Recycling von Trübwasserinhaltsstoffen mittels Ionentauscher-Loop-Stripping. Markus Ellersdorfer, Jan Lubensky, Andreas Lechleitner, Kristina Stocker

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1 Recycling von Trübwasserinhaltsstoffen mittels Ionentauscher-Loop-Stripping Markus Ellersdorfer, Jan Lubensky, Andreas Lechleitner, Kristina Stocker 1

2 Die Idee (Kommunale) Kläranlage Biogas Schlammverwertung (Dünger, EBS) Abwasser Biologische Stufe (aerob) Klärschlamm Schlammstabilisierung (Faulturm, anaerob) Faulschlamm Fest/Flüssig- Trennung Trübwasser Co-Substrate Prozesswasser Ionentauscher- Loop-Stripping NH 4 NH 4 : Dünger oder Entstickungsmittel (Rauchgasreinigung) 4 NO 4 NH 3 O 2 4 N 2 6 H 2 O 2

3 Potential für N-Rückgewinnung Kommunale Kläranlagen t N a t N a t N a -1 > EW < EW Biogasanlagen t N a t N a t N a -1 > 500 kw el. < 500 kw el. Zement Öl/Gas, Roheisen/Stahl, Papier, Kraftwerke t N a t N a t N a -1 Industriebranchen N-Potential kommunale Kläranlagen in Österreich (FUCHS, 2015) N-Potential Biogasanlagen in Österreich (FUCHS, 2015) Entstickungsmittelverbrauch Industrie in Österreich (eigene Berechnungen) W. Fuchs (2015): Potential der N-Rückgewinnung aus Gärresten und Kläranlagen in Österreich, Interner Zwischenbericht zum Projekt ReNOx, 1. Zwischenmeeting, Leoben,

4 Potential für N-Rückgewinnung Kläranlage Knittelfeld ( EW) 4000 [l Trübwasser h -1 ] * 1 [g NH 4 l -1 ] * 8760 [h a -1 ] * 10-6 [g t -1 ] * 17/18 [NH 3 /NH 4 ] = 33 [t NH 3 a -1 ] Zementwerk Retznei ( t Klinker a -1 ) 800 [t Harnstoff (40 %) a -1 ] * 0,4 / 60 [kg / kmol CH 4 N 2 O] * 2 [NH 3 /CH 4 N 2 O] * 17 [kg kmol -1 NH 3 ] = 180 [t NH 3 a -1 ] 5-6 Kläranlagen / Zementwerk 4

5 Vorteile Kläranlagen: Einsparung Belüftungskosten der biologischen Stufe (ca % pro Jahr) Marktfähiges Produkt (Entstickungsmittel) Zementwerke: Einsparung von Harnstoff (Produktion mittels fossiler Energieträger*) *. pro t Harnstoff ca. 0,58 t NH 3 ; 0,76 t CO 2 ; kwh Strom; 0,9-2,3 t Dampf 5

6 Das Ionentauscher-Loop-Stripping 6

7 Verfahrensvergleich Biologische Verfahren Nitritation/ Denitritation (SBR) Anammox (z.b. SHARON, DEMON, ) Physikalische Verfahren Luft-/Dampf- Strippung Ionentauscher- Loop-Stripping Baugröße Chemikalieneinsatz C-Quelle Energieverbrauch N-Rückgewinnung Keine mechanische Vorreinigung gering mittel hoch trifft zu trifft nicht zu 7

8 Kostenvergleich Kosten der Stickstoffrückgewinnung aus Trübwasser (ASPEN-Simulation; Investitionskostenschätzung nach Lang / Chilton / Miller) 10,0 konv. Luftstrippung; spez. Gesamtkosten [ /m³] ,0 IL-Stripping; spez. Gesamtkosten [ /m³] konv. Luftstrippung; Investitionskosten [ ] spezif. Gesamtkosten [ m - ³] 8,0 7,0 6,0 5,0 4,0 3,0 2,0 Ionentauscher- Loop-Stripping Luft/Dampfstrippung IL-Stripping; Investitionskosten [ ] konv. Luftstrippung; Betriebskosten [ /a] IL-Stripping; Betriebskosten [ /a] Investitionskosten Investitionskosten [ ] / Betriebskosten [ a -1 ] 1,0 0, Trübwasserstrom [m³ h -1 ] Betriebskosten

9 Versuchsanlagen Scale-up ca. 200 g 2012/13 ca. 2 kg 2014/15 ca. 200 kg 2016 Dimensionierung Ionentauscherkolonnen (Zeolithmasse) 9

10 Pilotbetrieb Kläranlage Knittelfeld (Sommer 2016) 10

11 Zeolithe als Ionentauscher Zeolithe = natürliche und künstliche Alumosilikate Natürliche Zeolithe (Hauptmineral Klinoptilolith): hohe Selektivität für NH 4 (typische KAK ca mg g -1 ) gut verfügbar & kostengünstig regenerierbar K. Koyama, Y. Takéuchi (1977): Clinoptilolite: the distribution of potassium atoms and ist role in thermal stability. Z. Kristallogr. 145, KOYAMA & TAKÉUCHI (1977) 11

12 Charakterisierung des Einsatzmaterials Zeolith Z-01 12

13 Optimierung der Prozessparameter mg NH 4 l -1 9 Zeolithbeladung [mg NH 4 g -1 ] BV=0,57 BV=1, mg NH 4 l mg NH 4 l Versuchsdauer t [min] V1; AS (1000 mg NH4/l); BV=1,13; Z/L=0,15; Z-01 (2-4 mm) V2; AS (1000 mg NH4/l); BV=0,57; Z/L=0,15; Z-01 (2-4 mm) V8; AS (500 mg NH4/l); BV=1,13; Z/L=0,15; Z-01 (2-4 mm) V9; AS (2000 mg NH4/l); BV=1,13; Z/L=0,15; Z-01 (2-4 mm) AS Ammoniumsulfat-Lösung 13

14 Optimierung der Prozessparameter 6 Zeolithbeladung [mg NH 4 g -1 ] Versuchsdauer t [min] V1; AS (1000 mg NH4/l); BV=1,13; Z/L=0,15; Z-01 (2-4 mm) V6.1; TR (1050 mg NH4/l); BV=1,13; Z/L=0,15; Z-01 (2-4 mm) AS Ammoniumsulfat-Lösung TR Trübwasser real 14

15 Optimierung der Prozessparameter 6 5 Zeolithbeladung [mg NH 4 g -1 ] A B C D Versuchsdauer t [min] V6.1; TR (1050 mg NH4/l); BV=1,13; Z/L=0,15; Z-01 (2-4 mm) V6.2; TR (1050 mg NH4/l); BV=1,13; Z/L=0,15; Z-01 (2-4 mm) TR Trübwasser real 15

16 Optimierung der Prozessparameter Zeolithbeladungen nach Zyklusende: Belade, Regenerations- und Strippleistung C A D B 16

17 Optimierung der Prozessparameter Zeolithbeladungen nach Zyklusende: Belade, Regenerations- und Strippleistung 17

18 Optimierung der Prozessparameter Zeolithbeladungen nach Zyklusende: Belade, Regenerations- und Strippleistung V-6.1: Belade- zu Strippleistung = 15 [%] V-6.4: Belade- zu Strippleistung = 64 [%] 18

19 Ausblick Abscheiderate NH 4 Labor/Technikum % Pilotanlage (Sept. 2016) ca. 50 % Trübwasser Zulaufkonzentration ca. 350 mg NH 4 l -1 Optimierung Prozessparameter Scale-up-Effekte (Durchströmung), Korngröße, Druckverlust, ph/t, Strömungsgeschwindigkeit Zusammensetzung Klärschlamm Optimierung Zeolith Höhere KAK, simultane Abscheidung weiterer Inhaltsstoffe von Trübwasser (z.b. P, K, Schwermetalle) W. Fuchs (2015): Potential der N-Rückgewinnung aus Gärresten und Kläranlagen in Österreich, Interner Zwischenbericht zum Projekt ReNOx, 1. Zwischenmeeting, Leoben, FUCHS (2015) 19

20 Danke für die Aufmerksamkeit! Besonderer Dank für die Unterstützung an Robert WALTRITSCH, Mark READ, Fritz KITTINGER, Sandro PESENDORFER, Andreas KRAMMER, Johann RAITH 20

21 Konkurrenzverfahren (FUCHS, 2015) W. Fuchs (2015): Potential der N-Rückgewinnung aus Gärresten und Kläranlagen in Österreich, Interner Zwischenbericht zum Projekt ReNOx, 1. Zwischenmeeting, Leoben,