Klärschlamm als Nährstoff- und Biomasseträger

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1 Platzhalter für Bild, Bild auf Titelfolie hinter das Logo einsetzen Klärschlamm als Nährstoff- und Biomasseträger 72. Symposium des ANS e.v., Oktober 2011, Berlin Prof. Dr.-Ing. habil. Thomas Dockhorn Prof. Dr. -Ing. Norbert Dichtl

2 Abwasser als Gemisch von Ressourcen H 2 O 2 N, P, K "Problemstoffe" Organik (CSB) Effekte: - Verunreinigung des Wassers - Verdünnung von Ressourcen - Verteilung von Problemstoffen ANS e.v Oktober 2011 Klärschlamm als Nährstoff- und Biomasseträger 2

3 Klärschlammanfall In Deutschland: 2 Mio. t TS (Stat. Bundesamt, 2010) In China: 9 Mio. t TS (Wang et al., 2007) 53% 3% 30% 0% 14% Landwirtschaft 14% 7% 3% Landwirtschaft Deponie 45% Deponie Landbau Sonst. Wiederv. 31% Wilde Entsorgung Verbrennung Sonstige Verbrennung Theoretisch 38 Mio. t TS/a für 1.3 Mrd EW ANS e.v Oktober 2011 Klärschlamm als Nährstoff- und Biomasseträger 3

4 Abwasserreinigung und Schlammproduktion Aerobe Abwasserbehandlung: Hohe Biomasseproduktion CSB = mg O 2 /L 1 Gebildete Bakterienmasse Hoher Energiebedarf CSB = 600 mg O 2 /L O 2 -Verbrauch Energiestoffwechsel 400 mg O 2 /L 1-Y H Organisches Substrat Baustoffwechsel Y H Anaerobe Abwasserbehandlung: 90% Energiestoffwechsel 10% Baustoffwechsel Organisches Substrat CSB = mg O 2 /L 1 Energiestoffwechsel CH 4 -Produktion 1-Y H Baustoff- wechsel Bakterienmasse Y H ANS e.v Oktober 2011 Klärschlamm als Nährstoff- und Biomasseträger 4

5 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 ANS e.v Oktober 2011 Klärschlamm als Nährstoff- und Biomasseträger 5

6 Gasproduktion unterschiedlicher Schlämme TS = 3,5% ( Primärschlamm ) F TS = 7% ( 9% ) F TS = 3,0% ( PS : ÜS = 1,1 : 1 ) F TS = 3,3% 3% ( Überschußschlamm ) F TS = 5,5% ( FS - Rückführung ) TS F F = 0,9% Aufenthaltszeit t TS in d Spezifische Gasproduktion in Abhängigkeit der Aufenthaltszeit (Kapp, 1984) ANS e.v Oktober 2011 Klärschlamm als Nährstoff- und Biomasseträger 6

7 Faulgasausbeute unterschiedlicher Substrate Substrat Gasproduktion CH 4 -Gehalt [NL/kg otr zu ] Primärschlamm % Überschussschlamm % PS+ÜS % Kohlenhydrate % Eiweiße % Fette* % (*1 kg Fett = 10 kwh Primärenergie) ANS e.v Oktober 2011 Klärschlamm als Nährstoff- und Biomasseträger 7

8 Gasverwertung auf Kläranlagen Verwendung des Faulgases auf Kläranlagen in Deutschland 20% 9% 3% 68% Verstromung Heizanlagen Verluste/Abfackeln Abgabe an Dritte Verstromung im BHKW: Aus 100% Primärenergie werden: % Strom und % Wärme (hiervon sind ca. 56% nutzbar) (Haberkern et al., 2004) ANS e.v Oktober 2011 Klärschlamm als Nährstoff- und Biomasseträger 8

9 Schlamm-Massenbilanz für China und Energiepotential Abwasser 33,2 Mio. t TS/a PS 16,6 Mio. t TS/a ÜS 21,3 Mio. t TS/a RS 37,9 Mio. t TS/a CH 4 + CO 2 BHKW Biogas- Anlage 4 GW EL + 3,4 GW therm. ANS e.v Oktober 2011 Klärschlamm als Nährstoff- und Biomasseträger 9

10 Schlamm-Massenbilanz für China und Energiepotential 4GW= 4großeAKW ANS e.v Oktober 2011 Klärschlamm als Nährstoff- und Biomasseträger 10

11 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 = - 13 kwh EL /kg N bzw kwh Prim. /kg N ANS e.v Oktober 2011 Klärschlamm als Nährstoff- und Biomasseträger 11

12 Energieverbrauch der Abwasserreinigung vs. Energieproduktion aus Abwasser für China (1,3 Mrd. EW) Aerober Abbau Belüftung - 35 Mio. MWh EL /a (= 4 GW) 57 Mio. t CSB/a +5.2Mio.tN/a 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) ANS e.v Oktober 2011 Klärschlamm als Nährstoff- und Biomasseträger 12

13 Energieverbrauch der Abwasserreinigung vs. Energieproduktion aus Abwasser für China (1,3 Mrd. EW) 4 + 7,3 GW = 11,3 GW = 11 große AKW ANS e.v Oktober 2011 Klärschlamm als Nährstoff- und Biomasseträger 13

14 1015-4,7-15Leistung] 105[GW 0-14,845ertrag -iebedarf/-e -Primärenergiebedarf/-ertrag unterschiedlicher Szenarien (für 1,3 Mrd. EW) 018,162Energ Abwasserreinigung g (AR) (32 kwh/ew*a) 2 ARA und Faulung 3 Stoffstromseparation und anaerobe AR ANS e.v Oktober 2011 Klärschlamm als Nährstoff- und Biomasseträger 14

15 ,96810Leistung] 060ertrag [GW 40018, ,7-0iebedarf/-e Primärenergiebedarf/-ertrag unterschiedlicher Szenarien (für 1,3 Mrd. EW) 0-14,84 Energ Abwasserreinigung (ARA) 2ARA und dfaulung 3 Stoffstromseparation und anaerobe ARA 4 Produktion Nachwachsender Rohstoffe ANS e.v Oktober 2011 Klärschlamm als Nährstoff- und Biomasseträger 15

16 N-Bilanz für Deutschland Import Import (Mineraldünger und Futtermittel) 2245 (Mineraldünger, Futtermittel) 2245 (Alle Angaben in t N/a) Systeminput Systemverlust Atmosphärische Deposition und biologische N-Fixierung 358 Überschuss 1898 Überschuss Pflanzen- und Tierproduktion (Bilanzlücke) 1898 Gesamt-Output 2721 Systembestand 5478 * 42 Tierische Nebenprodukte 97 Sekundärrohstoffdünger Entsorgung 55 Industrie Marktprodukte 726 Netto-Export 397 Netto-Export 397 Inländischer Verbrauch 329 Kläranlage 507 Kläranlage 507 Klärschlamm Verwertung 48 Entsorgung 38 Denitrifikation Vorfluter Emissionen * fixiert im Boden ANS e.v Oktober 2011 Klärschlamm als Nährstoff- und Biomasseträger 16

17 P-Pilanz für Deutschland (Alle Angaben in t P/a) Import Import (Mineraldünger und Futtermittel) 252 (Mineraldünger, Futtermittel) 252 Netto-Import 179 Überschuss 133 Überschuss Pflanzen- und Tierproduktion 133 Nahrungsmittel 71 Nahrungsmittel 71 Industrie Gesamt-Output 304 Systembestand 1001 * Tierische Nebenprodukte rohger Sekundärr Stoffdüng 52 Entsorgung g 14 Marktprodukte 217 Export 163 Inländischer Verbrauch 54 Export 163 Entsor rgung 14 Kläranlage Vorfluter Verwertung Klärschlamm 73 Entsorgung 32 Entsorgung 32 * fixiert im Boden ANS e.v Oktober 2011 Klärschlamm als Nährstoff- und Biomasseträger 17

18 Marktwert der Ressource Abwasser (für 6,6 Mrd. Menschen) (Basis: Marktpreise 07/2011) P K 8,7 Mrd. /a 10,2 Mrd. /a N 25,9 Mrd. /a = 75,55 Mrd. /a CSB 30,7 Mrd. /a ANS e.v Oktober 2011 Klärschlamm als Nährstoff- und Biomasseträger 18

19 Klärschlamm als (ökonomisch relevante) Ressource Der kalkulatorische Wert des deutschen Rohschlamms (Marktpreise 07/2011) Ressource Marktwert Wert RS [ /ttr] Ressourcenpotential Deutschland [ /a] Phosphor (P) 2,02 /kg P 57, Stickstoff (N) 0,98 /kg N 37, Feststoffe (TS) 0,094 /kg TS 93, = 450 Mio. /a bzw. 188 / t TR Rohschlamm ANS e.v Oktober 2011 Klärschlamm als Nährstoff- und Biomasseträger 19

20 Entwicklung der Düngemittelpreise 2,00 6,00 Preis N und K (USD/ /kg) 1,80 1,60 1,40 1,20 1,00 0,80 0,60 N (USD/kg) K (US/kg) P (USD/kg) 5,00 4,00 3,00 2,00 Preis P (USD/kg) 0,40 1,00 0,20 0,00 0, Berechnet nach Daten von ANS e.v Oktober 2011 Klärschlamm als Nährstoff- und Biomasseträger 20

21 Desintegration zur Steigerung der Biogasausbeute Intensivierung der Faulung, z.b. thermophil hil statt tt mesophil Festbettfaulung Längere Faulzeiten otr atr Faulung otr atr Klärschlammdesintegration Mechanisch Thermisch Chemisch Biologisch i Schwimmschlamm B Nach- Vorklär- Belebungsbecken klärbecken becken Primär- A2 schlamm E A C Rücklaufschlamm E1 A1 D1 D2 D Überschussschlamm E2 Faulbehälter F G Konditionierung und Entwässerung Desintegrationsapparat ANS e.v Oktober 2011 Klärschlamm als Nährstoff- und Biomasseträger 21 (Quelle: Dichtl, 2007)

22 Schlammaufbereitungsanlage -Bsp. Seaborne Erste großtechnische Realisierung auf der KA Gifhorn. Leitkonzept des Verfahrens: - Zerlegung des Klärschlamms in Wert- und Schadstoffe - Weitgehende energetische Nutzung - Betrieb einer Kläranlage ohne die Produktion von Klärschlamm ANS e.v Oktober 2011 Klärschlamm als Nährstoff- und Biomasseträger 22

23 Schlammaufbereitungsanlage -Bsp. Seaborne Faulschlamm H2SO4 H O H2O2 Extraktion Feststoffe Trocknung Verbrennung Asche Faulgas bzw. Na2S RoHM Schwermetallschlamm hl MgO NaOH NRS 1 Stickstoff Strippung Nutrients Nährstoff Recycling System Ansäuerung NaOH NRS 2 MAP ( * ) DAS ( ** ) Verbrennung Trocknung Schwermetallabtrennung Schwer - metall Abtrennung Ansäuerung ng Chemikalien zum Zulauf KA ANS e.v Oktober 2011 Klärschlamm als Nährstoff- und Biomasseträger 23

24 Quintessenz optimale Ansatzpunkte zur Nutzung des... Nährstoffpotenzials Energiepotenzials Abwasser Schlamm Stoffstrommanagement als Instrument zur gezielten Nutzung des Nährstoff- und Energiepotenzials einsetzen. ANS e.v Oktober 2011 Klärschlamm als Nährstoff- und Biomasseträger 24