Bedarfsgerechte Lösungen der kommunalen Abwasserreinigung mit Fokus Energieeffizienz

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1 Platzhalter für Bild, Bild auf Titelfolie hinter das Logo einsetzen Bedarfsgerechte Lösungen der kommunalen Abwasserreinigung mit Fokus Energieeffizienz Turkish GWP-Day 2012 Istanbul Prof. Dr.-Ing. N. Dichtl Prof. Dr.-Ing. T. Dockhorn Abwasser als Gemisch von Ressourcen H 2 O N, P, K "Problemstoffe" Organik (CSB) Effekte: - Verunreinigung des Wassers - Verdünnung von Ressourcen - Verteilung von Problemstoffen 1

2 Relevante Abwasserinhaltsstoffe Organische Verbindungen (CSB) Phosphor (P) Stickstoff (N) Kalium (K) Schwefel (S) Calcium (Ca) Magnesium (Mg).. etc. Das Ressourcenpotenzial Unsere tägliche statistische "Pro-Kopf- Produktion entspricht 120 g CSB 11 g Stickstoff (N) 1,8 g Phosphor (P) und 4,9 g Kalium (K) 2

3 Organische Verbindungen (CSB) als Ressource Aerober Abbau CSB Belüftung - 0,35 kwh EL /kg CSB CO 2 + H 2 O Anaerober Abbau Biogas CH 4 + CO 2 + 0,9 kwh EL /kg CSB CSB BHKW Biogas- Anlage Energieverbrauch der Abwasserreinigung vs. Energieproduktion aus Abwasser für China Aerober Abbau 57 Mio. t CSB/a + 5,2 Mio. t N/a Belüftung - 35 Mio. MWh EL /a (= 4 GW EL ) CO 2 + H 2 O Anaerober Abbau Biogas CH 4 + CO 2 57 Mio. t CSB/a BHKW Biogas- Anlage + 64 Mio. MWh EL /a (= 7,3 GW) 3

4 Die Ressource Stickstoff (N) - Energiebilanz von Erzeugung und Elimination N 2 N 2 N-Dünger Haber-Bosch - 10 kwh EL /kg N - 3 kwh EL /kg N S = - 13 kwh EL /kg N bzw kwh Prim. /kg N Energieverbrauch der Abwasserreinigung vs. Energieproduktion aus Abwasser Energieverbrauch der Abwasserreinigung (Belüftung) vs. Energieproduktion aus Abwasser für China (1,3 Mrd. EW) 4 + 7,3 GW = 11,3 GW = 11 große AKW 4

5 Aerobe vs. anaerobe Schlammstabilisierung Polymere Substrate (Kohlenhydrate, Fette, Eiweiß) Hydrolysephase Bruchstücke und gelöste Polymere Versäuerungsphase H 2 CO 2 org. Säuren Essigsäure Alkohole Acetogene Phase Essigsäure (Acetat) Methanogene Phase Methan Aerob vs. Anaerob Beispiel: Kläranlage EW Ohne Mit anaerober Stabilisierung Beckenvolumen Vorklärung m 3 Volumen Belebungsbecken m m 3 Faulturmvolumen m 3 Energiebedarf [kwh/a] zu entsorgende Schlammmenge 100 % 66% Input O 2 -Bedarf Bacterien (Y H ) Input (otr) Energiestoffwechsel Energiestoffwechsel Baustoffwechsel Baustoffwechsel CH 4 Bakterien (Y H ) 5

6 Faulgasanfall und Faulgaszusammensetzung Methan % Kohlendioxid % Wasserdampf 0-10 % Stickstoff 0-0,2 % Wasserstoff 0-0,2 % Schwefelwasserstoff 0-0,7 % Energiegehalt CH 4 = 10 kwh/m³ Spezifischer Schlammanfall 6

7 Klärschlammstabilisierung Primäre Zielsetzung Umsetzung (Beeinflussung, Abbau) organischer Schlamminhaltstoffe zur Vermeidung von negativen Umwelteinflüssen Sekundäre Effekte Verringerung der Schlamm- (Feststoff-) menge Verbesserung der Entwässerbarkeit Verminderung von Krankheitserregern Gewinnung von Klärgas Klärschlamm- und Reststoffanfall auf einer Kläranlage in Abhängigkeit der Prozessstufen 1. Eindicken 2. Entwässern a. Zulauf b. Primärschlamm c. Primärschlamm, eingedickt d. Rücklaufschlamm e. Überschussschlamm f. Überschussschlamm, eingedickt g. Zentrat h. Faulschlamm i. Zentrat j. Feststoffe 7

8 Verfahrenschritte der Klärschlammbehandlung Klärschlammeindickung Klärschlammentwässerung und-konditionierung Klärschlammtrocknung Klärschlammverbrennung Klärschlammstabilisierung Aerobe Schlammstabilisierung Anaerobe Sclammstabilisierung Blockheizkraftwerk Wasser Gas Wasserdampf Wärmerückgewinnung Luft Elektrizität Gas Turbine Generator >> Wirkungsgrad bis zu 90% 8

9 Durchschnittlicher Nährstoffgehalt in Klärschlämmen mit Kalkzugabe ohne Kalkzugabe Gesamtstickstoff 2,1 5,0 NH 4 -N 0,3 1,0 P 2 O 5 3,1 4,7 K 2 O 0,4 0,7 CaO 32,4 5,4 MgO 0,8 0,7 Nähstoffgehalt in Klärschlämmen in Deutschland Deutschland: 3 Mio. t TR/a: 1,5 Mio. t/a organisches Material t/a Stickstoff (N) t/a Phosphor (P 2 O 5 -P) t/a Kalium (K 2 O) t/a Kalk (CaCO 3 ) t/a Magnesiumoxid (MgO) Beispiel Braunschweig / Deutschland: Landwirtschaftliche Wiederverwertung von Phosphor: - Ca. 110 t/a verregnet auf ~3.000 ha - Ca. 100 t/a entwässert und als Dünger verwendet 9

10 Der Wert des deutschen Rohschlamms (RS) Ressource Marktwert Wert RS [ /ttr] Ressourcenpotential Deutschland [ /a] Phosphor (P) 3,13 /kg P 89, Stickstoff (N) 1,03 /kg N 38, Feststoffe (TS) 0,094 /kg TS 93, Σ = 530 Mio. /a bzw. 220 / t TR Rohschlamm Das Ressourcenpotenzial der Weltbevölkerung Für 7,0 Milliarden Menschen ergibt sich ein Potenzial von: 306,0 Mio. t CSB/a, 28,1 Mio. t Stickstoff/a, 4,6 Mio. t Phosphor/a sowie 12,5 Mio. t Kalium/a 10

11 Dieses Ressourcenpotenzial entspricht 27 % des globalen Verbrauchs an Stickstoff-Dünger 28 % des globalen Verbrauchs an Phosphor- Dünger und 55 % des globalen Verbrauchs an Kali-Dünger Die in den organischen Verbindungen enthaltene Energie entspricht 58 Mio. t Steinkohleeinheiten/a an Primärenergie = 0,3 % des Weltenergiebedarfs. Globale Wasserziele UN Millennium Development Goals (New York, 2000): Reduzierung des Anteils der Weltbevölkerung ohne nachhaltigen Zugang zu sauberem Trinkwasser auf die Hälfte bis zum Jahr 2015 bis 2025: sauberes Trinkwasser für alle Nachhaltigkeitsgipfel Johannesburg (2002): Halbierung der Zahl der Menschen ohne Zugang zu Sanitärtechnik bis zum Jahr

12 Die Aufgabe in Zahlen Jeden Tag für Menschen Zugang zu Sanitärtechnik schaffen + Bevölkerungswachstum ( /d) = Menschen/d!!! Ausblick S P Ca N Mg orgc K Na 12

13 Kontakt Prof. Dr.-Ing. Norbert Dichtl Institut für Siedlungswasserwirtschaft Technische Universität Braunschweig Pockelsstr. 2a Braunschweig 13