Klärschlammbehandlung für Kläranlagen kleiner und mittlerer Größe aus Sicht der Energieoptimierung und des Ressourcenschutzes

Transkript

1 Klärschlammbehandlung für Kläranlagen kleiner und mittlerer Größe aus Sicht der Energieoptimierung und des Ressourcenschutzes (Umrüstung auf Faulung, thermische Behandlung) Dr.-Ing. Klaus Siekmann Dipl.-Ing. Jürgen Jakob

2 Bürovorstellung Standorte Mendig / Thür Koble nz Westerburg Simmern Mainz Ludwigshafen Neustadt a.d.w.

3 Bürovorstellung Abwassertechnik Wasserversorgung Verkehrsanlagen Städtebau und Raumplanung Vermessung

4 Mitarbeiter Qualifikation/Arbeitsgebiet Anzahl Bauingenieure/-techniker 18 Verkehrsplaner 3 Verfahrensingenieur/-techniker 2 Maschinenbauingenieur/-techniker 2 EMSR-Techniker 3 Bauzeichner 9 Stadtplaner 1 Vermesser/Messgehilfe 2 Sekretariatsangestellte 5 Rechnungswesen/Personalverwaltung 3 Auszubildende 2

5 Mitarbeiter

6 Entwicklungstendenzen Regenerative Energie Abwasser / Klärschlamm Quantität und Qualität bekannt Energie kalkulierbar und speicherbar Kontinuierliche Nutzung möglich Klärschlamm als Energieträger und Düngemittel

7 Entwicklungstendenzen Ziele für Planung und Betrieb der Kläranlage Einhaltung der Ablaufgrenzwerte Ordnungsgemäße Entsorgung der Reststoffe Betriebssicherheit Rationeller und ressourcenschonender Energieeinsatz Rückführung des Phosphors (endlicher Rohstoff!) in den Stoffkreislauf

8 Entwicklungstendenzen Größtes energetisches Optimierungspotenzial: Umrüstung von gemeinsamer aerober Stabilisierung auf Faulung und Nutzung des Faulgases zur Eigenstromerzeugung PS ÜSS Thermische Behandlung

9 Stromkosten

10 Aerobe Stabilisierung oder Faulung Einsatzbereich der anaeroben und aeroben Stabilisierung Bisheriger Einsatzbereich Anschlussgröße (E) Zukünftiger Einsatzbereich Anschlussgröße (E)

11 Aerobe Stabilisierung oder Faulung Fragestellung früher: Ist es wirtschaftlich, eine Kläranlage mit gemeinsamer aerober Stabilisierung oder mit Faulung neu zu bauen? Fragestellung heute: Ist es wirtschaftlich, eine nach dem Verfahren der aeroben Stabilisierung gebaute Kläranlage auf Faulung umzurüsten?

12 Aerobe Stabilisierung oder Faulung Gemeinsame aerobe Stabilisierung Faulung Hohes Schlammalter (t TS = 25 Tage) Großes Belebungsbecken (ca. 300 l/e) Hoher Energieaufwand (Belüftung und Durchmischung) Keine Vorklärung Geringes Schlammalter (t TS = Tage) Kleine Belebungsbecken (ca. 150 l/e) Gaserzeugung/-verstromung Vorklärung

13 Energiebilanz bei aerober Stabilisierung auf einer KA der GK 4

14 Energiebilanz bei anaerober Stabilisierung (Faulung) auf einer KA der GK 4

15 Schlammmengen bzw. Reststofffrachten *) Betriebsergebnisse von Hochleistungs-Zentrifugen Reduzierung der Schlammmenge bei der Faulung: ca. 30 %

16 Studie Neubewertung von Abwasserreinigungsanlagen mit anaerober Schlammbehandlung vor dem Hintergrund der energetischen Rahmenbedingungen und der abwassertechnischen Situation in RLP tectraa Ergebnisse der Studie unter:

17 Kostenfunktionen Maßgebende Kostenfaktoren für Umrüstung (Ausbaugröße: E): Erforderliches Belebungsbeckenvolumen (bei Umstellung auf Faulung) Vorklärbeckenvolumen (bei t = 1,0 h) und Primärschlammpumpwerk A Zwischenpumpwerk Faulbehälter und Technikgebäude Rohschlammbehälter Maschinelle Voreindickung Gasspeicher Blockheizkraftwerk

18 Einfache Bauweise bei landwirtschaftlichen Biogasanlagen

19 Einfache Bauweise bei landwirtschaftlichen Biogasanlagen Höchster Planungsgrundsatz: SICHERHEIT

20 Anlagentechnik für kleine und mittlere Kläranlagen Faulbehälter Wie können auch kleine Faulbehälter kostengünstig, aber dennoch betriebssicher umgesetzt werden? Einfache Bauform

21 Entwicklung eines 2-stufigen Kompaktfaulbehälters Optimierungsansätze: Einfache Bauwerkskubatur Kompakte Anordnung durch quadratische Grundrissgestaltung Durchmischung mit kostengünstigen Zentralrührwerken Aufteilung des Gesamtvolumens auf mehrere Reaktoren zur Nutzung der verfahrenstechnischen Vorteile der mehrstufigen Abbaukinetik und zur Erhöhung der Betriebssicherheit

22 2-stufiger Kompaktfaulbehälter Faulbehälter 1 Faulbehälter 2 Maschinenhaus

23 2-stufiger Kompaktfaulbehälter

24 2-stufiger Kompaktfaulbehälter

25 entleerter Kompaktfaulbehälter nach ca. 2-jähriger Betriebszeit

26 2-stufiger Kompaktfaulbehälter Kläranlage Linz-Unkel

27 2-stufiger Kompaktfaulbehälter Kläranlage Westerburg

28 Auszeichnung

29 Wirtschaftlichkeit spez. Kostenbarwerte bei einem Zinssatz von i = 3%/a und einer Steigerung der möglichen Betriebskosteneinsparungen zwischen 0 und 5% 4% 2%

30 Wirtschaftlichkeit Unter Berücksichtigung der erläuterten Rahmenbedingungen sowie der Zukunftsentwicklungen wird den Betreibern von Kläranlagen mit einer Anschlussgröße von mehr als EW empfohlen, die Möglichkeiten einer Umstellung der Verfahrensführung auf ihrer Anlage zu untersuchen!

31 Checkliste für die Umstellung der Verfahrensführung Die Checkliste wurde in drei Blöcke untergliedert: Block 1 : Basisabfrage Ausbaugröße; Ermittlung der tatsächlichen Anlagenbelastung; überschlägige Prüfung der Wirtschaftlichkeit Block 2 : Verfahrenstechnik Prüfung des Anlagenbestands hinsichtlich der weiteren Verwendbarkeit bei Umstellung auf Schlammfaulung; Einbindung zusätzlicher Anlagenstufen (z. B. VKB); Ermittlung des erforderlichen Belebungsbeckenvolumens (Kann Beckenvolumen stillgelegt werden?) Block 3 : Abschätzung der voraussichtlichen Investitionskosten Vgl. hierzu:

32 Ausgangssituation auf der KA Linz-Unkel RL und ÜSS-Pumpwerk 2 St. Eindicker Betriebsgebäude 2 St. Nachklärbecken Kammerfilterpresse mit Kalk-Eisen- Konditionierung 2 St. Belebungsbecken (V = je m³) ausgerüstet mit Druckbelüftung und je 2 St. Tauchmotorrührwerken Anaerobbecken (V = 275 m³) Zulaufpumpwerk und Rechenanlage belüfteter Langsandfang

33 Ausgangssituation auf der KA Linz-Unkel Ausbaugröße : Inbetriebnahme : 1993 Abwasserreinigung mit gemeinsamer aerober Schlammstabilisierung Problem: Hohe Betriebskosten für Strombezug Klärschlammentwässerung und -verwertung ca /a ca /a

34 Durchmischung über einfache Zentralrührwerke

35 Einfache Zentralrührwerke für den Einsatz auf kleinen KA s Rührwerksschacht mit GFK-Abdeckung

36 Anlagentechnik: Schlammaufheizung (Heizkreisverteiler)

37 Anlagentechnik: Schlammaufheizung (Wärmetauscher) Doppelrohrwärmetauscher mit Außenisolierung

38 Anlagentechnik: Schlammaufheizung

39 Anlagentechnik: Gasdom Überdrucksicherung Schaumfalle und Sprüheinrichtung

40 Anlagentechnik: Doppelmembranbehälter

41 Mikrogasturbine

42 Anlagentechnik: Verstromung über Gasmotor

43 Investitionskosten - Bau : ,00 - Ausrüstung (ohne Erneuerung Belüftung) : ,00 - EMSR-Technik : ,00 - Gasturbine : ,00 Zwischensumme : ,00 zzgl. Baunebenkosten : ,00 Zwischensumme : ,00 zzgl. 19% MwSt. : ,00 Gesamt (gerundet) : ,00 Anmerkung: Die Kosten beinhalten neben dem Bau der Kompaktfaulungsanlage mit zugehörigem Technikgebäude die Umrüstung eines best. Beckens zu einem Vorklärbecken, den Bau eines Primärschlammpumpwerks, die Verlegung der verbindenden Rohrleitungen, die Herstellung der Verkehrsflächen sowie die Verstromung des anfallenden Faulgases über eine Mikrogasturbine

44 Investitionskosten nur bezogen auf die Faulbehältertechnik mit dem vorgeschalteten Betriebsgebäude - Bau (Faulbehälter und Technikgebäude) : ,00 - Ausrüstung (ohne MÜSE) : ,00 - EMSR-Technik : ,00 Zwischensumme : ,00 zzgl. Baunebenkosten : ,00 Zwischensumme : ,00 zzgl. 19% MwSt. : ,00 Gesamt (gerundet) : ,00

45 Gasproduktion auf der KA Linz-Unkel + ca. 25 %

46 Gründe für hohe Gasausbeute Intensiver Stoffaustausch zwischen aktiver Biomasse und zugeführtem Rohschlamm Optimierte Ausgasung durch große freie Oberfläche Zweistufigkeit

47 Vergleich des Stromfremdbezugs (Betriebsjahre ) KA Linz-Unkel - ca. 54 %

48 Vergleich der Klärschlammmengen (Betriebsjahre 2011 und 2013) KA Linz-Unkel - ca. 33 %

49 Semizentrale Klärschlammbehandlung KA Selters Ausbaugröße: Wasserweg Schlammweg EW EW

50 Semizentrale Klärschlammbehandlung KA Selters KA Selters Kläranlage Selters

51 DWA-Arbeitsgruppe KEK Arbeitsgruppe Schlammbehandlungskonzepte für Kläranlagen kleiner und mittlerer Größe

52 DWA-Themenband Entwurf (unmittelbar vor Fertigstellung)

53 Broschüre Umwelt- und Wirtschaftsministerium Rheinland-Pfalz

54 Ausblick Zukunftsorientierte Einbindung der Faulung und Faulgasverwertung in die Verfahrenskette der Abwasserreinigung und verwertung in Rheinland-Pfalz tectraa

55 Ausblick Thermische Klärschlammbehandlung

56 Thermische Klärschlammbehandlung Diskussion zur Novellierung der Klärschlammverordnung Argumente für landwirtschaftliche Klärschlammverwertung: Hohe Gehalte an Pflanzennährstoffen (Stickstoff, Phosphor, Kalium, org. Substanz), die unbedingt genutzt werden sollten. Argumente gegen landwirtschaftliche Klärschlammverwertung: Belastung der Klärschlämme mit bekannten und möglicherweise derzeit noch unbekannten Schadstoffen. Einigkeit: Enthaltene Wertstoffe (u. a. Phosphat) sollten einer Nutzung zugeführt werden.

57 Thermische Klärschlammbehandlung Lösungsansatz: auf Kläranlagen kleiner und mittlerer Größe Weitergehende thermische Klärschlammbehandlung X a) Mitverbrennung in Kohlekraftwerken oder als Zuschlagsstoff in der Zementindustrie Nicht zielführend, da Phosphor als endlicher Rohstoff verloren geht! b) Mitverbrennung in einer zentralen Klärschlammmonoverbrennungsanlage Derzeit geplant auf der KA Mainz! c) Dezentrale thermische Klärschlammbehandlung auf Kläranlagen kleiner und mittlerer Größe

58 Thermische Klärschlammbehandlung auf Kläranlagen kleiner und mittlerer Größe Zielvorgabe : Nutzung des Problemstoffs Klärschlamm als wertvolle Rohstoffquelle! Klärschlamm als Energieträger und Düngemittel

59 Thermische Klärschlammbehandlung auf Kläranlagen kleiner und mittlerer Größe Anforderungen Einsatz auch bei Kläranlagen kleiner und mittlerer Größe Einhaltung der Umweltauflagen nach 17. BImSchV Sicherstellung der Hygienisierung Wirtschaftlichkeit Nutzung der Klärschlammasche als Dünger (Phosphorquelle) Optimierung der Verfahrenskette der Abwasser- und Schlammbehandlung im Hinblick auf die gewünschte Energieautarkie

60 Thermische Klärschlammbehandlung Verfahrensschema auf Kläranlagen kleiner und mittlerer Größe PS ÜSS Thermische Behandlung Optimierung der gesamten Verfahrenskette, nicht einzelner Verfahrensstufen

61 Thermische Klärschlammbehandlung auf Kläranlagen kleiner und mittlerer Größe Gasverstromung Klärschlammfaulung verminderte Aufenthaltszeit zur Begrenzung des otr- Abbaus Entwässerung Erhöhung des TR-Gehalts auf 25 bis 30 % landwirtschaftliche Verwertung des getrockneten Schlamms landwirtschaftliche Verwertung der Klärschlammasche Trocknung (Abwärme) Thermische Behandlung (technisch oder solar) Erhöhung des TR-Gehalts auf 70 bis 80 %, weitgehende Hygienisierung Erhöhung des TR-Gehalts auf 100 % (otr = 0%); vollständige Hygienisierung