Einsatz oder Ersatz synthetischer Polymere bei der Entwässerung von Klärschlämmen und Gärrückständen zur Verwertung

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1 Einsatz oder Ersatz synthetischer Polymere bei der Entwässerung von Klärschlämmen und Gärrückständen zur Verwertung Dr.-Ing. Julia B. Kopp Kläranlagen Beratung Kopp Hintere Str D Lengede DWA: stellv. Obfrau KEK 2 Sprecherin KEK 2.3 Mitglied KEK 13; KEK 2.4 Referentin Abwassermeister-Fortbildung 1

2 Gliederung Aktuelle rechtliche Entwicklungen Wieviel Polymer wird eingesetzt? Was bedeutet eine Frachtenregelung für den Betreiber? Wie kann der Polymereinsatz optimiert werden? Wie weit sind die Alternativprodukte? Zusammenfassung 2

3 DümV (D) BMEL Verordnungsentwurf ( ) Derzeit - DümV: Die derzeit geltende Düngemittelverordnung erlaubt den Einsatz synthetischer Polymere zur Schlammentwässerung nur noch bis zum 31. Dezember Ab dem dürfen nur Polymere eingesetzt werden, die sich in 2 Jahren zu mindestens 20% abgebaut werden Angedacht - Entwurf Änderungsverordnung: Angedacht ist eine Frachtenregelung, die eine Mengenbegrenzung von jährlich 15 kg WS/ha ( drei Jahren) für synthetische Polymere vorsieht. Diese Regelung soll ab dem 1. Januar 2018 gelten. Der Entwurf des BMELV befindet sich derzeit in der Ressortabstimmung. Begründet wird die Frachtenregelung auf der Empfehlung des wissenschaftlichen Beirat für Düngungsfragen des BMELV der, bei Verwendung von synthetischen Polymeren aus toxikologischer und ökotoxikologischer Sicht nach gegenwärtigem Kenntnisstand keine unvertretbaren Risiken erwartet, aber sich mögliche schädliche Bodenveränderungen nicht mit Sicherheit ausschließen lassen. 3

4 8.1.3 Polymere, Entwurf DümV (D) BMEL ( ) synthetisch oder auf Basis von Chitin oder [Stärke] Im Falle synthetischer Polymere, die ausschließlich in geschlossenen Systemen verwendet und anschließend entsorgt werden, ist ab dem eine darauf folgende Verwertung zur Verwendung als Stoff nach 2 Düngegesetz, ausgenommen zum selben Zweck, nicht zulässig. Zur Steuerung des Wassergehaltes (Flockungs- und Konditionierungsmittel oder zur Wasserspeicherung). Auch als Antihaftmittel im Rahmen der Aufbereitung. Im Falle einer Verwendung synthetischer Polymere nach Satz 1 ab dem Ergänzung der Kennzeichnung im Rahmen der Hinweise zur sachgerechten Anwendung mit den Wörtern: Anwendungsvorgabe: Dieses Produkt oder Material enthält synthetische Polymere. Produkte oder Materialien, die synthetische Polymere enthalten, dürfen auf derselben Fläche nur so angewendet werden, dass die hierbei aufgebrachte Menge an synthetischen Polymeren 15 kg (Wirksubstanz) jährlich im Durchschnitt eines 3-Jahreszeitraumes nicht überschritten wird. Zur Einhaltung der nach Satz 2 höchstens zulässigen Menge darf die Aufwandmenge dieses Produktes [einsetzen der Aufwandmenge, bei der die nach Satz 2 höchstens zulässige Menge eingehalten wird, in kg TM/ha oder anderer angegebener Einheit] nicht überschreiten. Anwendung nur bei tatsächlichem Bedarf. Die Kennzeichnungsvorgaben nach Satz 3 gelten nicht im Falle synthetischer Polymere, für die ein Abbau von mindestens 20 % in zwei Jahren nachgewiesen worden ist. Die Kennzeichnungsvorgaben nach Satz 3 gelten ferner nicht im Falle einer Verwendung synthetischer Polymere nach Spalte 2. In diesem Fall ist ab dem die Kennzeichnung im Rahmen der Hinweise zur sachgerechten Anwendung mit den Wörtern zu ergänzen: Anwendungsvorgabe: Nur in Systemen zu verwenden, die nach Gebrauch eine Entsorgung ermöglichen. Eine darauf folgende Verwertung zur Verwendung als Stoff nach 2 Düngegesetz, ausgenommen zum selben Zweck, ist nicht zulässig. Keine Beschränkung und für Produkte auf Basis nachwachsender Rohstoffe (Stärke /Chitin) 4

5 Was bedeutet die Frachtenregelung: Rechenbeispiel für die Aufbringung von 3 t TR/ha: = 45 kg WS in 3 Jahren 15 kg WS/ t TR 1,00 ha erf. Fläche für 17 kg WS/ t TR 1,13 ha erf. Fläche für 20 kg WS/ t TR 1,33 ha Wieviel Polymer darf für Eindickung und Entwässerung eingesetzt werden, wenn der Nährstoffgehalt die Aufbringung limitiert: 5,0 t TR/ha x 3 a 45 kg Polymer = 9 kg /t TR 3,0 t TR/ha x 3 a 45 kg Polymer = 15 kg /t TR 2,5 t TR/ha x 3 a 45 kg Polymer = 18 kg /t TR 2,0 t TR/ha x 3 a 45 kg Polymer = 22,5 kg /t TR

6 Abbauversuche FHG & PPG Polymere Flockungsmittel Definition von Abbau (?): Bruch der Ketten > 20% in 2 Jahren und Aufnahme in die Bodenmatrix Aber: vollständiger Abbau zu CO 2 << 20% in 2 Jahren Fazit = Abbau gegeben, aber die Ergebnisse wurden bisher nur dem wiss. Beirat vorgestellt, immer noch keine Veröffentlichung 6

7 Angaben der Polymer- Hersteller 7

8 Einsatz von polymeren Flockungsmitteln auf Kläranlagen Schlammbehandlung pfm FHM ~ 2-4 kg/ Mg TM pfm FHM ~ kg/ Mg TM 8 g/l Eindickung Stabilisierung Entwässerung 6 % 3 % 25 % TR Verminderung um ~ 86% Abscheidegrad > 95% Verminderung um ~ 88% Abscheidegrad > 98% 8

9 Wieviel Polymer wird eingesetzt: Umfrage KBKopp (2015) basierend auf Jahreszahlen 2014: Anzahl KA erfasst: 56 EW in Summe: 12,2 Mio Schlammmenge: t TR Verbräuche für Eindickung + Entwässerung: Mittel 16 kg WS/tTR 85% 19 kg WS/tTR Min/Max 8-29 kg WS/tTR Achtung: 76% der eingekauften Mengen sind Emulsionen mit 45% - 48% Wirksubstanz, d.h. die eingesetzte Menge an Handelsware ist höher!

10 Was bedeutet die Frachtenregelung: Rechenbeispiel für die Aufbringung von 1 t TR/ha = 15 kg WS/tTR (Limitierung durch N/P) Wieviel Polymer darf in der in der ÜS-Eindickung und Entwässerung eingesetzt werden? Kläranlage: 40% der RS-Fracht ist PS Abbau Faulung 50% otr 60% der RS-Fracht ist ÜS Abbau Faulung 30% otr 16 pfm Dosis FS [kgws/ttr] ,57 14,15 13,72 13,3 12,87 12,45 12,02 11,6 11,17 10,74 10,32 9,89 9,47 9,04 8, pfm Dosis ÜSS vor Faulung [kgws/ttr] Summe: ÜS kg WS / t TR FS kg WS/ t TR < 15 kg WS / t TR Bei der ÜS-Eindickung wird nur ein Teil des TR Fracht konditioniert, dies gleicht sich aber durch den Abbau an otr in der Faulung aus.

11 Was bedeutet die Frachtenregelung: Noch zu klären ist die Art der erforderlichen Dokumentation! Es werden verlässliche Angaben zum Wirksubstanzgehalt durch den Polymerlieferant / Hersteller benötigt Eine monatliche Dokumentation wird empfohlen: D.h. Verbrauch Handelsware Polymer / Monat gehört ins BTB ÜSS = FS = Polymermenge [kg Handelsware / Monat] x Wirksubstanz [%] Q(ÜS-RLS) [ m³/monat ] x TS(RLS) [Mittelwert kg/m³ ] Polymermenge [kg Handelsware / Monat] x Wirksubstanz [%] Q(FS) [ m³/monat ] x TR(FS) [Mittelwert % TR x 10 ] Polymer gesamt = Polymer für ÜSS + FS [kg WS / Monat] Fracht Klärschlamm [t TR/Monat]

12 Was bedeutet die Frachtenregelung: Verbräuche sollten monatlich erfasst werden! Angaben zur Wirksubstanz: Pulver: 95% 100% (überschlägig) Emulisonen: 45-48% 50 % (überschlägig) Herstellerangaben anfragen

13 Wie kann der Polymereinsatz optimiert werden? Optimale Reifezeit einhalten Verwendbarkeit der Lösung berücksichtigen Mit Eisensalzen vorfällen Fest-Flüssig-Polymer Kombinationen Durchsatzleistung Aggregate reduzieren Bio.-P hinterfragen Mit Alternativprodukten (z.b. Erbsenstärke) substituieren 13

14 Löseverhalten und Reifezeit Eine optimale Entwässerung wird nur erreicht: Wenn: Polymerprodukt passt & sachgerecht aufbereitet wird!! 45 min Reifezeit nach Befüllen!! Verbrauch der angesetzten Lösung binnen 4 Stunden!! 14 14

15 Beurteilung der Reifezeit -CH 2 -CH -CH 2 -CH- C= O C= O N H 2 O CH 2 CH 2 N (CH 3 ) Cl - 15

16 Verwendbarkeit der aufbereiteten Polymerlösung Der Einfluss der Polymeraufbereitung auf den pfm-bedarf und das Entwässerungsergebnis sind signifikant 16

17 Vergleich zweier Polymerprodukte scherstabil / nicht scherstabil Polymerverbrauch für gelöste Ladung Polymerverbrauch zur Flockenbildung Zentrat Polymer 1 Polymer 2 Dos- Polymer 1 opt. = 14,5 kgws/ttr Scherstabilität Winkel: 78 gut Dos- Polymer 2 opt. = 8,6 kgws/ttr Scherstabilität Winke l: 36 gering Verbrauch Zentrifuge 13,0 kgws/ttr Verbrauch Zentrifuge 12,5 kgws/ttr Entwässerungsergebnis = 26,8 %TR Entwässerungsergebnis = 24,3 %TR Abscheidegrad = 98,9 % TR(A) = 28% Abscheidegrad = 89,2 % 17

18 Optimierung der Konditionierung Zweistufiges Flocken Klärschlamm (viele Kolloide) 1. Flockstufe kurzkettiges Polymer (stark kationisch) 2. Flockstufe langkettiges Polymer 18

19 Polymertitrationskurven FS-y mit und ohne Dosierung von 3,5 l/m³ FeClSO 4! Einwirkzeit anpassen! FS-y ohne FeClSO 4 : Dos-Polymer = 22 kgws/ttr bis zum Ladungsausgleich; Scherstabilität der konditionierten Flocke ist sehr gering. FS-y +3,5 l FeClSO 4 /m³ Sofortmessung (nach wenigen Minuten Reaktionszeit des Eisensalzes): Dos-Polymer = 21 kgws/ttr bis zum Ladungsausgleich Scherstabilität der konditionierten Flocke verringert sich FS-y +3,5 l FeClSO 4 /m³ (Reaktionszeit des Eisensalzes ~ 1d): Dos-Polymer = 11,5 kgws/ttr bis zum Ladungsausgleich Scherstabilität der konditionierten Flocke verbessert sich leicht 19

20 Optimierung Polymereinsatz Einfluss einer Bio-P Elimination auf den Polymerbedarf: PO 4 P hat einen Einfluss auf die Wasserbindung der EPS EPS beeinflusst TR-Austrag und Polymerbedarf Kennwert TR(A) [%] kommunale Faulschlämme [n= 105 (KBKopp ) Kläranlagen mit Bio-P: > 100 mg/l PO 4 P ~ - 4% TR ~ + 3 kgws/mg TM PO4-P im Schlammwasser [mg/l] Kläranlage TR(A) [%] Poly [kg WS/MgTM] Phosphatgehalt P-Fällung mg/l PO 4 P biol. P > 100 mg/l PO 4 P biol. P > 200 mg/l PO 4 P 20

21 Reduktion der Beschickung MÜSE Versuche Dez Polymer [kg WS/t TR] 4 2 y = 1,3024e 0,0303x R² = 0, Q Siebband HL [m³/h] Versuche ÜS-Eindickung Ziel: TR ~ 6% + Abscheidegrad >95% Verbrauch pfm 4,4 kg WS/t TR bei 40 m³/h 3,2 kg WS/t TR bei 30 m³/h -28% 2,4 kg WS/t TR bei 20 m³/h -45% Bei Beschickung mit 40 m³/h wird TR von 6% unterschritten Indiz der Überlastung. Abscheidegrade waren durchgehend gut. [Versuche der KA Flensburg] 21

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23 Zusammenfassung DümV (Änderungen noch in der Abstimmung): ab Frachtenregelung < 15 kg Polymer WS/ha und Jahr + Kennzeichnung Keine Limitierung für Produkte auf Basis von Stärke oder Chitin Keine Kennzeichnung & Einsatz von Polymeren möglich, wenn Abbau >20% in 2 Jahren Ergebnisse PPG/Fraunhofer deuten auf Abbau hin - Sicherheitsdatenblätter Betrieb: Frachtenregelung gilt für alle Anwendungen: ÜS-Eindickung, Entwässerung,.. Neu: eingesetzte Polymermengen sind im BTB monatlich zu erfassen Umfrage KBKopp 2015: Einsatz 16 kg WS/t TR für Entwässerung + Eindickung 76% Einsatz von Emulsion / 24% Einsatz Pulver Optimierung: Optimal Aufbereiten und Einsetzen (DWA M-350) Bio.-P hinterfragen (+3 kgws/mg TM) aber Pflanzenverfügbarkeit beachten zweistufig Flocken & scherstabile Produkte /Mischungen einsetzen Durchsatzleistungen MÜSE prüfen & reduzieren Einsatz/Substitution von Polymeren z.b. aus Erbsenstärke 23

24 Rückfragen: Kläranlagen Beratung Kopp Hintere Str. 10 D Lengede Tel: Fax: Mobil: