Anaerobe Verfahren Eine Technik im Aufwind

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Ingelore Ritter
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1 Anaerobe Verfahren Eine Technik im Aufwind Fachtagung der VSA-Kommission Industrie und Gewerbe Organisch belastetes Industrie-Abwasser: Probleme, Behandlungsmethoden und Verminderung Emmenbrücke, Schweiz,

2 Prof. Dr.-Ing. Ute Austermann-Haun Labor für Siedlungswasserwirtschaft Fachbereich Bauingenieurwesen in Detmold

3 Kohlenstoffbilanz im Vergleich Für den vollständigen Abbau sind erforderlich: 1 Bakterium mindestens 4 Bakteriengattungen

4 Vorteile der Anaerobtechnik Belüftung entfällt geringere Betriebskosten (Einsparung ca. 1 kwh/kg CSB) Hochlastreaktoren ermöglichen B R,CSB von kg CSB/(m³ d) kleines Reaktorvolumen hohe und schlanke Bauform der Hochlastreaktoren Platz sparend um bis zu 90 % geringerer Schlammanfall gegenüber aeroben Verfahren wesentlich geringere Schlammentsorgungskosten bei granulierter Biomasse: sehr schnelle Inbetriebnahme (1 Woche) bei granulierter Biomasse: ÜS kann vermarktet werden als Impfschlamm für neue Reaktoren Schlamm kann über Monate gelagert werden Kampagnebetriebe es gibt aerob nicht abbaubare Stoffe, die anaerob abgebaut werden können, z.b. Perchlorethylen, PCB, Pentachlorphenol, Nitroaromate

5 Vorteile der Anaerobtechnik Entstehung von energiereichem Biogas 0,35 Nm³ CH 4 /kg CSB el. mit einem Heizwert von 36 MJ/m³ 12,6 MJ/kg CSB el. ca. 1,4 kwh elektrische Energie/kg CSB el. bei Verbrennung in einem effizienten BHKW (η ~ 40 %) Entstehung thermischer Energie, deren Nutzung unbedingt anzustreben ist In Deutschland Vergütung der erzeugten Energie nach Erneuerbare- Energien-Gesetz, Bonus für Strom aus Biomasse (möglich für Behandlung von Abwasser aus Brauereien oder der Agroindustrie) oder Strom aus nachwachsenden Rohstoffen (z.b. Schlempe aus landwirtsch. Brennereien). (Schweiz: geänderte Energieverordnung gültig ab 2009) Biogas ist CO 2 -neutral Möglichkeit der CO 2 -Emissionsreduktion (Papier- und Zellstoffproduktion) steigende Energiepreise Aufwind für die Anaerobtechnik

6 Nachteile der Anaerobtechnik die 2. Seite der Medaille Anaerobverfahren = Vorbehandlungsverfahren (zu 99 % in Europa) geringer Schlammanfall lange Phase der Inbetriebnahme, wenn nicht ausreichend Impfschlamm vorhanden ist Stickstoff und Phosphor werden nicht abgebaut, sondern lediglich zu einem geringen Teil in die Biomasse inkorporiert Verschiebung des C:N-Verhältnisses für nachfolgende Aerobstufe Probleme bei Denitrifikation sind möglich keine Anaerobanlagen bei TBA empfindlicher als aerobe Verfahren gegenüber Temperatur-, ph-wert- und Belastungsschwankungen sowie hemmenden / toxischen Abwasserinhaltsstoffen oder Zwischenprodukten mehr Analytik bei zwei Verfahrenstechniken (anaerob und aerob) ggf. umfangreiche Untersuchungen bei Problemen

7 Weltweit vorhandene Anaerobanlagen zur Industrieabwasserbehandlung (N = 2266, Stand 9/2007; Summendarstellung) Anlagen davon 38 % in Europa 31 % in Asien 15 % in Nordamerika 11 % in Südamerika 3 % in Afrika 1 % in Australien 1 % unbekannt Jahr * Anlagen mit unvollständigen Angaben Quelle: Yspeert, Y. (2007)

8 Gebaute Anaerobanlagen in D, aufgeteilt nach Branchen sonstige Biokraftstoff Cerealien Getränkeindustrie Milchindustrie Stärkeindustrie Hefeindustrie Chemische Industrie/Pharma Holz + Zellstoff sonstige Nahrungsmittel Brennereien Früchte- und Gemüseverarbeitung Tierkörperverwertung Kartoffelindustrie Brauereien Zuckerindustrie Papierindustrie N = 174, Stand 1/2006 Von den 29 in der Zuckerindustrie errichteten Anaerobanlagen sind heute nur noch 16 in Betrieb wegen erfolgter Werksschließungen

9 Weltweite Verteilung der Anaerobanlagen in der Industrie (N = 2266) Papier & Pappe 11 % Brennerei 10 % Verschiedenes 7 % Chemie 7 % * Brauerei & Erfrischungsgetränke 29 % Lebensmittel 36 % * Anlagen mit unvollständigen Angaben Quelle: Yspeert, Y. (2007)

10 Reaktorgrundtypen Pelletschlammreaktoren UASB-Reaktor IC -Reaktor Biobed -Reaktor Anaerobes Belebungsverfahren Festbettreaktor Fließbettreaktor

11 UASB-Reaktor (Upflow Anaerobic Sludge Bed) Raumbelastung B R im Mittel 10 kg CSB/(m³ d) T = 20 C, B R = 4-6 T = 35 C, B R = 8-20 Zulaufkonzentration C o,csb = mg/l Aufstromgeschwindigkeit 1-1,5 m/h Mittlere otr-konzentration 27 kg/m³ Quelle: Lettinga und Hulshoff-Pol (1997)

12 Erster UASB-Reaktor in Deutschland, errichtet in der Fruchtsaftindustrie

13 Anaerobic open pond reactor (AOPR) nach dem UASB-Prinzip Für Transport und später für Labor und Steuerung Monitoring and Process Control Inflow Outflow Früher: UCY

14 Gasspeicher Schwimmende Dreiphasentrennung 500 m 3 UASB-Reaktor für Zuckerfabriksabwasser, 1996, Jamaika

15 EGSB-Rektoren (Expanded Granular Sludge Bed) Abfluss Oberer Abscheider Interne Rezirkulation Unterer Abscheider Zufluss Biobed -Reaktor IC -Reaktor Quelle: Habets et al. (1997)

16 Reaktorgrundtypen H o c h l a s t r e a k t o r e n UASB-Reaktor IC -Reaktor Biobed -Reaktor Anaerobes Belebungsverfahren Festbettreaktor Fließbettreaktor

17 Angewendete anaerobe Verfahrensweisen (N = 2266) Teichanlagen; 4 % CSTR (anaerobes Belebungsverfahren); 7 % unvollständige Angaben; 1 % Wirbelbettreaktoren; 2 % Hybridreaktoren; 3 % Festbett; 6 % EGSB; 27 % UASB; 50 % Pelletschlammreaktoren 77 % davon Hochlastreaktoren 29 % Quelle: nach Yspeert, Y. (2007)

18 Angewendete anaerobe Verfahrensweisen (N = 610) EGSB; 55 % Festbett; 1 % unvollständige Angaben; 1 % UASB; 34 % CSTR (anaerobes Belebungsverfahren); 4 % Teichanlagen; 1 % Wirbelbettreaktoren; 2 % Pelletschlammreaktoren 89 % davon Hochlastreaktoren 57 % Hybridreaktoren; 2 % Quelle: nach Yspeert, Y. (2007)

19 Hochlastreaktoren versus UASB-System UASB Hochlast = FB + EGSB Prozentsatz an jährlichen Projekten Jahr Quelle: Yspeert, Y. (2007)

20 Biomassegehalte in IC-Reaktoren Reaktorhöhe [m] Abscheider 1. Abscheider Messungen im IC-Reaktor einer Brennerei otr = 0,80 * TR Max. Schlammbetthöhe Feststoffkonzentration [kg TR /m 3 ] Max. Biomassengehalt: 12 m/20 m * 100 * 0,80 = 48 kg otr/m 3 Wv Max. TR Weitere Steigerung wäre möglich bei höherem Reaktor (Abstand zwischen Abscheidern ist konstant) Anteil des Schlammbetts an Reaktorhöhe würde erhöht. Grenzen gegeben durch: Abscheider; CO 2 -Partialdruck bzw. ph-wert Quelle: Meyer (2005)

Anaerobes Belebungsverfahren Einsatz heute beschränkt auf Sonderfälle, wie z.b. die deutsche Zuckerindustrie mit 800-2.

21 Anaerobes Belebungsverfahren Einsatz heute beschränkt auf Sonderfälle, wie z.b. die deutsche Zuckerindustrie mit mg/l Ca ++ überall Ausfällungen Raumbelastung B R = 5-10 kg CSB/(m³ d) Methanreaktor % otr Aerobstufe % otr; ~ 60 mg/l ISV von Zeit zu Zeit muss jeder Reaktor geöffnet und gereinigt werden

Einsatz von Membranen in der Anaerobtechnik Forschungen in den 90er Jahren zeigten ein stärkeres Membranfouling als bei aeroben Anlagen, einen hohen Energiebedarf der eingesetzten Rohrmodule und

22 Einsatz von Membranen in der Anaerobtechnik Forschungen in den 90er Jahren zeigten ein stärkeres Membranfouling als bei aeroben Anlagen, einen hohen Energiebedarf der eingesetzten Rohrmodule und erhebliche mechanische Einflüsse auf die anaerobe Biomasse (Brockmann, 1998). Derzeit wird in den USA, Japan, NL, GB und D geforscht zum Einsatz von Membranen in der Anaerobtechnik. Am Institut für Siedlungswasserwirtschaft und Abfalltechnik (ISAH) der Leibniz Universität Hannover wurde in Zusammenarbeit mit der ItN Nanovation AG (Saarbrücken) im Rahmen eines von der Deutschen Bundesstiftung Umwelt geförderten Projektes ein getauchtes Niederdruck-Keramikplattenmodul entwickelt. Quelle: Borchmann, Brinkmeyer, Rosenwinkel (2008)

23 Behandlung von Schlempe aus der Bioethanolherstellung mit AMBR (ISAH, Krüger Wabag, KWSt) Ein Anaerober Membranbioreaktor (AMBR) ist einer anaeroben Belebungsanlage zur Behandlung feststoffhaltiger Schlempe nachgeschaltet. Membran: Keramikflachmembranplatten Nanopore der Fa.ItN Nanovation Bei einer TS-Konzentration von bis zu 45 g/l und einer CSB Zulaufkonzentration bis mg/l konnte ein stabiler Nettoflux von 5 l/(m² h) und eine CSB-Reduktion von bis zu 99,9 % erreicht werden. Quelle: Borchmann, Brinkmeyer, Rosenwinkel (2008)

24 Beispiel: geschlossener Kreislauf Beispiel einer Pappefabrik in Deutschland (van Lier, 2007 nach Habets, L.H.A.; Knelissen, H.J., 1997)

25 Zusammenfassung Die Aggregation von Biomasse zu Pellets und moderne Reaktoren ermöglichen große Schlammmengen im Reaktor zu halten hohe Raumumsatzleistungen wirtschaftliche Lösungen. Anaerobtechnik erlebt eine Renaissance, insbesondere vor dem Hintergrund steigender Energiepreise und der Erfüllung der gesteckten Ziele des Kyoto-Protokolls.

26 Literatur Austermann-Haun, U. (2006): Grundlagen, Einflussfaktoren und Einsatzbereiche von Anaerobverfahren, Innovationsworkshop Advanced Technologies: Wirtschaftlicher Einsatz neuer Prozesse der Abwasserbehandlung in der Praxis, Ruhrverband, Schwerte, Borchmann, A.; Brinkmeyer, J.; Rosenwinkel, K.-H. (2008): Einsatz keramischer Membranen zur Industrieabwasserreinigung, Vortrag Kasseler Membrantage, , Kassel Brockmann, M. (1998): Beitrag zur membranunterstützten biologischen Abwasserreinigung. Veröffentlichungen des Instituts für Siedlungswasserwirtschaft und Abfalltechnik der Universität Hannover, H. 98 Meyer, H. (2005): Leistungsfähigkeit anaerober Reaktoren zur Industrieabwasserreinigung. Veröffentlichungen des Instituts für Siedlungswasserwirtschaft und Abfalltechnik der Universität Hannover, H. 128 Habets, L.H.A.; Knelissen, H.J. (1997): In line biological water regeneration in a zero discharge recycle paper mill. Water Science and Technology, Vol. 35 (2-3), pp van Lier, J.B. (2007): Current Trends in Anaerobic Digestion; Diversifying from waste(water) treatment to re-source oriented conversion techniques. 11th ISA World Congress an Anaerobic Digestion, , Brisbane, Australia Yspert, Y. (2007): persönliche Mitteilung, Mitarbeiterin der Fa. Paques B.V., NL Anschrift der Autorin: Prof. Dr.-Ing. Ute Austermann-Haun, Hochschule Ostwestfalen-Lippe, Fachbereich Bauingenieurwesen, Emilienstr. 45, D Detmold, Tel (0) , Fax (0) ; Mail: ute.austermann-haun@hs-owl.de

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