorgestellten Verfahren eignen sich alle für mittlere Anlagentypen» Bei kleineren Anlagen sind die Investitionskosten zum Nutzen abzuwägen» Bei sehr großen Anlagen sind die Leistungen der Verfahren und Erweiterungsmöglichkeiten zu berücksichtigen» Bei den Betriebskosten sind langfristige Entwicklungen (z.b. Wegfall KWK-Bonus) zu beachten» Es wird ein Regenrückhaltebecken bzw. entsprechende Schächte für Starkregenereignisse weiterhin benötigt» Ausbringung auf landwirtschaftliche Flächen ist für viele Anlagen heute schon die betriebswirtschaftlich ungünstigste Alternative» Ein ordentlicher Anlagenbetrieb vermindert den Anfall an belasteten Wasser zwar, verhindert ihn aber nicht» Zusätzlich sind die Möglichkeiten der getrennten Erfassung und Ableitung auf allen Anlagen sehr unterschiedlich

29 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit.