Stadtentwsserung Entwsserungsbetrieb Vom Abfall zum Rohstoff Abwasser und

Stadtentwässerung Entwässerungsbetrieb Vom Abfall zum Rohstoff Abwasser und Abfall als kommunale Ressource zur innovativen Energiegewinnung Dipl. -Ing. (univ. ) Cristina Pop Leiterin Tiefbauamt der Stadt Straubing 1

Stadtentwässerung Entwässerungsbetrieb EU – Strategie: Weg von der Abfallgesellschaft hin zur Recyclinggesellschaft Konsequenz: Abfallentsorger werden immer mehr zu Rohstoffproduzenten. Dr. Hanshelmut Itzel Vorstandsmitglied DGAW e. V. Vortrag OTTI “Phosphat aus Klärschlamm” Lösung eines zukünftigen Rohstoff-Engpasses? 2

Stadtentwässerung Entwässerungsbetrieb 3

Gliederung Stadtentwässerung Entwässerungsbetrieb 1. Abwasser 2. Abwasserwärmenutzungsanlage 3. 2. Klärschlamm 4. Nutzung organischer Bestandteile als Energie / Strom- und Gasproduktion 5. 3. Von Schadstoff zu Rohstoff im Sinne des Kreilaufwirtschaftsgesetzes 6. Vom Stickstoff zum Ammoniumsulfat 7. Brauchwasseraufbereitung 8. Phosphor aus Asche 9. Kehrrichtgut 10. 4. Ausblick 4

1. Abwasserwärmenutzung • 11 Wohngebäude der städtischen Wohnungsbaugesellschaft • 102 Wohneinheiten mit 7. 150 m 2 Wohnfläche • ca. 1. 000 MWh/a Wärmebedarf = 80. 000 l/a Heizöl + 25% Erdgas • Entfernung zum Hauptsammler der Kläranlage ca. 100 m, Qtr = 160 l/s Stadtentwässerung Entwässerungsbetrieb 5

Stadtentwässerung Entwässerungsbetrieb 1. Abwasserwärmenutzung Betriebsgebäude / Wärmetauscher Wohnkomplex der städtischen Wohnungsbau Gmb. H Heizungsnetz Entnahmeschacht mit Pumpen und Siebanlage Abwasser Hauptsammler 1800/1200 mm 6

Stadtentwässerung Entwässerungsbetrieb 1. Abwasserwärmenutzung Entscheidung: • im Kanal verlegte und vom Abwasser überströmte Rinnenwärmetauscher oder • im Bypass zum Kanal aufgestellte Wärmetauscher mit automatisierter Feststoffentnahme und Biofilmreinigung. Therm. Win© - Verfahren zur Abwasserwärmenutzung 7

2. Klärschlamm / Nutzung organischer Bestandteile Stadtentwässerung Entwässerungsbetrieb Kläranlagenkenndaten / Wasserwirtschaftlich begründete Maßnahmen • Ausbaugröße 200. 000 EW • 1967 Inbetriebnahme mechanische Reinigung und Entwässerung • 1989 Ausbau zur Hochbelasteten Biologie und Nitrifikation im TK (2 -stufige Anlage/ hoch belastete Biologie mit 4 nachgeschalteten Nitrikfikationstropfkörper) • 1992 Phosphatelimination • Stickstoffbehandlung (3 Bauabschnitte zur Stickstoffelimination) 1999 Abschnitt 1 (Luftstrippung mit saurer Wäsche zur separaten Behandlung des Prozesswassers aus der Schlammentwässerung) 2002 Abschnitt 2 (Vorgeschaltete Denitrifikation/ Belebtschlammanlage als erste Stufe zur Denitrifikationskaskade umgebaut, indem zwei zusätzliche Belebungsbecken und eine Rezirkulation realisiert wurde) 2005 Abschnitt 3 (Erweiterung Deni in VKB, Nutzung interner C-Quellen/ ein Teil der Vorklärung wurde zur Deni-Zone umgerüstet und ein drittes Nachklärbecken gebaut. Die zweite Stufe besteht weiterhin aus 4 Nitrifikations-TK) 8

2. Klärschlamm / Nutzung organischer Bestandteile 3 1 Ab 2004 betriebswirtschaftlich und betrieblich begründete Maßnahmen: 2 5 4 Stadtentwässerung Entwässerungsbetrieb 1 - CO-Vergärung 2 - sludge 2 energy 3 - Annahme Fremdschhlämme / Schlammstapelbehälter 4 - Sandwäsche 5 - Brauchwasser UF 9

2. Klärschlamm / Nutzung organischer Bestandteile Stadtentwässerung Entwässerungsbetrieb 10

2. Klärschlamm / Nutzung organischer Bestandteile Stadtentwässerung Entwässerungsbetrieb Nutzung vorhandener Anlagenkapazitäten • Schlammentwässerung • Prozesswasserbehandlung • (Faulbehälter) Neubau von Anlagenteilen • Annahmestation • Zwischenspeicher Þ Investitionsrisiko bei der Stadt Straubing Þ seit 2001 praktiziert Þ Bisher 122. 000 m³ externer Schlämme mitbehandelt 11

2. Klärschlamm / Nutzung organischer Bestandteile Stadtentwässerung Entwässerungsbetrieb 2006 Energieanalyse / Abwasserreinigung vervollständigt / Einhaltung der Grenzwerte Stickstoff 12

2. Klärschlamm / Nutzung organischer Bestandteile Annahmeplatz Co-Substrate Stadtentwässerung Entwässerungsbetrieb Annahmestation Co-Substrate Für die Co-Vergärung am Standort Straubing können pastöse und flüssige Substrate aus der Abwasserreinigung (Klärschlämme, Fettabscheiderinhalte) und der Abfallwirtschaft (Lebensmittelindustrie, Speiseabfälle) verwendet werden. Die gesamte Annahmestation wird komplett automatisiert betrieben, d. h. die Anmeldung, Registrierung und Inbetriebnahme der Annahmestation erfolgt über eine Identifikationsanlage. Das Umwälzen, Erwärmen und Dosieren der Substrate in die Faulung erfolgt fern überwacht vom PLS der Kläranlage aus. 13

2. Klärschlamm / Nutzung organischer Bestandteile Zwischenspeicher für Co-Substrate Stadtentwässerung Entwässerungsbetrieb Maschinentechnik Die Substrate werden mittels einer Drehkolbenpumpe aus den Lieferfahrzeugen gesaugt und über zwei Mazeratoren mit vorgeschalteten Sieben geführt, die angelieferten Substrate zerkleinern und metallische und große mineralische Störstoffe abtrennen, bevor sie in zwei Behältern zwischengespeichert werden. Da die verschiedenen Co-Substrate in ihrer Beschaffenheit (TS 3 - 9 %, Temperatur 10 - 50°C) teilweise stark variieren, werden sie über eine separate Pumpe kontinuierlich umgewälzt und bei Bedarf über einen Rohrkanalwärmetauscher gefördert. Die Zugabe in die Faulung der Kläranlage kann unabhängig vom Anliefer- und Umwälzvorgang erfolgen. 14

2. Klärschlamm / Nutzung organischer Bestandteile Stadtentwässerung Entwässerungsbetrieb Auswirkungen auf Anlagenteile • Faulbehälter: Steigerung der Raumumsatzleistung Erhöhung der organischen Säuren und Kalkreserve Stabiler Betrieb der Faultürme • Schlammentwässerung: Erhöhte Fettanteile im stabilisierten Klärschlamm Keine merkbare Veränderung der Entwässerbarkeit • Klärschlammanfall: Steigerung des Klärschlammanfalls Leichte Erhöhung der Geruchsbildung • Gasanfall: Steigerung um ca. Faktor 2 - 3 Verbesserung der Gasqualität Seit der Inbetriebnahme werden werktäglich ca. 50 - 150 m³ Co-Substrate angeliefert und gleichmäßig verteilt über die Woche der Faulung zugegebenen. Dadurch werden die vorhandenen Aggregate und Bauwerke effektiv und wirtschaftlich genutzt und gleichzeitig die Gasproduktion in den Faulbehältern deutlich gesteigert. Die Verwertung des Gases in den BHKWs ermöglicht die Deckung des gesamten Energiebedarfs der Kläranlage an Strom und Wärme. 15

2. Klärschlamm / Nutzung organischer Bestandteile Stadtentwässerung Entwässerungsbetrieb 16

2. Klärschlamm / Nutzung organischer Bestandteile Stadtentwässerung Entwässerungsbetrieb BHKW-Neubau • Klärgasbedarf 2 x 200 Nm³/h • Anlagenleistung (elektrisch) 2 x 520 k. W • Anlagenleistung (thermisch) 2 x 550 k. W (97°C) + 2 x 75 k. W (55°C) • Elektrischer Wirkungsgrad (brutto) 40 % Investitionen • BHKW ca. 900. 000 € • Co-Vergärung ca. 800. 000 € Einsparung Strom ca. 400. 000 €/a Einspeisung ca. 150. 000 €/a 17

2. Klärschlamm / Nutzung organischer Bestandteile 2001 Stadtentwässerung Entwässerungsbetrieb • Regionale Klärschlammverwertung wird von einer großen Zahl umliegender Gemeinden genutzt. „Straubinger Modell“ ist ein herausragendes Beispiel für interkommunaler Zusammenarbeit. Im Herbst 2009 nach BIm. Sch. G von der Regierung genehmigt. Halle für die S 2 E, gebaut von der Stadt Straubing, gemietet von der Fa. Huber SE. 2007 • Ingesamt fallen auf der Kläranlage Straubing ca. 8. 000 t/a Klärschlamm mit einem TS-Gehalt von ca. 30 Gew. -% an (Fäkalien, Fremdschlämmen, Reststoffe) 2011 • Der im Jahr 2006 durch die Fa. Huber SE mit anderen Projektpartnern für das Verfahren „Sludge 2 Energy“ gestellte Antrag im Rahmen des EU-Life-III Programms, bei dem eine großtechnische Pilotanlage zur Klärschlammverbrennung auf der Kläranlage Straubing realisiert werden sollte, geht zur Zeit in Betrieb. 18

2. Klärschlamm / Nutzung organischer Bestandteile Stadtentwässerung Entwässerungsbetrieb sludge 2 energy Monoklärschlammverbrennung 19

Stadtentwässerung Entwässerungsbetrieb 2. Klärschlamm / Nutzung organischer Bestandteile sludge 2 energy Monoklärschlammverbrennung 20

2. Klärschlamm / Nutzung organischer Bestandteile Stadtentwässerung Entwässerungsbetrieb Verbrennungsanlage / Abgasreinigung 21

2. Klärschlamm / Nutzung organischer Bestandteile Stadtentwässerung Entwässerungsbetrieb Als Verbrennungstechnik ist eine Rostfeuerung mit Wurfbeschickung vorgesehen. Diese Feuerungsart mit Flugverbrennung hat sich für vielfältige Einsatzstoffe aus dem Abfall- und Bioenergiebereich bewährt. Die Verbrennungsluftverteilung erfolgt über die Primärluftzone unterhalb des Rostes und einen Sekundärlufteintritt oberhalb des Rostes. Zur Kontrolle des Verbrennungsvorgangs sind eine Rauchgasrezirkulation, unabhängig voneinander regelbare Luftzufuhren sowie der lastabhängige Brennstoffeinwurf vorgesehen. Schubbodenrost 22

2. Klärschlamm / Nutzung organischer Bestandteile Stadtentwässerung Entwässerungsbetrieb Klärschlammtrocknung • Für die S 2 E Anlage, zur Nutzung der Verbrennungswärme aus der Klärschlammverbrennung ist ein Hochtemperaturtrockner mit Brüdenkondensation installiert • Für die Trocknung extern angelieferter Schlämme ist ein Mitteltemperatur-Bandtrockner vorhanden, dessen Verdampfungsleistung aus Abwärme des BHKW gewonnen wird. Die Abwärme wird auf der Kläranlage voraussichtlich ganzjährig zur Verfügung stehen, da die Gasmengen, die durch die Annahme der Co. Substrate anfallen, einen entsprechenden Überschuss zur Folge haben werden. 23

2. Klärschlamm / Nutzung organischer Bestandteile Stadtentwässerung Entwässerungsbetrieb Ergebnisse der Klärschlammbewirtschaftung: • Verwertung von 8. 000 – 10. 000 t Klärschlamm und CO-Substraten von Straubing und Umlandgemeinden • Stromproduktion ca. 6, 2 Mio k. Wh/a • Strombedarf ca. 3, 8 Mio k. Wh/a • Gasproduktion 2, 4 Mio m³/a • Wärmeüberschuss Niedertemperatur ca. 450 k. W => 2 Mio k. Wh/a (40 -45°C) • Wärmeüberschuss Mitteltemperatur ca. 90 k. Wh => 600. 000 k. Wh/a (90°C) • Klärgasüberschuss 400. 000 m³ => 270. 000 l Flussiggas • Asche 1200 – 1400 t/a • sludge 2 energy energieautark 24

3. Von Schadstoff zu Rohstoff Stadtentwässerung Entwässerungsbetrieb 1. Stickstoffellimination / Luftstrippung mit anschließend Sauerer Wäsche 2. Wiederaufbereitung von Sandfanggut 3. Brauchwasseraufbereitung / Membranfilteranlage 4. Schaffung von Voraussetzungen zur Phosphorrückgewinnung 25

3. 1 Von Schadstoff zu Rohstoff / Stickstoffellimination Stadtentwässerung Entwässerungsbetrieb 26

3. 2 Von Schadstoff zu Rohstoff / Wiederaufbereitung Sandfanggut • Sandfanggut wurde bis 2005 kompostiert / verbrannt • zunehmend Akzeptanzprobleme und Kosten Stadtentwässerung Entwässerungsbetrieb seit 2006 praktiziert Kosten 37, 14 €/t mitbehandeltem Sandfanggut Bisher ca. 400 t externes Sandfanggut mitbehandelt bei 700 t eigenem Sandfanggut und bei ca. 2500 t Straßenkehricht und Kanalrückständen • Aufbau einer eigenen Sandfanggutbehandlung (mit Straßenkehrichtbehandlung) • Nutzung des Spülwassers als C-Quelle für die vorgeschaltete Denitrifikation • Wiederverwertung des Sands im Straßen- und Wegebau und GV < 3% (Deponie) 27

3. 3 Von Schadstoff zu Rohstoff / Brauchwasseraufbereitung Stadtentwässerung Entwässerungsbetrieb Membrantechnik • Baujahr 2004 • betrieblich begründet • Investition 155. 000 € • Ersatz von Trinkwasser durch seuchenhygienisch unbedenkliches Brauchwasser aus dem Ablauf der Kläranlage • Einsparung von bis zu 80. 000 m³/a 28

3. 3 Von Schadstoff zu Rohstoff / Phosphorrückgewinnung Stadtentwässerung Entwässerungsbetrieb Wofür Phosphat? • Täglicher Verzehr der Menschheit (gem. WHO) - 2, 4 Milliarden kg Getreide - 1, 0 Milliarden kg Obst und Gemüse - 0, 5 Milliarden kg Fleisch • Zur Herstellung muss ca. 130 Mio t Phosphatdünger (= ca 40 Mio t Phosphat) eingesetzt werden. • Eine Alternative für Phosphat gibt es bei der Pflanzenernährung nicht. Quelle: Dr. Hanshelmut Itzel 29

3. 3 Von Schadstoff zu Rohstoff / Phosphorrückgewinnung Stadtentwässerung Entwässerungsbetrieb Aktuelle Phosphatförderung (2007: 49, 8 Mio t P 2 O 5) Quelle: Dr. Hanshelmut Itzel 30

3. 3 Von Schadstoff zu Rohstoff / Phosphorrückgewinnung Stadtentwässerung Entwässerungsbetrieb Verbrennungskapazität Klärschlamm Gesamtanfall D: 2, 5 Mio t Trockenmasse P -gehalt ca. 64. 000 t (= 56% des Imports nach D, ca 180. 00 t P 2 O 5), (Eintrag in Kläranlagen: ca. 80. 000 t) = ca. 16. 000 t verbleibt nach Reinigung im Abwasser Recycling von Phosphat aus Abwasseranlagen wird den weltweiten Phosphatmangel in ca. 100 Jahren nicht beheben. Selbst wenn die gesamte Menschheit an Kläranlagen angeschlossen wäre, die Phosphateinträge gem. EU-Richtlinien geschähe und man das gesamte Phosphat daraus eliminieren könnte: sind nur 3, 2 Mio t Phosphat zu erwirtschaften Das sind nur ca. 8% des Phosphatverbrauchs 2008 weltweit. Und der Phosphatbedarf wird drastisch steigen! Quelle: Dr. Hanshelmut Itzel 31

3. 3 Von Schadstoff zu Rohstoff / Phosphorrückgewinnung Stadtentwässerung Entwässerungsbetrieb Straubing 1400 t Klärschlammasche pro Jahr 7% pflanzenverfügbares Phosphat unter der Federführung des UM und BMU Forschungsprojekt „Phosphorrückgewinnung“ Partner: RTWH Aachen, TU München, IB ATEMIS, Stadt Straubing Quelle: Dr. Hanshelmut Itzel 32

Ausblick Stadtentwässerung Entwässerungsbetrieb Es besteht die Möglichkeit : Ø Wärme aus Abwasser erweitern Ø überschüssige Wärme aus Prozessen in der Kläranlage an Abnehmer (Industrie, Bauhof) liefern Ø Überschuss aus Klärgas / Biogastankstelle Ø Bau einer Kehrrichtgutanlage für Straubing und Umgebung Ø Photovoltaikanlagen Ø Erweiterung der CO-Vergärung Von Kläranlage zu Zentrum für Energie- und Rohstoffgewinnung aus Abfall 33

Stadtentwässerung Entwässerungsbetrieb Besten Dank für Ihre geschätzte Aufmerksamkeit ! 34