BMU-Umweltinnovationsprogramm Plus-Energie- Kläranlage mit Phosphorrückgewinnung. Projektpartner:

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1 BMU-Umweltinnovationsprogramm Plus-Energie- Kläranlage mit Phosphorrückgewinnung Projektpartner:

2 Stadtentwässerung (SE) Lingen Eigenbetrieb der Stadt Lingen Gesamt: 29 Beschäftigte 16 Mitarbeiter/Innen der SE Lingen im Bereich Betrieb Kläranlage, Pumpwerke und Fremdarbeiten 11 Mitarbeiter/Innen der SE Lingen im Bereich Kanäle-Planung, Digitalisierung, Bau, Sanierung, Unterhaltung, Reinigung, Hausanschlüsse

3 Kläranlage Lingen im Jahre 2011 Wohnbebauung Nördlich in etwa 250 m Entfernung Südlich in etwa 50 m Entfernung KA-Fläche 5 ha

4 Daten zur KA Lingen (Stand: 2011) 1-stufige Belebungsanlage mit vorgeschalteter Denitrifikation und biologischer Phosphorelimination. Ausbaugröße der Kläranlage: Einwohnerwerte (EW) Mittlere CSB-Auslastung der Kläranlage: EW davon angeschlossene Einwohner: EW (46%) Industriebetriebe und sonstige Firmen: EW (31%) Acrylfasernherst. (chemische Industrie): EW (23%) Hersteller von Polyacrylfasern liefert schwer abbaubares Wasser (50%), daher höhere Überwachungswerte für den Ablauf der Kläranlage: CSB: 200 mg/l N anorg. : 16 mg N/l P: 1,0 mg/l

5 Daten zur KA Lingen (Stand: 2011) Rohschlammfracht : Klärschlammfracht : Abbau organischer Stoffe: 2900 t TR/a, 78% O-TR 1930 t TR/a, 67% O-TR 43% (ohne Cofermente) Volumen 2 * 2050 m³ Aufenthaltszeit 20 Tage Temperatur 38 C Beschickung PS aus Vorklärung (50%) ÜS vom Siebband (50%) Reststoffspeicher für Cofermente

6 Daten zur KA Lingen (Stand: 20011) Faulgasanfall: 3600 m³/d davon 1000 m³/d durch Cofermente Annahme von Coferment (Waschwasser aus der Herstellung von Biodiesel) seit Zugabemenge: 7-10 m³/d Eigenstromerzeugung: 70% Wärmenutzung: 50% 100% ab März % der Abwärme werden über eine 1 km lange Fernwärmeleitung an ein Freizeitbad und einen Wohnpark abgegeben Gesamtstromverbrauch der Kläranlage : 23,1 kwh/ew*a

7 Daten zur KA Lingen (Stand: 2011) Klärschlammanfall 1930 t TR/a, o-tr 67% Entwässerung 2 Bucherpressen TR im entwässerten Schlamm 26 % Polymerverbrauch Entwässerung 19 kg WS/t TR Verbrauch Eisenlösung (42%ig) Entwässerung: 230 kg/ t TR

8 Förderprojekt Plus-Energie-Kläranlage mit Phosphor-Rückgewinnung Am Beispiel der Kläranlage der Stadtentwässerung Lingen soll erstmalig im technischen Maßstab gezeigt werden, dass Kläranlagen nicht nur in Nullenergie-Kläranlagen, sondern in Plus-Energie-Kläranlagen umgewandelt werden können, (Strom- und Wärmeüberschüsse) wobei gleichzeitig eine Rückgewinnung von pflanzenverfügbarem Phosphor in Höhe von 30 Massen-% des Zulaufs realisiert und der Klärschlammanfall und der Chemikalienverbrauch auf der Kläranlage Lingen reduziert wird

9 Projektplanung (Auszüge) 1) Intensivierung der Faulung durch thermische Überschuss- Schlamm-Hydrolyse Installation einer Lysotherm -Anlage 2) Trennung der Schlammarten vor der Faulung LysoGest -Verfahren 3) Rückgewinnung von Phosphat durch Einführung der P-Fällung als MAP (handelsüblicher Dünger) AirPrex -Verfahren 4) Installation von 2 BHKW`s mit Thermalöl- Abgaswärmewärmetauschern 5) Deammonifikation des Schlammwassers DEMON

10 Bisher in Betrieb genommene Verfahren 1) Lysotherm -Anlage Inbetriebnahme: März 2012 Durchsatz Überschussschlamm (5-6%TR) 3,2 m³/h Maximaler Durchfluß: 7,5 m³/h Hydrolysetemperatur: C Aufenthaltszeit: Min.

11 Auswirkungen der thermischen Hydrolyse Verbesserung der biologischen Verfügbarkeit, bessere anaerobe Abbaubarkeit - Erhöhung der Gasausbeute - Erhöhung des Trockenrückstandes im entwässerten Schlamm - Reduzierung der zu entsorgenden Schlammmenge - Aufschluss der Polyphosphate zu ortho-phosphat

12 Plus-Energie-KA Lingen Phase 1 Einbindung Lysothermanlage Entwässerung Bucher-Presse Primärschlamm konventionelle Faulung CH 4 BHKW FB 1 Co-Substrat Überschussschlamm Eindickung Thermische Hydrolyse ( C, 30 min) Lysotherm FB 2 CH 4 konventionelle Faulung Rücklauf zur Biologie

13 Lysotherm -Prinzipschema DN 40 DN 40 DN m 270 m 110 m 743 m 1,3 m³ 0,3 m³ 3,5 m³ 0,9 m³ Aufheizung des Thermalöls über Abgaswärmetauscher der BHKW`s

14 Lysothermanlage Durchgeführte Versuche, Probleme Versuche zur Steigerung des Hydrolysegrades Anpassung/Optimierung der Parameter Temperatur und Druck Abschaltung der Anlage aufgrund zu hoher Drücke Anpassung der Überschuss-Schlammeindickung, Hydrolysat-Rückführung, Optimierung der Schlammpumpe, Reinigung der Wärmetauscherrohre Anstieg des Polymerverbrauchs in der Entwässerung Anpassung des Polymers, Anpassung der Schlammentwässerung Versuche zur Optimierung der Schlammentwässerung unter anderem Vergleichs-Entwässerungsversuche mit Zentrifugen - Reduzierung des Polymerverbrauchs um 30%! - Reduzierung der Eisenlösung um 100%!

15 Ergebnisse der Lysotherm-Anlage Erhöhung der Faulgasproduktion 10% (bezogen auf den Gasanfall ohne Cofermente) Steigerung des anaeroben Abbaus (o-tr-gehalt im Ablauf der Faultürme) von 67 auf 65,5% o-tr Entwässerungsgrad steigt (Schlammentwässerung über Bucherpressen) von 25,7 auf 27,1% TR Anstieg Polymerverbrauch Entwässerung von 19 auf 21 kg WS/t TR Anlage läuft nach anfänglichen Problemen vollautomatisch und betriebsstabil

16 Bisher in Betrieb genommene Verfahren 2) Trennung der Schlammströme LysoGest -Verfahren LysoGest : Getrennte Faulung von Primärschlamm und hydrolysiertem Überschussschlamm Inbetriebnahme: Erwartete Auswirkungen Reduzierte Aufenthaltszeit in der ÜSS-Faulung Tage Steigerung der Faulgasproduktion durch bessere Adaption Mehr Platz für die Vergärung von Co-Substraten Verbesserte Phosphat- (und Stickstoff-)Rückgewinnung

17 Plus-Energie-KA Lingen Phase 2-Trennung der Schlammströme Entwässerung Bucher-Presse Primärschlamm Primärschlamm Faulung CH 4 BHKW FB 1 Co-Substrat CH 4 Überschussschlamm Eindickung Thermische Hydrolyse ( C, 30 min) Lysotherm FB 2 Überschussschlamm Faulung LysoGest Rücklauf zur Biologie

18 Ergebnisse Betrieb Lysotherm-Anlage mit Trennung der Schlammströme Erhöhung der Faulgasproduktion 15% ( m³/d, bezogen auf den Gasanfall ohne Cofermente) Steigerung des anaeroben Abbaus (o-tr-gehalt im Ablauf der Faultürme) von 67 auf 65% o-tr Entwässerungsgrad sinkt (Schlammentwässerung über Bucherpressen) von 27,1 auf 26,1% TR Starker Anstieg beim Polymerverbrauch von 21 auf 26 kg WS/t TR Erhöhte H 2 S-Werte im Faulturm 1 (Primärschlamm + Coferment) Geruchsprobleme

19 Bisher in Betrieb genommene Verfahren 3) AirPrex - Anlage zur Phosphorrückgewinnung AirPrex : Phosphorrückgewinnung mittels Fällung und Kristallisation als Magnesium-Ammonium-Phosphat im hydrolysiertem und ausgefaulten Überschussschlamm. Schlamm wird belüftet (ph-wert Erhöhung durch CO 2 -Strippung) - Zugabe von Magnesiumchlorid - Fällung MAP Kristallisationsverhinderung in Rohrleitungen und Aggregaten Verbesserung der Schlammentwässerung P-Rückgewinnung / Vermeidung der PO 4 -Rückführung MAP ist ein handelsüblicher Dünger Inbetriebnahme der Versuchsanlage: Fahren der Anlage und Auswertung erfolgten im Rahmen einer Masterarbeit

20 AirPrex - Anlage zur P-Rückgewinnung Gesamt-Volumen des Reaktors: 25 m³ Nutzvolumen des Reaktors: 18 m³ Durchsatz der Versuchsanlage: 3-4 m³/h Aufenthaltszeit: 4-6 h Belüftung mittels: Drehkolbengebläse ph-wert-einstellung: 7,8-8,3 Dosierung: Magnesiumchloridlösung

21 Plus-Energie KA Lingen Phase 3+4 AirPrex-Anlage und Demon-Reaktor Entwässerung Bucher-Presse Primärschlamm Primärschlamm Faulung CH 4 BHKW FB 1 Co-Substrat Überschussschlamm Eindickung Thermische Hydrolyse ( C, 30 min ) Lysotherm FB 2 CH 4 AirPrex + MgCl 2 Feststoffabtrennung Deammonifikation DEMON Überschussschlamm- Faulung (LysoGest ) MAP-Wäsche Rücklauf zur Biologie

22 Erste Ergebnisse AirPrex -Versuchsanlage Auswertung im Rahmen einer Masterarbeit läuft zur Zeit. Etwa 95% des vorliegenden Ortho-Phosphats wurden durch die AirPrex-Behandlung gefällt. Die vorliegenden Gesamt-P- und ortho-p-ergebnisse in den ausgefaulten Schlämmen zeigen, dass mit einer fest installierten AirPrex-Anlage zukünftig etwa 10% der Zulauf-Phosphat-Fracht entfernt werden können. Anmerkung: In den derzeit betriebenen AirPrex-Anlagen in Deutschland und den Niederlanden werden etwa 40-45% der ortho-phosphatfracht (Zulauf AirPrex) als MAP abgetrennt.

23 Weitere Ergebnisse durch den Betrieb der AirPrex -Versuchsanlage Entwässerungsgrad steigt an Polymerverbrauch bleibt sehr hoch von 26 auf ca. 30 % TR 25 kg WS/t TR Zentrifugenversuche Sind die hohen Polymerverbräuche in der Entwässerung nur auf die veränderte Schlammbeschaffenheit oder auch auf das Entwässerungsaggregat zurückzuführen? Durchführung von Zentrifugenversuchen und Vergleich mit den Bucherpressen der KA Lingen vom

24 Ergebnisse der Zentrifugenversuche - Vergleich mit den Bucherpressen Zentrifuge Bucherpresse TR Polyverbr. TR Polyverbr. Mischschlamm mit AirPrex, ohne Eisen 34,4 12,8 33,6 24,2 Mischschlamm ohne AirPrex, ohne Eisen 29,5 17,8 Mischschlamm ohne AirPrex, mit Eisen 30,7 12,7 29,3 31,9 Primärschlamm ohne Eisen 32,7 9,4 Primärschlamm mit Eisen 32,6 8,3 38,5 15,6

25 Ergebnisse der Zentrifugenversuche - Vergleich mit den Bucherpressen Zentrifuge Überschussschl. mit AirPrex, ohne Eisen 29,0 19,6 Bucherpresse TR Polyverbr. TR Polyverbr. Überschussschl. mit AirPrex, mit Eisen 28,8 15,2 Überschussschl. ohne AirPrex, ohne Eisen 25,8 25,7 Überschussschl. ohne AirPrex, mit Eisen 27,6 22,3

26 Ergebnisse der Zentrifugenversuche - Vergleich mit den Bucherpressen Durch die AirPrex-Behandlung lässt sich der Klärschlamm besser entwässern. TR-Anstieg: ca. 5% Der Polymerverbrauch kann bei der Entwässserung mit der Zentrifuge um 50% gesenkt werden. Mit einer Zentrifuge werden die Projektziele der Klärschlammentwässerung erreicht.

27 Projektziele Erhöhung der Eigenstromerzeugung > 100% Reduzierung Energieverbrauch < 21,3 kwh/ew*a Rückgewinnung von Phosphat 30% der Zulauffracht Reduzierung der Klärschlammmenge > 3% o-tr Verbesserung der Schlammentwässerung von 26% auf >30% Reduzierung des Polymerverbrauchs >= 30% Reduzierung Chemikalienverbrauch > 30%

28 Zielzustand der KA Lingen im Vergleich zum Ist-Zustand und zu den Förderkriterien Parameter Einheit Ist-Zustand Förderrichtlinien Zielzustand Stromverbrauch KA Stromverbrauch Belüftung kwh/ew*a 23, ,3** kwh/ew*a 13, ,8 Faulgasproduktion L/EW*d 22,9 (16,4*) Grad der Faulgasnutzung El. Wirkungsgrad BHKW Eigenversorgung Wärme Eigenversorgung Strom % % 30, % % 70 (48*) P-Rückgewinnung % * ohne Co-Substrate, abgeschätzter Faulgasanteil aus Co-Substraten wurde herausgerechnet ** geschätzter Wert incl. weitere Energiesparmaßnahmen (klimagerechte Abwasserbehandlung eigene Mittel)

29 Zusammenfassung Die Lysotherm-Anlage läuft nach anfänglichen Schwierigkeiten inzwischen betriebsstabil und vollautomatisch, bei relativ einfacher Bedienung. Der Faulgasanfall konnte um etwa 400 m³/d (+15%) gesteigert werden, einhergehend mit einem um 2% besseren o-tr im Ablauf der Faultürme. Dadurch konnte die Klärschlammfracht um etwa 90 t TR/a bzw. 350 t (5%) entwässerten Klärschlamm reduziert werden.

30 Zusammenfassung Die Ergebnisse in der Entwässerung liegen noch nicht im erwarteten Bereich. Der Polymerverbrauch ist viel zu hoch. Der TR im entwässerten Klärschlamm hat sich nur geringfügig verbessert. Die zusätzlichen Zentrifugenversuche im Juli 2014 waren sehr aufschlussreich und zeigen, dass die angestrebten Verbesserungen in der Schlammentwässerung erreicht werden können. Eine Auswertung/Bewertung der Ergebnisse wird zur Zeit von einem unabhängigen Sachverständigenbüro durchgeführt.

31 BMU-Umweltinnovationsprogramm Plus-Energie- Kläranlage mit Phosphorrückgewinnung Umweltinnovationsprogramm : "Energieeffiziente Abwasseranlagen Förderung und Finanzierung Antragstellung, Realisierung und Auftragsvergabe Auftragnehmerin Anlagenbau und Prozesstechnik Lizenzgeber LysoTherm -Verfahren Lizenzgeberin AirPrex und LysoGest Partner für Trenntechnik und P-Rückgewinnung Herzlichen Dank für Ihr Interesse.