Abwasser als Ressource

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1 Abwasser als Ressource Phosphor - Ein kritischer Rohstoff mit Zukunft Stuttgart Peter Cornel und Christian Schaum

2 Gliederung Zukünftige Herausforderungen für die Siedlungswasserwirtschaft Bevölkerungswachstum und Urbanisierung Verfügbarkeit/Limitierung von Ressourcen Abwasser als Ressource: Wasser Energie Nährstoffe Anforderungen an eine zukünftige Siedlungswasserwirtschaft Zusammenfassung und Ausblick documenta 13 Claire Pentecost Soil-erg Foto: Schaum 24. Juni 2015 TU Darmstadt Institut IWAR Schaum Cornel 2

3 Herausforderung 1: Bevölkerungswachstum United Nations 2012: World Population Prospects 24. Juni 2015 TU Darmstadt Institut IWAR Schaum Cornel 3

4 Herausforderung 2: Urbanisierung 24. Juni 2015 TU Darmstadt Institut IWAR Schaum Cornel 4

5 Herausforderung 2: Urbanisierung 24. Juni 2015 TU Darmstadt Institut IWAR Schaum Cornel 5

6 Herausforderung 3: Dynamik der Urbanisierung Beispiel Shanghai: 67 E/h > E/a Weltweit liegt der Zuwachs in den Städten bei mehr als 1 Millionen Menschen pro Woche! The Speed of Urban Change (Burdett & Rode 2007, modified with Data United Nations 2011, World Urbanization Prospects ) 24. Juni 2015 TU Darmstadt Institut IWAR Schaum Cornel 6

7 Herausforderung 4: Begrenzte Ressourcen Wasser Trinkwasser, Bewässerung, Brauchwasser etc. Energie Wasser für Energie Energie für Wasser Energie aus Abwasser Nährstoffe Endlichkeit und Verfügbarkeit (Phosphor, Stickstoff) Juni 2015 TU Darmstadt Institut IWAR Schaum Cornel 7

9 Abwasser ist ein Vielstoffgemisch org. Kohlenstoffverbindungen: Fette, Eiweiße, Kohlehydrate, Nährstoffe: N, P, K, Metalle / Schwermetalle: Fe, Cu, Zn, Al, Pb, Cr, Mn, Krankheitserreger: Keime, Viren, Wurmeier,. Salze: Ca, Mg, Na, K, Spurenstoffe / Mikroverunreinigungen Mikroplastik heute noch unbekannte / nicht detektierbare Stoffe 24. Juni 2015 TU Darmstadt Institut IWAR Schaum Cornel 9

10 Abwasser ist ambivalent Phosphor Stickstoff Kalium organischer Kohlenstoff Ressource Wasser potentielle und kinetische Energie Wärme Viren Wurmeier pathogene Keime Organik, N, P Schadstoffe Kupfer Zink Eisen AOXs PCBs PAHs endokrine Substanzen Haushaltschemikalien Hormone Antibiotika unknown unknowns 24. Juni 2015 TU Darmstadt Institut IWAR Schaum Cornel 10

11 Ressourcen im Abwasser Wasser Trinkwasser, Bewässerung, Brauchwasser etc. Energie Wasser für Energie Energie für Wasser Energie aus Abwasser Nährstoffe Endlichkeit und Verfügbarkeit (Phosphor, Stickstoff) Juni 2015 TU Darmstadt Institut IWAR Schaum Cornel 11

12 Ressource Wasser 1,2 Milliarden Menschen haben keinen Zugang zu sauberem Trinkwasser 2,7 Milliarden Menschen leben ohne Sanitärtechnik < 15 % der Weltbevölkerung sind an Kläranlagen angeschlossen Mangel an adäquatem Trinkwasser fordert jährlich ca. 2,2 Millionen Opfer Menschen, (hauptsächlich Kinder unter 5 Jahren), sterben täglich durch unreines Trinkwasser alle 15 Sekunden ein Mensch! Juni 2015 TU Darmstadt Institut IWAR Schaum Cornel 12

13 Wie viel Wasser braucht der Mensch? Häuslicher Wasserverbrauch 24. Juni 2015 TU Darmstadt Institut IWAR Schaum Cornel 13

14 Aufteilung des jährlichen Wasserbedarfs (Europa) 1-3 m³/(e a) für Trinken und Kochen ca. 50 m³/(e a) für Privathaushalte ca. 230 m³/(e a) für Industrie und öffentliche Dienstleistung m³/(e a) für Landwirtschaft zur Lebensmittelproduktion 24. Juni 2015 TU Darmstadt Institut IWAR Schaum Cornel 14

15 Jährlich pro Kopf benötigte Wassermenge um Nahrungsmittel mit einem Nährwert von kcal pro Tag zu erzeugen 20% Fleisch: theoretisch 680 m 3 aktuell m 3 Bildnachweis: A.J.B. Zehnder (EAWAG), Achema, Mai 2003; modifiziert Vegetarier: theoretisch 250 m 3 aktuell m 3

16 Wasserverfügbarkeit (Prognose) Bildnachweis: A.J.B. Zehnder, Achema, Mai 2003;

17 Hat Deutschland genug Wasser? Ja, wenn nur die Wasserversorgung für Haushalt und Industrie betrachtet wird. Bedingt ja, wenn Kraftwerke auch in trockenen Sommern mit Volllast betrieben werden sollen (Sommer 2003!; Gletscherrückgang, ) Bedingt ja, wenn wir bezüglich Lebensmittelproduktion autark sein wollten Derzeit werden auf 2,2 Mio. ha in Südamerika Soja für die deutsche Schweinemast angebaut (2,2 Mio. ha entspricht der Größe Hessens!) Ca Mg Rindfleisch werden überwiegend aus Südamerika importiert Nein, wenn zusätzlich substantielle Mengen Energiepflanzen angebaut werden sollen 24. Juni 2015 TU Darmstadt Institut IWAR Schaum Cornel 17

18 Wasserwiederverwendung Längst keine Frage ob, sondern wofür! Landwirtschaft Bewässerung Aquakultur Innerstädtisch, z.b. Toilettenspülung Bewässerung, Erholung Löschwasser, Autowäsche, Kühlung Trinkwasser Industrie Kühlwasser Prozesswasser Fit for purpose Eng verknüpft mit Energieeinsparung 24. Juni 2015 TU Darmstadt Institut IWAR Schaum Cornel 18

20 Ressource Energie Wasser und Energie: Wechselseitig verknüpft L/kWh Ölförderung 0,01 2,5 Biomasseproduktion Kühlwasser 0,07 4,2 Daten: Gerbens-Leenes et al., 2009 McMahon and Price, Juni 2015 TU Darmstadt Institut IWAR Schaum Cornel 20

21 Energieverbrauch Basis: Statistische Daten Deutschland [Daten: Branchenbild Wasserwirtschaft (2011), UBA (2006)] Endenergieverbrauch: Warmwassererzeugung einschl. Waschund Spülmaschine [AGEB (2011), RWI/forsa (2011)] Einleitung Schmutzstoffe (Toilette, Küche, etc.) 24. Juni 2015 TU Darmstadt Institut IWAR Schaum Cornel 21

22 Energieinhalt und Nutzung Potentielle Thermische Chemische Cornelsen, ,2 kwh/(e a) 750 kwh/(e a) 150 kwh/(e a) Wasserrad, Turbine Wärmetauscher Faulgas/BHKW Verschiedene Verschiedene Verbrennung/ Anlagen realisiert: Anlagen realisiert Turbine z.b. Kläranlage (Schweiz, Freital, Dresden, Deutschland) Mannheim Stand der Technik

23 Nutzungsmöglichkeiten der chemisch gebundenen Energie Kommunale Kläranlage (Vorklärung, Belebtschlammverfahren) Zulauf 100 % CSB 150 kwh/(e a) Abwasserbehandlung Klärschlamm 54 % CSB 81 kwh/(e a) Ablauf 8 % CSB Veratmung 38 % CSB 12 kwh/(e a) 57 kwh/(e a) 24. Juni 2015 TU Darmstadt Institut IWAR Schaum Cornel 23

24 Nutzungsmöglichkeiten der chemisch gebundenen Energie und Faulung Zulauf Abwasserbehandlung Faulung BHKW 100 % CSB 150 kwh/(e a) Faulgas 27% CSB 41 kwh/(e a) Ablauf 8 % CSB 12 kwh/(e a) Veratmung 38 % CSB 57 kwh/(e a) Wärme/ Verluste 18% CSB Strom 9% CSB 27 kwh/(e a) 14 kwh/(e a) 24. Juni 2015 TU Darmstadt Institut IWAR Schaum Cornel 24

25 Nutzungsmöglichkeiten der chemischen Energie und Verbrennung Zulauf Abwasserbehandlung Faulung BHKW Verbrennung Turbine 100 % CSB 150 kwh/(e a) Faulgas 27% CSB 41 kwh/(e a) Dampf 27% CSB 40 kwh/(e a) Ablauf 8 % CSB Veratmung 38 % CSB Wärme/ Verluste 18% CSB Strom 9% CSB Wärme/ Verluste 25% CSB Strom 2% CSB 12 kwh/(e a) 57 kwh/(e a) 27 kwh/(e a) 14 kwh/(e a) 37 kwh/(e a) 3 kwh/(e a) 24. Juni 2015 TU Darmstadt Institut IWAR Schaum Cornel 25

26 Jahresgang Strom (Beispiel KA mit EW Jahr 2013) kein ausgeprägter Jahresgang im Stromverbrauch Schwankungen im Faulgas durch Co-Substrat [Schaum et al., 2015] 24. Juni 2015 TU Darmstadt Institut IWAR Schaum Cornel 26

27 Abwasserbehandlung und Energiewirtschaft Energieverbrauch = Energiebereitstellung? Aktuell im Fokus Energieautarkie im Jahresmittel Wann wird Strom/Wärme im Tagesgang überhaupt benötigt? Ist der Jahresmittelwert ein ausreichender Ansatz? Interaktion Abwasserbehandlung mit Energiewirtschaft Beitrag zur Regelenergie Abnahme von Strom, wenn zu viel im Netz verfügbar? Bereitstellung von Strom, wenn zu wenig im Netz verfügbar Flexibilisierung von Strombedarf und -verbrauch auf der Kläranlage? 24. Juni 2015 TU Darmstadt Institut IWAR Schaum Cornel 27

28 Flexibilisierung Energiesystem Kläranlage (Beispiel KA mit EW Jahr 2013) Abhängigkeit von Zulauf (Regenwetter) ausgeprägter Tagesgang (Trockenwetter) [Schaum et al., 2015] 24. Juni 2015 TU Darmstadt Institut IWAR Schaum Cornel 28

29 Faulgaserzeugung mittels Co-Substrate Faulgaserzeugung einer kommunalen Kläranlage, Ausbaugröße EW Faulbehälter 1: Dosierung von Rohschlamm sowie Co-Substrat Faulbehälter 2: Dosierung von Rohschlamm [Schaum et al., 2014]

30 Umsatzrate Methanproduktion Laborversuche [Lensch et al., 2014] Baustein für ein intelligentes Steuerungssystem Einsatz für Lastspitzen (Lastmanagement)

31 Jahresgang Wärme (Beispiel KA mit EW Jahr 2013) ausgeprägter Jahresgang im Wärmeverbrauch Nutzung Wärmeüberschuss im Sommer? Heizwasserkreislauf C [Schaum et al., 2015] 24. Juni 2015 TU Darmstadt Institut IWAR Schaum Cornel 31

32 Abwasserbehandlungsanlage der Zukunft: Energiespeicher in der Interaktion mit technischer Infrastruktur im Spannungsfeld von Energieerzeugung und -verbrauch Gefördert durch das Bundesministerium für Bildung und Forschung - Förderkennzeichen: 02WER1322

34 Ressource Phosphor? Phosphor ist für sämtliche Lebensabläufe (Mensch, Tier, Pflanze) unentbehrlich/nicht substituierbar. Einsatz von mineralischen Phosphaten aus endlichen Lagerstätten vor allem für die Landwirtschaft. Marokko/West Sahara (77 %), Irak (8%), China (6 %), Sonstige (9 %) 80 % Landwirtschaft Preisanstieg Phosphat [Daten: aus LAGA, 2012] [Daten: Mundi, 2012] 24. Juni 2015 TU Darmstadt Institut IWAR Schaum Cornel 34

35 Einsatzorte P-Rückgewinnung Klärschlamm (1) aus Prozesswasser der Schlammbehandlung (Entwässerung von Faulschlamm) (2) aus Faulschlamm direkt im Faulturm, oder durch Aufschluss (3) aus Klärschlammasche nach einer thermischen Monoklärschlammverwertung (keine Mitverbrennung) 24. Juni 2015 TU Darmstadt Institut IWAR Schaum Cornel 35

36 Vergleich der Stoffströme (konventionelle Abwasserbehandlung) Faulschlamm Prozesswasser Asche Volumen-/ Massenstrom ca. 1 L/(E d) ca. 0,9 L/(E d) ca. 0,0202 kg/(e d) Feststoffkonzentration (TR) Kleiner Mengenstrom Höchste P-Konzentration Trocken Keine Organik 2-4 % % Glührückstand (GR) % % Phosphor (P ges ) 2-5 % bez. auf TR (900 mg/l) mg/l 5-10 % bez. auf TR max. P-Potential (bez. auf Zulauf KA) rd. 90 % rd. 10 % rd. 90 %

37 Schlamm- Asche Klärschlamm Faulschlamm wasser Zulauf Mitverbrennung Deponie Monodeponie 100 % P Abwasserbehandlungsanlage 10 % P Ablauf 90 % P Faulung Adsorption/ Fällung nasschemische Verfahren Klärschlammentwässerung Fällung Kristallisation P-recovery P-recovery Monoverbrennung* Landwirtschaft P-recovery Landwirtschaft Teilaufschluss der Aschen nasschemische/ thermochemische Aufbereitung P-recovery P-recovery P-recovery P-recovery Metallurgie P-recovery *bzw. Vergasung, Pyrolyse, etc TU Darmstadt Institut IWAR Cornel und Schaum 37

38 Verfahrensentwicklungen teilweise nur im Labormaßstab Abwasser- und Prozesswasser Klärschlamm Klärschlammasche Kristallisations- und Fällungsverfahren Kristallisationsverfahren Nasschemischer Aufschluss Phostrip DHV Crystalactor Ostara Pearl Unitika Phosnix Nishihara NuReBas NuReSys Kurita Festbettreaktor Ebara MAP Kristallisation Treviso CSIR Wirbelschichtreaktor REPHOS P-RoC Sydney Waterboard Reaktor PHOSPAQ Ionentauschverfahren REM NUT PHOSIEDI Kombinations- und Sonderverfahren RECYPHOS Magnetseparator AirPrex NuReSys PECO PRISA Adsorptionsverfahren FIXPhos Säureaufschluss Stuttgarter-Verfahren Seaborne Gifhorner-Verfahren Hydrothermaler Aufschluss/Oxidation Cambi-Prozess Kemira KREPRO Aqua-Reci Phoxan Loprox Thermochemischer Aufschluss Mephrec ATZ-Eisenbadreaktor RecoPhos RÜPA-/PASCH (erweitertes) SEPHOS SESAL-PHOS BioCon LEACHPHOS Eberhard-Verfahren EcoPhos RecoPhos Thermochemischer Aufschluss AshDec/Susan Mephrec ATZ-Eisenbadreaktor RecoPhos Elektrokinese EPHOS Bioleaching Inocre P-bac [Remy, 2013, Fraunhofer Umsicht, 2012] 24. Juni 2015 TU Darmstadt Institut IWAR Schaum Cornel 38

39 Jahreskosten ohne Produkterlöse Schlamm/Wasser: EW, Asche Mg/a spez. Kosten [ /kg P] 28,0 24,0 20,0 16,0 12,0 8,0 4,0 0,0 Bezug Einwohner: Prozesswasser Asche < Klärschlamm Bezug Produkt (Phosphor) Asche < Prozesswasser < Klärschlamm Prozesswasser Klärschlamm Asche spez. Kosten [ /(E a)] P-Fracht [kg P/(E a)] 0,6 0,3 0,1 [Egle, Rechberger, Zessner; 2014, modifiziert] rd. 90 % rd. 45 % rd. 15 % 24. Juni 2015 TU Darmstadt Institut IWAR Schaum Cornel 39 bez. auf Zulauf KA

40 From Push to Pull Vom Ver-/Entsorger zum Erzeuger von Produkten und zuverlässiger Partner für Produktabnehmer Konstante Produktqualität Lieferbare Produktmengen Attraktive Verkaufsstrukturen, Logistik etc. Konkurrenzfähige Kosten/Preise Referenzen Grundsätzliche Fragestellung: Warum soll die Phosphatindustrie Rohphosphat durch rückgewonnenes Phosphat ersetzen? 24. Juni 2015 TU Darmstadt Institut IWAR Schaum Cornel 40

42 Wie sieht die Kläranlage der Zukunft aus? In Europa und der entwickelten Welt Weiterentwicklung bestehender Systeme? Mischformen In noch nicht entwickelten Regionen Große Vielfalt Kopie der Industrienationen Neue Konzepte und Systeme welche die Komponenten eines modernen Wassermanagements des 21. Jahrhunderts berücksichtigen, z.b. Wasserwiederverwendung Energieeffiziente Aufbereitung Wärmerückgewinnung Nährstoffrückgewinnung Flexibilität und Resilienz von Infrastruktursystemen 24. Juni 2015 TU Darmstadt Institut IWAR Schaum Cornel 42

43 Ressourcen-Effizienz erfordert neue Infrastrukturlösungen 1. Wasserwiederverwendung erfordert Dezentralisierung 2. Wärmerückgewinnung erfordert Dezentralisierung 3. Hohe Wasserqualitäten erfordern professionellen Betrieb besser semizentral als dezentral 4. Kleinräumigere Infrastruktur ist flexibler und reduziert Vulnerabilität (Naturkatastrophen, Terrorismus, ) 5. Energie autarkie erfordert Verknüpfung verschiedener Sektoren (Wasser, Abwasser und Abfall) 24. Juni 2015 TU Darmstadt Institut IWAR Schaum Cornel 43

44 Beispiel: integrierte Behandlung auf Quartiersebene mitwachsend flexibel angepasst integral (Wasser, Abwasser, Abfall, Energie) geschlossene Bauweise emissionsarm So klein wie möglich, so groß wie nötig [Bieker et al., 2015] 24. Juni 2015 TU Darmstadt Institut IWAR Schaum Cornel 44

45 Semizentral Ver- und Entsorgungszentrum [Bieker et al., 2015] 24. Juni 2015 TU Darmstadt Institut IWAR Schaum Cornel 45

46 Merkmale 40% Wassereinsparung durch Wasserwiederverwendung z.b. zur Toilettenspülung Wärmerückgewinnung aus Grauwasser (Dusche, Badewanne, Waschmaschine) Energie aus Klärschlamm und Bioabfall Überschuss an elektrischer Energie Zusätzlich Wärmeenergie Landwirtschaftliche Nutzung der nährstoffreichen stabilisierten Reststoffe Flexible mitwachsende Struktur 24. Juni 2015 TU Darmstadt Institut IWAR Schaum Cornel 46

47 RRC in Qingdao ShiYuan Cosalux u. Susanna Neunast 24. Juni 2015 TU Darmstadt Institut IWAR Schaum Cornel 47

48 Zusammenfassung und Ausblick Die erste Aufgabe der Abwasserreinigung ist die Reinigung von Abwasser zum Schutz der Gewässer und nachgelagerter Nutzer Im Abwasser enthaltene Stoffe können zurückgewonnen werden Die Sinnhaftigkeit einer Rückgewinnung hängt von zahlreichen örtlich und zeitlich variablen Randbedingungen ab. Derzeit stehen Wasser, Energie und Phosphat im Fokus Forschungsprojekte befassen sich mit der Rückgewinnung resp. Produktion von Proteinen, Biopolymeren, Zellulose, Stickstoff, Fe-/Al-Salze, Li, Zn, Cu, Ni, Ag, Algen und Polyhydroxyalkanoate (PHA), Bioplastik, Synthesegas, Reinigungschemikalien, Laugen, 24. Juni 2015 TU Darmstadt Institut IWAR Schaum Cornel 48

49 Zusammenfassung und Ausblick Der Wert eines Stoffes ist keine Stoffeigenschaft Der Wert hängt ab von: Aufwand der (Rück-)-Gewinnung (Energie, Manpower, Kosten) Reinheit, Konzentration, Verwertbarkeit Nachfrage Ressourcenrückgewinnung erfordert ein geändertes Selbstverständnis Vom Entsorger zum Produzenten Qualitätsstandards, Verfügbarkeit, Produktakzeptanz, Liefergarantien, Kundenorientierung, etc. From Push to Pull Nutzung der Ressourcen setzt ggf. Infrastruktursysteme voraus Nahe an der Quelle Angepasste Qualität ( fit for purpose ) Integrierte Infrastruktur (Wasser, Abwasser, Bioabfall, Energieerzeugung 24. Juni 2015 TU Darmstadt Institut IWAR Schaum Cornel 49

50 Abwasser als Ressource Phosphor - Ein kritischer Rohstoff mit Zukunft Stuttgart Prof. Dr.-Ing. Peter Cornel und Dr.-Ing. Christian Schaum