VERFAHREN ZUR OPTIMIERUNG DER ANAEROBEN SCHLAMMBEHANDLUNG BEI ANWENDUNG DER BIOLOGISCHEN PHOSPHATELIMINATION

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1 VERFAHREN ZUR OPTIMIERUNG DER ANAEROBEN SCHLAMMBEHANDLUNG BEI ANWENDUNG DER BIOLOGISCHEN PHOSPHATELIMINATION W. Ewert, Hamburg 1 THEMATISCHE EINFÜHRUNG Grundsätzlich ist die Idee der erhöhten biologischen Phosphorelimination (EBPE) verfahrenstechnisch ein elegantes Verfahren, um Phosphor aus dem Abwasserstrom zu beseitigen. Bei entsprechender Bemessung der Kläranlage und auf dieses Verfahren angepasster technischer Betriebsführung kann Phosphor durch die Anreicherung in den Bakterienzellen (luxury uptake) ohne nennenswerten Einsatz von Fällmitteln ausgeschleust werden. Die Remobilisierung von Phosphaten unter anaeroben Bedingungen, in der Regel im Faulturm, stellt häufig bei diesem Verfahren ein zentrales Problem dar und kann das ansonsten wirtschaftliche Verfahren wieder in einen unwirtschaftlichen Bereich umkehren lassen, da die freigesetzten Phosphate zum Teil erhebliche nachteilige Auswirkungen auf die nachfolgende Schlammbehandlung haben. Die negativen Auswirkungen können im Wesentlichen in drei Punkten zusammengefasst werden: 1. Durch die erhöhte Wasserbindung des Faulschlammes, teilweise bedingt durch den erhöhten ortho-phosphatgehalt, kann es zu einer tendenziellen Verschlechterung der Schlammentwässerung kommen. Dies kann sich sowohl als Verschlechterung der Austragstrockensubstanzwerte auswirken als auch in einer Erhöhung der Einsatzmenge an Flockungshilfsmitteln. 2. Die Rücklösung bei der anaeroben Umsetzung kann die ortho-phosphatwerte im Schlammwasser auf mg/l PO 4 -P ansteigen lassen. Das durch die Schlammentwässerung abgetrennte Schlammwasser wird mit diesen erhöhten PO 4 -P-Werten in die Biologie zurück geleitet, so dass nicht nur die Effektivität in Bezug auf die P-Elimination sinkt, sondern häufig doch wieder der Einsatz von Metallfällsalzen notwendig wird. 3. Der erhöhte ortho-phosphatgehalt kann beim Vorliegen geeigneter ph-werte zu einer Problematik durch Kristallisationen als Magnesiumammoniumphosphat (MAP, Struvit) führen. Die aufgeführten Effekte können gemeinsam oder auch einzeln auftreten, zu Betriebsstörungen führen und erhöhte Kosten verursachen, so dass die eigentlichen Vorteile der vermehrten biologischen Phosphatelimination stark reduziert werden oder sogar zu einem negativen Ergebnis gegenüber der Metallsalzfällung führen. Im Folgenden soll ein Verfahren dargestellt werden, das trotz der aufgeführten möglichen Nachteile zu einem wirtschaftlichen Einsatz der erhöhten biologischen Phosphatelimination beitragen und die aufgeführten Nachteile vermindern oder gänzlich beseitigen kann. Darüber hinaus trägt es durch die Teilrückgewinnung von Phosphor in Form von Magnesium-Ammonium-Phosphat zur nachhaltigen Nutzung der begrenzten Phosphatreserven bei. DWA 2009, Hennef Seite 1/13

2 2 Generelle Möglichkeiten der Optimierung sowie der Phosphorrückgewinnung auf Kläranlagen Bild 1 zeigt die grundsätzlichen Möglichkeiten, Kläranlagen mit vermehrter biologischer Phosphorelimination zu optimieren sowie Möglichkeiten zur Phosphatrückgewinnung. Die erste Möglichkeit, Phosphat konzentriert zurückzugewinnen, besteht im Überschussschlamm, der ca. 90% der Phosphate enthält, die sich in den Klärschlämmen befinden. Eine weitere sinnvolle Möglichkeit, Phosphate zu gewinnen, besteht zwischen Faulturm und Entwässerung. Während der Faulung wird ein Teil der Phosphate rückgelöst, was häufig zu einer Verschlechterung der Entwässerung führt. Daher erreicht man durch eine Verminderung des gelösten Phosphats an dieser Stelle neben der Rückgewinnung vor allem eine Verbesserung der Entwässerung, wodurch diese Verfahren schon heute wirtschaftlich sehr interessant sind. Bild 1: Generelle Möglichkeiten der Optimierung sowie der Phosporrückgewinnung auf Kläranlagen Verfahren, die nach der Schlammentwässerung ansetzen, führen zu keinen Verbesserungen beim Betrieb der Kläranlage und müssen sich allein durch den DWA 2009, Hennef Seite 2/13

3 Verkauf der phosphathaltigen Produkte rechnen. Grundsätzlich gibt es nach der Entwässerung die Möglichkeit, Phosphat aus dem Schlammwasser und aus der Klärschlammasche zurückzugewinnen. Bei der ersten Option reduziert sich die Rückbelastung durch Phosphor, die zweite Variante setzt eine Monoverbrennung der Klärschlämme voraus. Die thermische Desintegration der Klärschlämme vor der Faulung stellt insofern eine Optimierung der Schlammbehandlung dar, als dass sich zum einen der Ausfaulgrad erhöht und zum anderen der Entwässerungsgrad, da bei der thermischen Hydrolyse die extrazellulären polymeren Substanzen zerstört werden, die durch ihre negative Oberflächenladung und ihr starkes Wasserbindevermögen die Entwässerung beeinträchtigen. 3 WIRTSCHAFTLICHES POTENZIAL DER OPTIMIERUNGS- MAßNAHMEN 3.1 Beeinflussung der P-Bilanz durch die anaerobe Rücklösung von Phosphor Wie bereits erwähnt worden ist, stellt die Rücklösung von Phosphor als ortho-phosphat bei der anaeroben Umsetzung das eigentliche Kernproblem dar. Der Mechanismus ist im folgenden Bild 1 schematisch dargestellt. Bild 2: Phosphat-Transfer unter aeroben und anaeroben Bedingungen Die qualitative Auswirkung dieser P-Rücklösung soll anhand des Klärwerks Mönchen- Gladbach Neuwerk (Niersverband) im Folgenden exemplarisch beziffert werden. Bei einem Gesamtphosphorzulauf von 28 t/ Monat (100%) und bei Einhaltung des P- Ablaufwertes von < 0,5 mg/ l werden ca. 2,5 t P mit dem Ablauf abgegeben, was ca. 9% der Zulaufmenge darstellt. Die Rücklöserate bei der anaeroben Umsetzung im Faulraum beträgt in diesem Beispiel 5 t/ Monat, was einer Rücklöserate von 18% entspricht. In anderen Klärwerken wurden Rücklöseraten zwischen 15 und 23% beobachtet. Die 5 t Phosphor sind in diesem Fall messbar als PO 4 -Werte im Schlammwasser von ca mg PO 4 / l. Diese Werte werden nach der Schlammentwässerung durch Zentrifugen im Zentrat gemessen, wobei davon auszugehen ist, dass bereits ein nicht unerheblicher Anteil zuvor im Faulraum als MAP ausgefallen ist. DWA 2009, Hennef Seite 3/13

4 Das mit derart hohen Phosphor-Werten belastete Zentrat wird in die Biologie zurückgeleitet und muss zusätzlich eliminiert werden. Da hierdurch häufig die Kapazität der vermehrten biologischen Phosphatelimination in seiner Eliminationsleistung überschritten wird, gehen viele Anlagen dazu über, eine ergänzende Fällung mit Metallsalzen durchzuführen, wodurch die Einsparungen durch die erhöhte biologische P-Elimination teilweise wieder aufgehoben werden. 3.2 Einfluss auf die Schlammentwässerung Geht man davon aus, dass ein Faulraum mit Primär- und Überschussschlamm beschickt wird, so ist zweifellos der Letztere am schwersten zu entwässern. Überschussschlamm besitzt eine ausgeprägte Hydrogelstruktur, die hauptsächlich durch extrazelluläre polymere Substanzen (EPS) dargestellt wird. Phosphate stabilisieren diese Gelstruktur und erhöhen somit die wasserbindenden Eigenschaften des Überschussschlammes. Zusätzlich spielt natürlich die Abwesenheit der Metallionen aus den Fällsalzen eine Rolle, da sie in ihrer Eigenschaft als Koagulanten wegfallen. Bild 3 zeigt den Verlauf der Schlammentwässerung vom August 1998 bis Ende 2005 auf der KA Mönchengladbach Neuwerk. Aus der Graphik ist ersichtlich, dass es durch die Umstellung auf die erhöhte biologische Phosphorelimination in dieser Zeit zu einer massiven Verschlechterung der Faulschlammentwässerung gekommen ist. Bild 3: Entwicklung der Trockenstoffgehalte bei der Schlammentwässerung über einen Zeitraum von 7 Jahren DWA 2009, Hennef Seite 4/13

5 Bild 4 zeigt hierzu den Zusammenhang zwischen PO 4 -Konzentartion und Austrags-TR bei der Schlammentwässerung. Aus der Graphik wird deutlich, dass durch gezielte Reduktion des rückgelösten Phosphats im Faulschlamm ein hohes Potential zur Verbesserung der Entwässerung und damit zur Kosteneinsparung besteht Austrags-TR [%] PO 4 -Konzentration [mg/l] Bild 4: Zusammenhang zwischen Austrags-TR und Phosphatgehalt bei der Schlammmentwässerung DWA 2009, Hennef Seite 5/13

6 4 Vorstellung des Airprex-Verfahrens Die negative Beeinflussung der vermehrten biologischen Phosphatelimination auf die nachfolgende Schlammbehandlung geht von der Rücklösung der Phosphate bei der anaeroben Umsetzung aus. Es ist deshalb nur konsequent, dass direkt danach eine gezielte P-Senke eingeführt wird, die möglichst früh die negativen Auswirkungen unterbindet. Da die Phosphate zu ca. 90% mit dem Überschussschlamm in den Faulraum eingeschleust werden, ist der frühestmögliche Zeitpunkt zur Entfernung von P aus dem Überschussschlamm vor der Zugabe in den Faulraum. An dieser Stelle soll beispielhaft das PRISA-Verfahren erwähnt werden, das diese Aufgabe erfüllt, wenn auch technisch aufwendiger. Das Prinzip und die Realisierung dieses Verfahrens sind ebenso einfach wie wirkungsvoll: Das in der Faulstufe remobilisierte Phosphat wird direkt nach der Faulung unter ph-anhebung durch Luftstrippung und Zugabe von magnesiumhaltigen Fällsalzen als MAP gefällt. Durch diese P-Senke wird der PO 4 -P Gehalt um ca. 90% reduziert und die P- Rückführung in die Anlage unterbrochen. Die MAP-Kristallisation wird in einem dafür konzipierten Reaktor durchgeführt, also gewissermaßen vorgezogen, so dass betriebsstörende Kristallisationen in anschließenden Anlagen sicher ausgeschlossen sind. Dem Schlammsystem werden die ortho-phosphate entzogen, das Wasserbindevermögen der Kolloide wird herabgesetzt und damit die Schlammentwässerung deutlich verbessert. Bild 5: MAP-Fällung nach der Faulung in einem 2-stufigen Fällungsreaktor DWA 2009, Hennef Seite 6/13

7 Der Prozess wird in einer zweistufigen Fällungskaskade kontinuierlich durchgeführt. Die Luftstrippung treibt CO 2 aus, der ph-wert des Faulschlammes steigt dadurch auf ca. 7,6 8,0 an. Das Fällmittel führt im Reaktor 1 Mg-Ionen zu, wobei nach folgender Gleichung MAP gebildet wird: Mg 2+ + NH H 2 PO H 2 O MgNH 4 PO 4 * 6H 2 O + 2H + Die Fällreaktion wird im Reaktor 2 abgeschlossen, wodurch sichergestellt wird, dass Nachfällungen im weiteren Verlauf der Anlage ausgeschlossen sind. Bild 5 zeigt eine überschlägige P-Bilanz des Klärwerkes Mönchengladbach-Neuwerk. Die P-Rückbelastung durch das Schlammwasser aus der Entwässerung stellt ca. 14% zum Gesamt P-Zulauf dar. Der Wert sinkt auf unter 2% nach Einführung der MAP- Fällstufe. Ca. 90% des im Faulraum rückgelösten PO 4 -P-Anteils werden im MAP gebunden. Bild 6 : Bilanz der P-Ströme im Klärwerk Mönchengladbach-Neuwerk Die jährlichen Einsparungen von ,- entstehen durch den Vergleich der vermehrten biologischen Phosphatelimination, die zuvor betrieben wurde zu dem seit ca. 3 Jahren eingesetzten Fällungsverfahrens auf Basis der Daten aus dem Jahr Die nachfolgende Grafik zeigt die Funktion des Einsparpotenzials ausschließlich berechnet auf den höheren Entwässerungsgrad und den damit verbundenen geringeren Entsorgungskosten des entwässerten Klärschlammes. Die tägliche Klärschlammmenge beträgt ca m³/ d mit 3,5% TS. DWA 2009, Hennef Seite 7/13

8 Kosteneinsparung [ /Jahr] Steigerung des Entwässerungsgrades [%] Bild 7: Einsparpotential (netto) durch die Verbesserung der Entwässerung auf dem Klärwerk Mönchen-Gladbach Neuwerk Interessant ist der Vergleich dreier Varianten auf dieser Kläranlage. Die Variante 0 zeigt die Gesamtkosten bei Einsatz von Eisen-III-chlorid zur Unterdrückung der biologischen Phosphatelimination. Hier wurde ein Betafaktor von 1,3 zugrunde gelegt, was einer Dosierung von 20 g/m 3 Zulaufwasser entspricht. Die Variante 1 stellt die Kosten in Abhängigkeit vom Austrags-TR bei Einsatz der reinen vermehrten biologischen Phosphatelimination ohne anschließende MAP-Fällung dar. Die Variante 3 zeigt letztlich das heute betriebene Verfahren, d.h. die biologische Phosphatelimination mit anschließender Fällung der rückgelösten Phosphate als MAP (AirPrex- Verfahren). Die heute durchschnittlich erzielten Trockensubstanzgehalte bei der Schlammentwässerung liegen bei ca % TR, so dass das größte Einsparpotenzial gegenüber der Eisenchlorid-Fällung erzielt wird, gefolgt von dem reinen Bio- P-Verfahren ohne jegliche Nachfällung. DWA 2009, Hennef Seite 8/13

9 Gesamtkosten in [Euro/a] Kostenbasis ß= 1, Variante 1 Variante 2 Variante TR im Austrag (%) MAP- Fällungsanlage (Var.2) 20gFe/m³KW Zul (Var. 0) Ohne Fällung u. Bio-P (Var. 1) Bild 8: Kostenvergleich Nullvariante (Unterdrückung von Bio-P) und MAP- Fällungsanlage Neben den wirtschaftlichen Betrachtungen ist eine Abschätzung des Aufsalzungseffektes bei der Simultanfällung (Variante 0) in der Niers interessant. Gemeint ist hier die Freisetzung von Chlorid aus den Fällreaktionen mit Eisensalzen (mit FeCl 3 als rein chemische P-Fällung) im Vergleich zu der favorisierten Variante 2 (Bio-P, MAP-Vorbehandlung). Berechnet wurde die Freisetzung von Chlorid, die auftritt, um den P- Grenzwert von 0,5 mg/l einzuhalten. Ausgegangen wurde von der FeCl 3 Einsatzmenge von t/a (Mittelwert 1998/99) mit einer Freisetzung von 950 t Cl - /a. Für das Kombinationsverfahren Bio-P/ MAP-Vorbehandlung wird eine MgCl 2 -Menge von ca. 900 t/a benötigt. Hierbei werden nur 190 t Cl - freigesetzt, somit also 760 t Cl - weniger, was einer Reduktion von ca. 80% entspricht. Im Hinblick auf die Gewässerökologie des Vorfluters Niers stellt die Verfahrenskombination Bio-P/MAP-Vorbehandlung im Vergleich zur klassischen Fällung mit Eisensalzen eine erhebliche Entlastung dar. 5 Möglichkeiten zur Nutzung des gewonnenen Magnesiumammoniumphosphates Das quasi nebenbei anfallende MAP steht nach entsprechender Rückgewinnung und Reinigung als relativ wertvoller Rohstoff besonders im Bereich der Düngung zur Verfügung. Die Kristalle können in einfachster Form durch Sedimentation aus dem System ausgetragen werden und nach Aufbereitung in einem relativ einfachen Waschverfahren als Düngemittel verkauft werden. Im Gegensatz zu anderen in der DWA 2009, Hennef Seite 9/13

10 Vergangenheit häufig diskutierten Phosphatrückgewinnungsverfahren ist das hier beschriebene AirPrex-MAP-Verfahren nicht mit dem Ziel eines Phosphatrecyclings in den Markt eingeführt worden, sondern vielmehr als Optimierungsmaßnahme wie bereits zuvor beschrieben. Der Rohstoff MAP oder Struvit wird hier sozusagen nebenbei gewonnen, so dass nicht die Gesamtkosten der zuvor beschriebenen Anlage der Gewinnung dieses Produktes zugeschlagen werden dürfen, sondern vielmehr nur die Kosten für die Aufbereitung als verkaufsfertiger Rohstoff. Die Kosten für die Aufbereitung in einer solchen vermarktungsfähigen Form müssen dann selbstverständlich mit dem zu erzielenden Erlös für dieses Produkt verrechnet werden. Für das zuvor erwähnte Beispiel der Kläranlage Mönchengladbach-Neuwerk wurde eine solche Berechnung zuvor aufgestellt und wird im Folgenden aufgezeigt. Klärschlammmenge PO4-Konzentration Investitionskosten Anschluß- und Nebenkosten Nutzungsdauer Zinssatz Erlös MAP prozentuale MAP-Ausbeute 1200 m³/d 500 mg/l , ,00 15 Jahre 5,0 % 50,0 /t 80,0 % theoretische MAP-Menge geschätzte Ausbeute Investitionskosten Nutzungsdauer Zinssatz Kapitalwiederbeschaffung (inkl. AfA und Kapitaldienst) Wartungskosten (1%) Personalkosten Gesamtkosten / anno Gesamt-Erlös MAP Gewinn 1,5 t/d 561,5 t/a 449,2 t/a ,00 15 Jahre 5,00 % 4.817,11 /a 500,00 /a 7.000,00 /a /a /a /a Bei diesem Beispiel wurden als Investitionskosten die Kosten für eine modifizierte Sandwaschanlage und ein zu erzielender Erlös von 50,- / t des gereinigten Kristallisationsproduktes eingesetzt. Bei einem zu erzielenden Gesamterlös für das aufbereitete MAP von ca ,- entsteht ein zu erzielender Gewinn von ca ,- gegenüber, der in den bisherigen Berechnungen nicht mit aufgeführt DWA 2009, Hennef Seite 10/13

11 6. Klärschlammtage Fulda worden ist. Dieser Betrag erscheint zunächst relativ gering, wobei berücksichtigt werden muss, dass das Kristallisationsprodukt ansonsten verunreinigt entsorgt werden müsste, wofür bisher Kosten in Höhe von ca ,- pro Jahr entstanden sind. Oder aber das entstandene MAP wird in seiner feinen Kristallstruktur durch die Schlammentwässerung ausgetragen, wobei dann aber für eine Menge von ca. 560 t/ a Entsorgungskosten gegen gerechnet werden müssen, die mit ca ,- zu veranschlagen sind. Insofern stellen die Aufbereitung und der Verkauf des entstandenen MAP s sowohl in ökologischer als auch in wirtschaftlicher Hinsicht eine sinnvolle Nutzungsalternative dar. Bild 9: Gewaschnes MAP zum Verkauf an die Düngemittelindustrie Der Gedanke des Phosphatrecyclings ist in den letzten Jahren auch angesichts steigender Phosphatpreise immer stärker diskutiert worden, weshalb das Interesse der Düngemittelindustrie an dem aus Klärschlamm gewonnenen Struvit in der letzten Zeit erheblich gestiegen ist. Die Abnahme des gereinigten Produktes kann daher als gesichert angesehen werden. Die nachträgliche Fällung des remobilisierten Phosphates ist sicherlich eine sinnvolle Ergänzung zur biologischen Phosphatelimination. Es sollen dennoch die Grenzen dieses Verfahrens aufgezeigt werden, die in der wirtschaftlichen Betrachtung von vielen Faktoren abhängig sind, wobei an erster Stelle die Entsorgungskosten zu nennen sind und die damit verbundenen DWA 2009, Hennef Seite 11/13

12 6. Klärschlammtage Fulda Einsparungen durch die Erhöhung des Entwässerungsgrades. Bei einer Anlage, die eine vermehrte biologische Phosphatelimination betreibt und dennoch bereits Entwässerungswerte von z.b. 25% erzielt, wird sicherlich ein geringeres Einsparpotenzial aufweisen als eine Anlage, die durch das Bio-P-Verfahren bereits auf 20 oder 22% TR abgefallen ist. Weiterhin ist die MAP-Fällung kein Allheilmittel für einen schwer zu entwässernden Schlamm, der z.b. durch einen schlechten Ausfaulgrad problematisch geworden ist. Es gibt unterschiedliche Gründe, die zu guten oder schlechten Entwässerungsergebnissen beitragen und es kann selbstverständlich mit diesem Verfahren nur dann eine Verbesserung erzielt werden, wenn eine Verschlechterung durch Einführung des Bio-P-Verfahrens und dem hohen Rücklöseanteil von Phosphat vorliegt. Auch nach Einführung des AirPrex-Verfahrens gibt es Schwankungen im Entwässerungsgrad, die nicht durch die Einführung der biologischen Phosphatelimination hervorgerufen werden. Die nachfolgende Grafik soll verdeutlichen, dass es auch nach Einführung der MAP-Fällung zu Schwankungen in der Schlammentwässerung kommen kann, die auch durch dieses Verfahren nicht komplett kompensiert werden können, aber grundsätzlich auf einem höheren Niveau der natürlichen Schwankung folgen. Entwässerungsergebnis ohne Phosphat (AirPrex) Effekt bei z.b. 500 mg/l PO 4 mit Phosphat Zeit Bild 10: Schwankungen der Schlammentwässerung bei Verwendung des AirPrexVerfahrens (obere Kurve) und ohne Verwendung des AirPrex-Verfahrens DWA 2009, Hennef Seite 12/13

13 6. Klärschlammtage Fulda 5 Fazit Aufgrund der oben dargestellten Zusammenhänge gibt es bei Anlagen, die mit erhöhter biologischer Phosphorelimintaion arbeiten, ein hohes Optimierungspotential, insbesondere bei der Schlammentwässerung. Durch den Einsatz des AirPrex-Verfahrens auf Bio-P-Anlagen wird eine gezielte Phosphatsenke vor der Entwässerung eingebaut, wodurch sich das Entwässerungsverhalten des Faulschlammes deutlich verbessert. Darüber hinaus werden ungewollte Kristallisationen in der Schlammbehandlung verhindert und die Rückbelastung der Kläranlage mit Phosphor stark reduziert. Das bei dem Verfahren anfallende MAP ist ein hochwertiges Produkt, das z. B. als Düngemittel eingesetzt werden kann und zu einer nachhaltigen Nutzung der begrenzten Phosphorreserven beiträgt. Das AirPrex-Verfahren ist als sinnvolle Ergänzung zum Bio-P-Verfahren anzusehen, mit dem die Nachteile des Verfahrens effizient beseitigt werden können. Seine Wirksamkeit und hervorragende Kosten-Nutzen-Relation hat es auf den Großkläranlagen Berlin-Waßmannsdorf und Mönchengladbach-Neuwerk unter Beweis gestellt. DWA 2009, Hennef Seite 13/13