28. Untersuchung der UDR-Technologie zur Klärschlammfaulung

Transkript

1 28. Untersuchung der UDR-Technologie zur Klärschlammfaulung 1 Einleitung Wibke Everding, David Montag, Detlef Bruszies, Verena Ihsane-Montazem, Johannes Pinnekamp, Aachen Alfred van den Berg, Vreden Kommunale Kläranlagen sind häufig die größten Stromverbraucher einer Kommune bzw. einer Gemeinde, was bei stetig steigenden Energiepreisen zu höheren Kosten der Abwasserreinigung führt. Die energetische Verwertung des bei der anaeroben Klärschlammstabilisierung anfallenden Klärgases führt zu Einsparungen beim externen Strom- und Wärmebezug und somit zur Betriebskostenreduzierung. Kleine Kläranlagen verfügen i.d.r. über eine simultane aerobe Schlammstabilisierung, die durch den vermehrten Sauerstoffeintrag in die biologische Stufe, bedingt durch das hohe Schlammalter und die endogene Atmung, energetisch ungünstig ist. Durch eine Umgestaltung der Kläranlagen und Errichtung von Faulbehältern wird weniger Energie bei der Belüftung benötigt und zusätzlich Strom und Wärme durch das anfallende Klärgas produziert. Für kleine Kläranlagen war es jedoch bisher häufig unwirtschaftlich, einen volldurchmischten Faulbehälter in Eiform zu bauen und zu betreiben. Durch die steigenden Energiepreise und technischen Neuentwicklungen kann sich die Faulung heute bereits für kleine Kläranlagen monetär lohnen; dennoch gilt es, durch innovative Behältersysteme die Investitionskosten möglichst gering zu halten. Die Energie-Anlagen Röring GmbH hat einen UDR-Reaktor (Upflow-Downflow- Reflow) entwickelt, der aufgrund seiner Festbetttechnologie und kompakten Bauweise für den Einsatz auf kleinen Kläranlagen (< E) geeignet scheint. Im Rahmen des von der AiF geförderten Projekts Entwicklung und Erprobung eines neuartigen Festbett-Hochleistungsreaktors zur anaeroben Klärschlammstabilisierung und damit zur Erschließung von Kläranlagen mit Anschlussgrößen < Einwohnerwerten für die energetische Nutzung in Blockheizkraftwerken soll der Fermenter im halbtechnischen Maßstab sowie in der Großtechnik für die anaerobe Klärschlammbehandlung untersucht werden. Aachener Schriften zur Stadtentwässerung, Band 16, Aachen 2012, ISBN Technologien zur Klärschlammbehandlung 2.1 Grundlagen der Klärschlammbehandlung Klärschlamm fällt bei der Abwasserreinigung an unterschiedlichen Stellen als Reststoff an und besitzt aufgrund seines hohen Anteils an organischer Substanz ein großes Potenzial zur Energiegewinnung. Das Hauptziel der Klärschlammbehandlung ist die Stabilisierung zur Geruchs-, Keim- und Organikreduzierung sowie die Volumenreduzierung zur Einsparung von Entsorgungs- und Transportkosten (Dichtl, 1996).

2 - 28 / 2 - Im Jahr 2004 verfügten ca. 70% der Kläranlagen in Deutschland über eine Klärschlammbehandlung, wobei ca. 45% des Schlamms anaerob und 43% aerob stabilisiert wurden (Destatis, 2006). Nach einer Erhebung von Keicher und Krampe (2007) besitzen 95% der Kläranlagen der Größenklasse (GK) 5 (> E), 71% der GK 4 ( E), 15,4% der GK 3 ( E) und lediglich 2% der GK 2 ( E) in Baden-Württemberg eine anaerobe Klärschlammstabilisierung. Kläranlagen der Größenklasse 1 sind i.d.r. nicht mit einer anaeroben Klärschlammbehandlung ausgestattet, was sich mit einer Erhebung von Schmitt et al. (2010) deckt. Die hohen Investitionskosten für den Bau eines volldurchmischten Faulbehälters und der verfahrenstechnische Aufwand stehen auf kleinen Kläranlagen meist nicht in Relation zur erzeugten Menge an Klärgas und den damit möglichen Erlösen aus der Energiegewinnung. In Abbildung 1 ist der übliche Einsatz der aeroben und anaeroben Schlammstabilisierung in Abhängigkeit der Anlagengröße dargestellt. Es ist zu erkennen, dass früher die anaerobe Behandlung vermehrt erst im Bereich ab E eingesetzt wurde. Durch steigende Energiepreise und technische Neuentwicklungen hat sich jedoch die breite Übergangszone ( E) zu einer relativ klaren Grenze verschoben. Bereits heute kann die anaerobe Stabilisierung bei Kläranlagen ab E wirtschaftlich betrieben werden. Naturgemäß bleibt es jedoch insbesondere in diesem Größenbereich jeweils einer Einzelfallprüfung vorbehalten, ob am betreffenden Standort die Rahmenbedingungen für eine Schlammfaulung vorhanden sind oder nicht. Zur Betriebskontrolle der Klärschlammbehandlung werden im Allgemeinen physikalische und chemische Parameter zur Charakterisierung des Klärschlamms herangezogen. Zu den wichtigsten Parametern gehören unter anderem Glühverlust (GV), ph- Wert und die organischen Säuren. Der Glühverlust ist ein wichtiger Beurteilungsmaßstab, um die Umsetzung der organischen Substanzen während des Faulungsprozesses beurteilen zu können. Rohschlamm hat meist einen Glühverlust von ca % und gut bis sehr gut ausgefaulter Schlamm einen GV von 30 55%. (Leschber und Niemitz, 1996) Der Abbaugrad der organischen Substanz liegt abhängig vom eingesetzten Klärschlamm bei ungefähr 50% (Müller et al., 1999). Der ph-wert ist ein Indikator für den Fäulniszustand während der anaeroben Stabilisierung. Frischschlamm und Schlamm im Fall einer sauren Gärung weisen einen ph- Wert von ca. 6,0 auf. Durch die Methanisierung wird organische Säure abgebaut, wodurch der ph-wert bei sehr gut ausgefaulten Schlamm bei ca. 7,5 liegt. Der Gebis 1996 heute Abb. 1: Einsatz der aeroben und anaeroben Schlammstabilisierung in Abhängigkeit der Anlagengröße bis 1996 und heute (Schröder, 2007)

3 - 28 / 3 - halt an organischen Säuren (siehe Tabelle 1) ist ebenfalls ein aussagekräftiger Kontrollparameter bei der anaeroben Stabilisierung. Eine Konzentration über mg/l (Summe aller organischen Säuren bezogen auf Essigsäure) deutet auf eine Störung des Faulungsprozesses hin. Bei Konzentrationen unter 100 mg/l weist der Faulschlamm einen sehr guten Faulungszustand auf. (Leschber und Niemitz, 1996) Tabelle 1: Kenndaten zur Charakterisierung von Klärschlamm (nach DWA, 2006; Leschber und Niemitz, 1996) Parameter Dimension Rohschlamm Faulschlamm, Ausfaulgrad mäßig gut sehr gut ph-wert - 5,5-6,5 6,8-7,5 7,2-7,5 7,4-7,8 Feststoffe (TS) % Glühverlust (GV) % Flüchtige Säuren mg/l Essigsäure < 100 Der spezifische Klärgasanfall und die Klärgasqualität lassen ebenfalls Rückschlüsse auf den Faulungsprozess zu. In der Literatur wird ein spezifischer Faulgasanfall von l/kg otrzu mit einem Methangehalt von ca % angegeben (DWA; 2006; Müller et al., 1999; Pöppinghaus et al., 1994). 2.2 Volldurchmischter Faulbehälter Für die konventionelle anaerobe Behandlung des Klärschlamms wird üblicherweise ein geschlossener Gärreaktor (Faulbehälter) mit einstufiger mesophiler Betriebsweise verwendet. Für einen effizienten Faulbetrieb ist die gründliche Durchmischung des Gärreaktors maßgeblich. Durch die Durchmischung wird ein Stoffaustausch von aktiver Biomasse und zugeführtem Substrat gewährleistet, Toträume und Schwimmschichtdecken können vermieden werden und das Ausgasen des entstanden Klärgases wird begünstigt. Als Bauform wird in Deutschland i.d.r. die sogenannte Eiform verwendet, die die Anforderungen am vielversprechendsten erfüllt. Die Umwälzung erfolg durch hydraulische Umwälzung mittels Pumpen, durch mechanische Umwälzung mittels Schraubenschaufler, Rühr- und Mischwerke oder durch Umwälzung mittels Gaseinpressung. Volldurchmischte Faulbehälter haben aufgrund der niedrigen Wachstumsgeschwindigkeit der anaeroben Bakterien eine mittlere Durchflusszeit von ca. 20 Tagen, was zu großen Bauvolumina und somit auch zu hohen Investitionsbzw. Kapitaldienstkosten und durch die permanente Umwälzung der großen Masse zu hohen Energiekosten führt. Unterschreitet die Durchflusszeit durch Anhebung der hydraulischen Beschickung die maximale Wachstumsgeschwindigkeit, werden mehr Mikroorganismen ausgewaschen als neugebildet, was zu einem instabilen Betrieb der Faulung führt. (Bomhard, 1996) In Abbildung 2 ist das Schema eines volldurchmischten Faulbehälters dargestellt. Das erzeugte Klärgas wird zur Speicherung in einem separaten Gasspeicher eingeleitet, von wo aus es i.d.r. in ein Blockheizkraftwerk zur energetischen Verwertung geleitet wird. (Bomhard, 1996)

4 - 28 / 4 - zur Gasspeicherung Schlammabzug Wärmetauscher Rohschlamm Abb. 2: Schema eines volldurchmischten Faulbehälters (nach Bomhard, 1996) Neben der Durchmischung ist die Einhaltung einer konstanten Temperatur im Fermenter von ca. 35 C im mesophilen Betrieb ein weiteres wichtiges Kriterium für einen effektiven Faulprozess. Die Temperatur wird durch Wärmetauscher gewährleistet. 2.3 Die UDR-Fermentertechnologie Eine Möglichkeit, die Durchflusszeit bzw. die Aufenthaltszeit des Substrats im Fermenter von der Wachstumsrate der Mikroorganismen zu entkoppeln, besteht in dem Einbau von Aufwuchsflächen in den Reaktor. Die Mikroorganismen reichern sich intern im Reaktor auf dem Trägermaterial an. Durch diese Entkopplung kann die Konzentration der Mikroorganismen auch bei kürzeren Durchflusszeiten hoch gehalten werden. Durch eine Verkürzung der Durchflusszeit kann der Reaktor kleiner gebaut und somit Investitions-, Kapital- und Betriebskosten eingespart werden. Dennoch hat sich die Technologie auf Kläranlagen noch nicht durchgesetzt, was in erster Linie auf Probleme mit Verzopfungen und die Bildung von Kurzschlussströmungen zurück zuführen ist. Die Upflow-Downflow-Reflow (UDR)-Festbetttechnologie, entwickelt und vertrieben von der Firma Energie-Anlagen Röring GmbH, wird seit einigen Jahren im Bereich der Biogaserzeugung sowohl aus Wirtschaftsdüngern als auch nachwachsenden Rohstoffen erfolgreich eingesetzt. Der UDR-Reaktor, bestehend aus jeweils einem Upflow-, Downflow- und Reflow-Reaktor, ist mit einem Festbett im Upflow- und Downflow-Bereich ausgestattet. Das Frischsubstrat wird dem Upflow-Reaktor im unteren Bereich zugeführt. Durch die Frischsubstratzugabe wird die aktive Biomasse im oberen Bereich aus dem Up- bzw. Downflow-Reaktor verdrängt und gelangt in den Reflow-Reaktor. Nach der Zugabe von frischem Substrat wird die aktive Biomasse aus dem Reflow-Reaktor zurück in den Upflow-Reaktor gefördert, so dass zusätzlich zu den im Festbett angesiedelten Mikroorganismen eine Vermischung von Frischsubstrat und aktiver Biomasse gewährleistet ist. Da in landwirtschaftlichen Produkten mit einem hohen Sandanteil zu rechnen ist, befindet sich sowohl am Upalso auch am Downflow-Reaktor eine sogenannte Sandgrube, die nach Bedarf geleert werden kann. Die UDR-Fermentertechnologie wurde auf Kläranlagen zur Klär-

5 - 28 / 5 - schlammbehandlung bisher noch nicht eingesetzt. In Abbildung 3 ist ein Schema des UDR-Reaktors dargestellt. Abb. 3: Schematische Darstellung der UDR-Fermentertechnologie (nach Röring, 2012) 3 Aufbau des Forschungsprojekts Im Rahmen des von der Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen Otto von Guericke e.v. (AiF, ZIM) geförderten Projekts Entwicklung und Erprobung eines neuartigen Festbett-Hochleistungsreaktors zur anaeroben Klärschlammstabilisierung und damit zur Erschließung von Kläranlagen mit Anschlussgrößen < Einwohnerwerten für die energetische Nutzung in Blockheizkraftwerken soll der Einsatz des UDR-Reaktors für den Bereich der Klärschlammbehandlung vom Institut für Siedlungswasserwirtschaft (ISA) der RWTH Aachen und der Energie- Anlagen Röring GmbH erforscht werden. Das Projekt startete im April 2009 mit dem Bau und der Inbetriebnahme des UDR- Reaktors im halbtechnischen Maßstab auf der Versuchskläranlage (HtK) des Landesamtes für Natur, Umwelt und Verbraucherschutz NRW in Neuss. Für die ersten Versuche sollte der Fermenter mit Klärschlamm der Kläranlage Neuss-Süd bzw. der HtK Neuss betrieben werden. Untersuchungsschwerpunkte bildeten die Ermittlung und Behandlung von Betriebsschwierigkeiten sowie der Nachweis der verstopfungsfreien Funktion der Festbettreaktoren sowie die Erhöhung der Verfahrensleistung. In weiteren Versuchen wurde Klärschlamm aus Heiden behandelt, um weitere Erkenntnisse hinsichtlich des Abbaugrads und des Gasertrags für die bei der Kläranlage Heiden vorherrschenden Randbedingungen zu sammeln. Im nächsten Projektabschnitt soll ein großtechnischer UDR-Reaktor auf der Kläranlage in Heiden aufgestellt und der Betrieb wissenschaftlich begleitet werden.

6 - 28 / 6-4 Halbtechnische Versuche auf der HtK in Neuss 4.1 Versuchsaufbau und -durchführung Der halbtechnische UDR-Reaktor (Abbildung 4, rechts) wurde hinsichtlich seiner Geometrie an die Größe der großtechnischen UDR-Reaktoren angepasst. Der Fermenter hat ein Gesamt-Reaktorvolumen von ca Litern. Das Volumen des Upflow- Reaktors umfasst 450 Liter, der Downflow 500 Liter und der Reflow-Reaktor 250 Liter exklusive Gasspeicher. Als Festbett ist im Up- und Downflow-Bereich ein geripptes PVC-Rohr mit einem Durchmesser von 0,2 m und einer Gesamtfläche von 6,3 m² montiert. Die Frischsubstratzufuhr erfolgte vier Mal täglich unten in den Upflow- Reaktor und die Entnahme des ausgefaulten Schlamms im unteren Bereich des Downflow. Aus Erfahrungen der großtechnischen Anwendung des UDR-Reaktors im Bereich der Biogaserzeugung aus Wirtschaftsdüngern und Nachwachsenden Rohstoffen wurde das Substrat nach den ersten Versuchen nicht mehr in den Upflow, sondern in den Reflow-Reaktor zugeführt. Durch diese Maßnahme soll der im Schlamm enthaltene Sauerstoff zunächst ausgasen bevor er dem Upflow-Reaktor zugeführt wird. Das Klärgas wird über den Reflow-Reaktor, welcher gleichzeitig als Gasspeicher fungiert, zur Gasmengenmessung und -analyse abgeführt. Der Referenzreaktor ist als klassischer volldurchmischter Fermenter mit ca. 750 Litern Nettovolumen ausgebildet (Abbildung 4, links). Die Substratzugabe erfolgte beim Referenzreaktor manuell. Downflow Upflow Reflow Gas Festbett Festbett Gas Substrat Substrat Abb. 4: Gärreste Gärreste Schematische Darstellung des Referenz- (links) und UDR-Reaktors (rechts) auf der HtK Neuss Während des Betriebes wurden folgende Parameter des In- und Outputs des UDRund Referenzreaktors von Montag bis Freitag einmal täglich untersucht: Trockensubstanz (TS) organische Trockensubstanz (otr), Glühverlust (GV)

7 - 28 / 7 - organische Säuren, als Essigsäureäquivalent ph-wert Gasmenge Weiterhin wurden täglich über die Prozesssteuerung folgende Parameter erfasst: Temperaturen in allen drei UDR-Reaktoren (permanent) Gaszusammensetzung CH 4, CO 2 (in beiden Reaktoren, 4 x täglich) Menge an Substrat-Input und Gärrest-Output (UDR-Reaktor, 4 x täglich) In Tabelle 2 sind die Rahmenbedingungen der Versuchsreihen (V) der durchgeführten Versuche mit dem UDR-Reaktor im Vergleich zum Referenzreaktor dargestellt. Der Referenzreaktor wurde über die gesamte Laufzeit (V 1-4) mit einer konstanten Verweilzeit von 20 Tagen und beide Reaktoren mit einer Temperatur von 37 C betrieben. Die dargestellten Versuchsreihen wurden in der angegebenen Reihenfolge mit ggf. kurzen Unterbrechungen zur Umrüstung durchgeführt. Tabelle 2: Rahmenbedingungen der Versuchsreihen Zeitraum in Monaten Versuchsreihe Rohschlamm Verweilzeit und Raumbelastung im UDR-Reaktor Referenzreaktor [d] [kg/m³] [d] [kg/m³] 1 6 KA Neuss 10 1, ,5 KA Neuss 12,5 1,5 0,9 3 3 KA Heiden 10 1,5 20 0,73 4 z.z. 1,5 (Stand Aug. 2012) KA Neuss 15 1,2 0,7 Der Rohschlamm der KA Neuss ist ein Gemisch aus mazeriertem Primärschlamm von der Kläranlage Neuss-Süd und Sekundärschlamm von der HtK Neuss. Der Primärschlamm wurde zwei Mal wöchentlich angeliefert und in einem Vorlagebehälter im entsprechenden Mischungsverhältnis mit dem Sekundärschlamm vermengt. Um ein Absetzen des Klärschlamms im Vorlagebehälter zur vermeiden, wurde das Gemisch mit einem langsam laufenden Mischer kontinuierlich in Bewegung gehalten. Die Kläranlage Heiden wird als simultan denitrifizierende Anlage mit einem Schlammalter von ca. 20 Tagen betrieben und verfügt über keine Vorklärung. Der anfallende Überschussschlamm wird im Betrieb mit einem Bandfilter auf ca. 8% Trockensubstanz vorentwässert, danach zwischengespeichert und anschließend mit einer Zentrifuge auf ca. 18% entwässert. Für die Versuche wird der Überschussschlamm auf ca. 5% TS eingedickt. Die Anlieferung des Heidener Klärschlamms erfolgte ein bis zwei Mal wöchentlich. Auch der Klärschlamm Heiden wird auf der HtK in Neuss durch Rühren in Schwebe gehalten. Versuchsreihe 1: In der sechsmonatigen ersten Versuchsreihe wurden der UDR-Reaktor mit einer Verweilzeit von 10 Tagen, und beide Reaktoren mit einem Gemisch aus Primär- und Sekundärschlamm der Kläranlage Neuss-Süd und der HtK Neuss betrieben. Die erste Versuchsreihe diente zur groben Orientierung, wie der UDR-Reaktor im Vergleich

8 - 28 / 8 - zum klassischen volldurchmischten Reaktor in Bezug auf die oben beschriebenen Parameter einzuschätzen ist. Versuchsreihe 2: In der zweiten Versuchsreihe (Dauer: 5,5 Monate) wurde die täglich zugeführte Klärschlammmenge für den UDR-Reaktor verringert und so eine Verweilzeit von 12,5 Tagen eingestellt. Versuchsreihe 3: Für die dritte Versuchsreihe wurde der Klärschlamm aus Heiden im wöchentlichen Rhythmus nach Neuss transportiert und als Substrat für den UDR- und Referenzreaktor verwendet. Die Verweilzeit wurde im UDR-Reaktor wie in Versuchsreihe 1 auf 10 Tage eingestellt. Auf Basis von neuen Erkenntnissen wurde das Substrat nicht mehr in den Upflow, sondern in den Reflow-Reaktor zugeführt. Versuchsreihe 4: In der noch andauernden vierten Versuchsreihe wurde erneut Klärschlamm aus Neuss verwendet und aufgrund der Ergebnisse aus den Versuchsreihen 1 bis 3 die Verweilzeit im UDR-Reaktor auf 15 Tage erhöht. Die Substratführung entspricht der Verfahrensweise der dritten Versuchsreihe. 4.2 Versuchsergebnisse mit Klärschlamm Neuss (V 1, 2, 4) In diesem Kapitel sind die Ergebnisse der Versuchsreihen mit dem Neusser Klärschlamm für die Parameter Glühverlust (Abbildung 5), die abgebaute Organik (Abbildung 6), die Gaszusammensetzung (Abbildung 7) und den ph-wert (Tabelle 3) dargestellt. Für den Vergleich der unterschiedlichen Verweilzeiten im UDR-Reaktor von 10; 12,5 und 15 Tagen sind Versuchsreihe 1, 2 und 4, ohne die Versuche mit dem Heidener Klärschlamm (Versuchsreihe 3), nacheinander in den Grafiken angeordnet. Versuchsergebnisse: Glühverlust Der zeitliche Verlauf des Glühverlusts des In- und Outputs für den UDR- und Referenzreaktor für die drei Versuchsreihen ist in Abbildung 5 dargestellt. Der Median des Glühverlust-Inputs für den Klärschlamm Neuss über die drei Versuchsreihen lag zwischen 80 und 81% und der TS-Gehalt bei ca. 23 g/l. Der Median des GV-Output des Referenzreaktors in der ersten Versuchsreihe betrug 65%, im Vergleich dazu lag der GV-Median des UDR-Outputs bei 69%. Ein Vergleich mit den Literaturdaten aus Tabelle 1 zeigt, dass das Gärsubstrat beider Fermenter nur mäßig ausgefault ist. Um einen verbesserten Ausfaulgrad im UDR-Reaktor zu erzielen, wurde auf Basis der ersten Ergebnisse die Verweilzeit im UDR-Reaktor von 10 auf 12,5 Tage erhöht. Trotz fast identischem Glühverlust-Input konnte in der zweiten Versuchsreihe, ohne Veränderungen im Referenzreaktor der Ausfaulgrad auf im Mittel 60% gesenkt werden, was immer noch einem mäßig ausgefaultem Zustand entspricht. Wie in Abbildung 5 für Versuchsreihe 2 zu erkennen ist, lag der GV-Output im UDR-Reaktor sig-

9 - 28 / 9 - nifikant über dem der Referenz. Der GV-Output des UDR-Reaktors konnte durch die Erhöhung der Verweilzeit nicht verbessert werden, der GV-Median des UDR-Outputs lag weiterhin bei 69%. Somit lag der Ausfaulgrad des Referenzreaktors in der zweiten Phase im Mittel um 9%-Punkte unterhalb des UDR-Reaktors. 100 V 1: HRT = 10 d V 2: HRT = 12,5 d V 4: HRT = 15 d Glühverlust, GV [%] Zeit [Wochen] GV Input GV Referenz-Output GV UDR-Output Abb. 5: Zeitlicher Verlauf des Glühverlusts im UDR- und Referenzreaktor, der Versuchsreihen mit Klärschlamm Neuss (V 1, 2, 4) In der vierten Versuchsreihe wurde die Verweilzeit im UDR-Reaktor auf 15 Tage erhöht. Die bislang ausgewerteten ersten sechs Wochen dieser Versuchsreihe zeigen jedoch eine klare Tendenz auf. Die Erhöhung der Verweilzeit im UDR-Reaktor hat einen deutlichen Einfluss auf den Glühverlust, der in Output im Mittel bei 62% (Median) beim UDR und bei 60% bei der Referenz lag (Abbildung 5). Der Downflow-Bereich des UDR-Reaktors wird nicht durchmischt, wodurch bei einer mehrtätigen Aufenthaltszeit des Substrats im Reaktor von einer Sedimentation und Eindickung des Klärschlamms im unteren Bereich des Downflow-Reaktors auszugehen ist. Diese Theorie wird durch den Vergleich des TR-Outputs von Versuchsreihe 1 und 2 bekräftigt. In Versuchsreihe 1 lag der mittlere TR-Gehalt im Output bei 17,3 g/l und in Versuchsreihe 2, trotz gesunkenem TS-Gehalt im Input, bei 23,3 g/l. Durch die Erhöhung der Aufenthaltszeit im Downflow-Reaktor fand eine verstärkte Eindickung des Klärschlamms in diesem Segment des Reaktors statt. Versuchsergebnisse: abgebaute Organik Neben dem Glühverlust wurde zur Bewertung der Abbauleistung des Reaktors auch die abgebaute Masse an Organik betrachtet. Auf Grundlage der Massenbilanz von

10 - 28 / 10 - zu- und abgeführter organischer Trockensubstanz ist in Abbildung 6 die Masse an abgebauter Organik der Versuche dargestellt. Min - und Max -Werte geben den jeweils niedrigsten und höchsten gemessenen Wert an, das obere Quantil ist für 85% und das untere Quantil für 15% berechnet, und der Querbalken stellt den Wert des Medians dar. 100% V 1: HRT = 10 d V 2: HRT = 12,5 d V 4: HRT = 15 d 90% 80% 70% Max abgebaute Organik [%] 60% 50% 40% 30% oberes Quantil 44,4 Median unteres Quantil 52,7 40,7 54,5 53,0 46,4 20% 10% Min 0% Abb. 6: UDR 1 Referenz 2 UDR3 Referenz 4 UDR5 Referenz 6 Abgebaute Organik im UDR- und Referenzreaktor der Versuchsreihen mit Klärschlamm Neuss (V 1, 2, 4) In der ersten und zweiten Versuchsreihe wurde im Referenzreaktor im Median 52,7 bzw. 54,5% der Organik abgebaut und im UDR-Reaktor im Mittel 44,4 bzw. 40,7%. Durch die Anhebung der Verweilzeit in Versuchsreihe 4 konnte der Glühverlust gesenkt (Abbildung 5) und somit auch die Abbauleistung des Reaktors gesteigert werden. Der Median der abgebauten Organik liegt bei 53% für den UDR-Reaktor und bei 46,4% für den Referenzreaktor. Der Rückgang der Abbauleistung im Referenzreaktor ist noch genauer zu untersuchen. Versuchsergebnisse: Methankonzentration im Klärgas und ph-wert In Abbildung 7 ist die Methankonzentration im Klärgas der Versuche mit dem Neusser Klärschlamm dargestellt. In der ersten und zweiten Versuchsreihe sind die Methangehalte beider Klärgase mit 59,2 und 58,6% für den UDR und mit 57,6 und 56,2% (alles Median-Werte) für den Referenzreaktor annähernd identisch und ein Einfluss durch die Anhebung der Verweilzeit im UDR-Reaktor ist nicht zu erkennen. In der vierten Versuchsreihe stieg der Methangehalt in beiden Klärgasen deutlich auf 63,6% im UDR und auf 64,5% im Referenzreaktor an.

11 - 28 / V 1: HRT = 10 d V 2: HRT = 12,5 d V 4: HRT = 15 d 70 Max 60 Median oberes Quantil 59,2 58,6 57,6 56,2 63,6 64,5 CH4-Konzentration [%] unteres Quantil Min UDR 1 Referenz 2 UDR 3 Referenz 4 UDR 5 Referenz 6 Abb. 7: Methankonzentrationen im UDR- und Referenzreaktor der Versuchsreihen mit Klärschlamm Neuss (V 1, 2, 4) Der Anstieg des Methangehalts beim UDR-Reaktor ist mit dem verbesserten Abbaugrad im Vergleich zu den ersten beiden Versuchsreihen zu erklären. Der ph-wert lag bei beiden Reaktoren im Bereich eines gut bis sehr gut ausgefaulten Schlammes (vergl. Tabelle 1). Über die drei Versuchsreihen betrug der ph-wert im Referenz-Output zwischen 7,3 und 7,5 und im UDR-Output zwischen 7,1 und 7,5. Tabelle 3: ph-wert mit Klärschlamm Neuss (V 1, 2, 4) Parameter Einheit V1 V2 V4 UDR Referenz UDR Referenz UDR Referenz ph-wert [-] 7,1 7,3 7,5 7,6 7,5 7,6 4.3 Versuchsergebnisse mit Klärschlamm Heiden Für die Versuche mit Heidener Klärschlamm wurde der Klärschlamm im wöchentlichen Rhythmus von Heiden zur HtK Neuss transportiert und diente sowohl dem Referenz- als auch dem UDR-Reaktor als Frischsubstrat. Die Verweilzeit im UDR- Reaktor betrug 10 Tage, im Referenzreaktor 20 Tage. Der Heidener Klärschlamm unterschied sich teilweise deutlich vom Klärschlamm Neuss. In Tabelle 4 sind ausgewählte Parameter beider Rohschlämme der Versuchsreihen 1-4 gegenübergestellt. Die Werte des Glühverlusts, des ph-werts und der organischen Säuren bestätigen, dass der Heidener Klärschlamm bedingt durch das hohe Schlammalter bereits teilstabilisiert ist.

12 - 28 / 12 - Tabelle 4: Gegenüberstellung Klärschlamm (Rohschlamm) Neuss und Heiden (Versuchsreihen 1-4) Klärschlamm Glühverlust TS-Gehalt ph-wert org. Säuren [%] [g/l] [-] [mg/l] Neuss, V , Neuss, V ,7 830 Neuss, V , Heiden, V ,5 445 Die Unterschiede im Output von UDR- und Referenzreaktor sind beim Heidener Klärschlamm deutlich geringer im Vergleich zum Klärschlamm Neuss (siehe Tabelle 5). Die im UDR- und Referenzreaktor produzierte spezifische Gasmenge von ca. 190 l/kg otszu lag unter den in der Literatur angegebenen Werten von l/kg otszu ebenso wie die Menge an abgebauter Organik von ca. 22% die laut Literaturangaben zwischen 33-38% liegt (Müller et al., 1999). Die Literaturangaben basieren auf einer 30-tägigen Faulung für Faulschlamm aus Kläranlagen ohne Vorklärung und einem Schlammalter in der biologischen Stufe von 25 Tagen. Die produzierte Gasmenge und der Abbaugrad der Organik sind in klassischen Faulbehältern von der Verweilzeit im Reaktor abhängig. Somit sind die Literaturangaben nach unten zu korrigieren. Tabelle 5: Vergleich einzelner Parameter des UDR- und Referenzreaktors mit Heidener Klärschlamm (Versuchsreihe 3) Reaktor spez. Gasmenge Glühverlust Organik abgebaut Org. Säuren ph-wert [l/kg otszu ] [%] [%] [mg/l] [-] Referenz ,4 UDR ,3 Die Methangehalte des Klärgases aus Heidener Klärschlamm lagen im Mittel bei 67% für den UDR- und bei 70% für den Referenzreaktor. 5 Zusammenfassung und Ausblick Die ersten Versuche des UDR-Reaktors mit Klärschlamm als Frischsubstrat zeigten, dass diese Technologie grundsätzlich konkurrenzfähig zu einem volldurchmischten Reaktor ist. Der Ausfaulgrad des Gärsubstrats und die abgebaute Organik sind zwar etwas geringer, jedoch beträgt die Verweilzeit des Substrats im UDR-Reaktor nur 10 bzw. 12,5 Tage im Vergleich zu 20 Tagen im Referenzreaktor. Durch eine Anhebung der Verweilzeit im UDR-Reaktor auf 15 Tage konnten nahezu identische Ergebnisse wie im Referenzreaktor erzielt werden. Durch die UDR-Technologie könnten die Investitions- und Betriebskosten der Klärschlammstabilisierung im Vergleich zu einem Faulbehälter als gängige Eiform aufgrund des geringeren Bauvolumens voraussichtlich reduziert werden und auch für kleine Kläranlagen wirtschaftlich sein. Eine Mach-

13 - 28 / 13 - barkeitsstudie einschließlich Wirtschaftlichkeitsprüfung ist jedoch für jede Kläranlage gesondert zu erstellen. In dem noch ausstehenden Projektabschnitt soll ein großtechnischer UDR-Reaktor auf der Kläranlage Heiden errichtet und der Betrieb wissenschaftlich begleitet werden. Die ersten Versuche mit dem Klärschlamm aus Heiden in den halbtechnischen Reaktoren machen deutlich, dass ein bereits teilstabilisierter Klärschlamm erwartungsgemäß weniger Klärgas produziert. Dies ist im Rahmen von Wirtschaftlichkeitsbetrachtungen stets zu berücksichtigen. Zunächst soll jedoch die grundsätzliche Eignung der UDR-Technologie im Bereich der Klärschlammbehandlung im großtechnischen Maßstab untersucht werden. Eine parallele Betrachtung der Kläranlage Heiden soll aufzeigen, ob durch eine Umgestaltung der biologischen Stufe, den Bau einer Vorklärung und den die Implementierung der UDR-Technologie diese Maßnahmen monetär durch die deutlich verbesserte Energiebilanz und die Einsparung von Entsorgungskosten gedeckt sind. Das Projekt (KF RH8, KF RH8KF) wird gefördert vom Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages. Literatur Bomhard, H. (1996): Schlammstabilisierung - Bauwerke der anaeroben Stabilisierung. In: ATV- Handbuch: Klärschlamm. 4. Auflage, Ernst & Sohn. Hennef. ISBN Destatis (2006): Umwelt - Öffentliche Wasserversorgung und Abwasserbeseitigung Fachserie 19 Reihe 2.1, Statistisches Bundesamt, Wiesbaden Dichtl, N. (1996): Verfahrenskette der Klärschlammstabilisierung. In: ATV-Handbuch: Klärschlamm. 4. Auflage, Ernst & Sohn. Hennef. ISBN DWA (2006): Abwasserbehandlung. Weiterbildendes Studium Wasser und Umwelt, Weimar. ISBN: Keicher, K.; Krampe, J. (2007): Vorsorgesicherheit und Störfallszenarien. In: Innovative Energiekonzepte für Kläranlagen. 82. Siedlungswasserwirtschaftliches Kolloquium am 11. Okt Stuttgarter Bericht zur Siedlungswasserwirtschaft Band 191. ISBN: , Stuttgart. Pöppinghaus et al., 1994: Pöppinghaus, K., Filla, W., Sensen, S., Scheider, W. Abwassertechnologie Entstehung, Ableitung, Behandlung, Analytik der Abwässer. 2. Auflage, Springer-Verlag. ISBN x. Leschber R. und Niemitz, W. (1996): Beschaffenheit des Klärschlamms. In: ATV-Handbuch: Klärschlamm. 4. Auflage, Ernst & Sohn. Hennef. ISBN Müller, E. A.; Kobel, B.; Künti, Th.; Pinnekamp, J.; Seibert-Erling, G.; Böcker, K. (1999): Energie in Kläranlagen - Handbuch. MKUNLV (ehem. MURL), Düsseldorf. Röring (2012): Informationsmaterial der Firma Energie-Anlagen Röring GmbH. Schmitt, T.; Gretzschel, O.; Hansen, J.; Siekmann, K. (2010): Neubewertung von Abwasserreinigungsanlagen mit anaerober Schlammbehandlung vor dem Hintergrund der energetischen Rahmenbedingungen und der abwassertechnischen Situation in Rheinland-Pfalz NawaS. Modul 1: Grundlegende Untersuchungen. Schlussbericht Schröder, M. (2007): Klärschlamm als Energieträger. In: KA-Abwasser, Abfall 2007 (54) Nr. 10 S , Hennef.

14 - 28 / 14 - Anschrift der Verfasser: Dipl.-Ing. Wibke Everding, Dr.-Ing. David Montag, Dipl.-Ing. Detlef Bruszies, Dipl.-Ing. Verena Ihsahne-Montazem, Univ.-Prof. Dr.-Ing. Johannes Pinnekamp Institut für Siedlungswasserwirtschaft der RWTH Aachen Mies-van-der-Rohe-Straße Aachen everding@isa.rwth-aachen.de Dipl.-Ing. Alfred van den Berg Energie-Anlagen Röring GmbH Rudolf-Diesel-Str. 3b Vreden info@energieanlagen-roering.de