Randbedingungen der Phosphorrückgewinnung auf kommunaler Kläranlagen am Beispiel der P-RoC-Technologie

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1 Randbedingungen der Phosphorrückgewinnung auf kommunaler Kläranlagen am Beispiel der P-RoC-Technologie R. Schuhmann, S. Schönauer, T. Fuderer, R.Oberle, M. Neurohr, A. Ehbrecht Competence Center for Material Moisture (CMM) Source: maps.google.de KIT University of the State of Baden-Württemberg and National Large-scale Research Center of the Helmholtz Association

2 Inhalt CMM: Struktur und Kompetenz Phosphor-Rückgewinnung P-RoC-Verfahren Erfahrungen Wissenschaftliche Ergebnisse Ökonomische Aspekte Rahmenbedingungen Zusammenfassung 2 Innovationsforum Thermolyphos vom Oktober 2016 in Halle/Saale

3 CMM: Struktur und Kompetenz Technical University Universität of Karlsruhe Research Forschungszentrum Center Karlsruhe Karlsruhe 1. Oktober Innovationsforum Thermolyphos vom Oktober 2016 in Halle/Saale

4 CMM: Struktur und Kompetenz 4 Innovationsforum Thermolyphos vom Oktober 2016 in Halle/Saale

5 Phosphor-Rückgewinnung statistische Reichweite von 50 Jahren (D. Cordell et al., 2009) bis zu 385 Jahre (US Geological Survey, 2012) Hauptvorkommen in China, Marokko und dem Nahen Osten Quelle: BGR (2013) Initiative des Bundes (P als strategischer Rohstoff, Förderinitiative) und der Länder (Umsetzungen, Gründung der deutschen Phosphor Plattform (DPP)) Ansätze in Deutschland: Kläranlage als lohnende Punktquelle für P Ausbringlimitierung für landwirtschaftliche Reststoffe 5 Innovationsforum Thermolyphos vom Oktober 2016 in Halle/Saale

6 Phosphor-Rückgewinnung 100% < 10% < 25% 40-80% > 90% 6 Innovationsforum Thermolyphos vom Oktober 2016 in Halle/Saale

7 P-RoC-Verfahren Phosphor Recovery by Crystallization technisch einfach durchführbares Verfahren basiert auf einer Kristallisationsreaktion durch Zugabe eines Calcium-Silicat-Hydrates (CSH) geeignet für: phosphatreiche Teilströme kommunaler Kläranlagen industrielle und landwirtschaftliche Prozesswässer Quelle: KIT / Neuland 7 Innovationsforum Thermolyphos vom Oktober 2016 in Halle/Saale

8 Schritt 1 Wissenschaftliche Ergebnisse Schritt 2 Schritt 3 Schritt 4 Charakterisierung des Ab- oder Prozesswassers Reaktionskinetik Kurzzeitversuch Anlagentechnik und Stoffstrombilanz Langzeitversuch Wirtschaftlichkeit Langzeitversuch Labormaßstab (5 L) Halbtechnikmaßstab (0.1 m 3 ) Pilotmaßstab (1.7 m 3 ) 8 Innovationsforum Thermolyphos vom Oktober 2016 in Halle/Saale

9 P-Elimination Wissenschaftliche Ergebnisse 9 Innovationsforum Thermolyphos vom Oktober 2016 in Halle/Saale

10 P-Rückgewinnung Wissenschaftliche Ergebnisse 10 Innovationsforum Thermolyphos vom Oktober 2016 in Halle/Saale

11 Wissenschaftliche Ergebnisse Produktqualität (Haupt- und Nebenelemente) Element Sekundärphosphat A Sekundärphosphat B Mineralischer Phosphatdünger [1] P 2 O % 10.3 % > 10 % Mg 1.6 % 1% deklarationspflichtig ab 5 % Ca 18.7 % 17.6 % deklarationspflichtig ab 5 % Na 0.06 % 0.08 % deklarationspflichtig ab 5 % K 1% 1% deklarationspflichtig ab 5 % Al 0.09 % 0.1 % k. A. Co n.n. n.n. deklarationspflichtig ab % Zn % % deklarationspflichtig ab % Ni mg/kg 3.4 mg/kg < 100 mg/kg Mn 0.02 % 0.01 % deklarationspflichtig ab 0.1 % Cu % % deklarationspflichtig ab 0.01 % Cr mg/kg 1 mg/kg < 2500 mg/kg Fe 0.13 % 0.18 % deklarationspflichtig ab 0.5 % [1] Düngemittelverordnung (2012), Fassung vom Innovationsforum Thermolyphos vom Oktober 2016 in Halle/Saale

12 Wissenschaftliche Ergebnisse Fortentwicklung der Verfahrenstechnik auf kontinuierliche Betriebsweise Optimierung des eingesetzten Kristallisationsmaterials (Effektivität, Verfügbarkeit, Preis) Einsatz als Baukastensystem je nach Aufgabenstellung 12 Innovationsforum Thermolyphos vom Oktober 2016 in Halle/Saale

13 Erfahrungen ProPhos: Verbundprojekt mit TU Darmstadt und Leibniz-Universität Hannover im Rahmen der BMBF/BMU-Förderinitiative Kreislaufwirtschaft für Pflanzennährstoffe insbesondere Phosphor ( ) Nährstoffrückgewinnung aus Zentratwasser: TT-Transfer-Projekt mit Alltech Dosieranlagen und der Stadt Neuburg a. d. Donau ( ) P-RoC Plus: KMU-Innovativ-Projekt mit Fa. Weber-Entec Verbesserung der P- Rückgewinnung auf Basis des P-RoC-Verfahrens durch vorgeschaltete Ultraschalldesintegration ( ) Nährstoffrückgewinnung aus Schweinegülle: EFRE-Projekt mit dem Bildungs- und Wissenszentrum Boxberg, der Universität Hohenheim, Fa. Alltech Dosieranlagen, Ing. Büro Roth & Partner ( ) Per-P: KMU-Innovativ-Projekt Gezielte Struvitkristallisation von Perkolationswasser einer Trockenfermentationsanlage mit Alltech Dosieranlagen und der Abfallwirtschaft Rendsburg-Eckernförde ( ) SuPaPhos: Rückgewinnung von Phosphat aus Abwasser mit Hilfe magnetisch abtrennbarer Ionenaustauscher, Baden-Württemberg-Stiftung ( ) Kombiniertes Kristallisationsverfahren zur Gewinnung von Phosphatdünger aus dem Abwasserreinigungsprozess: AiF-Projekt mit FG Kalk und Mörtel, den Mittelhessischen Wasserbetrieben, Fa. Cirkel und HeidelbergCement AG ( ) 13 Innovationsforum Thermolyphos vom Oktober 2016 in Halle/Saale

14 Ökonomische Aspekte Beispiel: P-RoC-Anlage für eine Kläranlage mit EW Investitionskosten: Ingenieurleistungen ,00 Maschinentechnische Ausrüstung ,00 Einbindung in die bestehende Kläranlage ,00 (Eventuell erforderliches Bauteil ,00 ) Betriebskosten: Personalkosten (10%) 5.000,00 Material und Betriebsstoffe (Strom, Substrat) ,00 Aufwand für Wartung und Reparatur (2% Invest) 5.000,00 Folgekosten: Abschreibung und Verzinsung der Investitionen ,00 Betriebskosten ,00 Betriebliche Ersparnis x 14 Innovationsforum Thermolyphos vom Oktober 2016 in Halle/Saale

15 Ökonomische Aspekte Folgekosten ca /Jahr (ohne betriebliche Ersparnisse) Das sind ca. 0,50-0,70 pro Einwohner (EW) und Jahr oder 1 (Butter)brezel pro Einwohner (EW) und Jahr 15 Innovationsforum Thermolyphos vom Oktober 2016 in Halle/Saale

16 Rahmenbedingungen Administrative Rahmenbedingungen: WRRL, AbwAG AbfKlärV DüMV KAG Ablaufgrenzwerte der Kläranlage Grenzwerte im Klärschlamm Qualitätsmerkmale für Düngemittel Handlungsrahmen mit Gebühren Spannungsfeld: Ablaufgrenzwert ist abgabenrelevant (Halbierung) Pflichtaufgabe Grenzwerte im Klärschlamm ist einsatzrelevant (regionale Unterschiede) Düngerqualität ist Handelsmerkmal bisher nicht Kernaufgabe Gebühren lassen nur den Stand der Technik zu 16 Innovationsforum Thermolyphos vom Oktober 2016 in Halle/Saale

17 Rahmenbedingungen Spannungsfeld der Kläranlage: Kerngeschäft ist die Reinigung von Abwasser Aktuelle Aufgaben: Entfernung der Spurenstoffe (4. Reinigungsstufe) Verschärfung der Einleitgrenzwerte für Phosphor (WRRL) Dazu gilt seit 2008 der Stand der Technik Betrieb der Kläranlage: Meist kommunal betrieben (Kommune oder Verband) Abwassergebühr MwSt.-frei Es gilt das Kommunalabgaben-Gesetz (KAG) und das schließt eine nicht aufwandsbelegte Verwendung aus (z.b. für Forschung) Handel mit Dünger sicherlich artfremd Betrieb gewerblicher Art (BgA) 17 Innovationsforum Thermolyphos vom Oktober 2016 in Halle/Saale

18 Rahmenbedingungen Kerngeschäft ist die Reinigung von Abwasser Darum: Keine zusätzlichen Betriebspunkte schaffen Einfache Verfahrenstechnik anbieten (Vermeidung von Störquellen) Technologie passend zu Abwasserbehandlungsanlagen Möglichst automatisiert und einfach in die vorhandene MSR integrierbar Vorgehen zu P-Grenzwerte: Minimierung der Rückbelastung aus dem Schlammwasser (WRRL, AbwAG) Festlegung der Technologie (evtl. End of Pipe ) 18 Innovationsforum Thermolyphos vom Oktober 2016 in Halle/Saale

19 Rahmenbedingungen 19 Innovationsforum Thermolyphos vom Oktober 2016 in Halle/Saale

20 Rahmenbedingungen Frachtbetrachtung: Nach BAM/UBA wird der Klärschlamm ( Mg/a TS) wie folgt behandelt: Landwirtschaft 29% = t/a P 2 O 5 Landschaftsbau 16% = t/a P 2 O 5 Thermisch 55% = t/a P 2 O 5 davon: Monoverbrennungen 30% = t/a P 2 O 5 Zentrat (Kläranlagen GK4 und GK5) = t/a P 2 O 5 (ohne techn. Rücklösung) = t/a P 2 O 5 (mit techn. Rücklösung) Zum Vergleich: Schweinegülle (Stallhaltung) = t/a P 2 O 5 20 Innovationsforum Thermolyphos vom Oktober 2016 in Halle/Saale

21 Zusammenfassung Die P-RoC-Technologie ist einfach einsetzbar (im Nebenstrom) reduziert die interne Rückbelastung auf Kläranlagen konkurriert nicht mit Verfahren zur Rückgewinnung aus Aschen wird mit entsprechenden anlagentechnischen Ergänzungen den Vorgaben der AbfKlärV genügen 21 Innovationsforum Thermolyphos vom Oktober 2016 in Halle/Saale

22 Zusammenfassung Technologie ist vorhanden Gesetzliche Regelung noch nicht (Novelle AbfKlärV in 2016???) Großtechnischer Beleg liegt in Abhängigkeit spezifischer Randbedingungen vor Damit gibt es noch keinen Stand der Technik und der ist nur erreichbar durch Kooperation 22 Innovationsforum Thermolyphos vom Oktober 2016 in Halle/Saale

23 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit Competence Center for Material Moisture (CMM) Source: maps.google.de KIT University of the State of Baden-Württemberg and National Large-scale Research Center of the Helmholtz Association