Potentials of Biogas Production and its use at Waste Water Treatment Plants

Technische Universität BraunschweigInstitut für Siedlungswasserwirtschaft

Potentials of Biogas Production

and its use at Waste Water

Treatment Plants

IFAT Shanghai 23.09.2009

Dr.-Ing. habil. Thomas Dockhorn


Potentiale für die Biogasproduktion

1. Klärschlamm

2. Co-Substrate (z.B. Fett, Bioabfall)

3. Abwasser (hochkonzentrierte Teilströme)

4. Produktion Nachwachsender Rohstoffe (Schaffung von

Wertschöpfungsketten)


Grundsätzliches zum Thema Schlamm

1. Bei der Abwasserreinigung entsteht unvermeidbar Schlamm

2. „Jeder hat den Schlamm, den er verdient“

3. Schlamm muss stabilisiert werden

4. Schlamm ist eine Ressource (Energie, N, P)


1. Bei der Abwasserreinigung entsteht Schlamm

Organisches Substrat

CSB = 1.000 mg O2 /L

1

O2-Verbrauch

400 mg O2 /L

1-YH

Energiestoff-wechsel

Gebildete Bakterienmasse

CSB = 600 mg O2 /L

YH

Baustoff-wechsel

YH: Ertragskoeffizient, Yield


Klärschlammanfall in China (2006)

Gesamtschlammanfall im Jahr 2006: 9 Mio. t TR (Zhou, 2007)

(Wang et al., 2006)

45%

31%

14%7% 3% Landwirtschaft

Deponie

Wilde Entsorgung

Sonstige

Verbrennung


H2O

N, P, K

Organik (CSB)

"Problemstoffe"

Effekte:

- Verunreinigung des Wassers

- Verdünnung von Ressourcen

- Verteilung von Problemstoffen

2. „Jeder bekommt den Schlamm, den er verdient“


Schadstoffe im Klärschlamm

86/228/EEC kurzfristigad hoc

mittelfristig2005-2015

langfristigab 2015

Cd 20-40 10 5 2

Cr 1000 800 600

Cu 1000-1750 1000 800 600

Hg 16-25 10 5 2

Ni 300-400 300 200 100

Pb 750-1200 500 500 200

Zn 2500-4000 2000 2000 1500

Novellierung

Quelle: Europäische Kommission, 2000

Novellierung der EU-Klärschlammrichtlinie:Entwurf neuer Grenzwerte für Schwermetalle und org. Schadstoffe [mg/kg TR]

Stoff/ -gruppe Novelle AbfKlärV

[mg/kg TS]

Dioxine/Furane (TE) 30

PCBs 0,01

AOX 400

PAK (B(a)P) 1

DEHP 100?

PFT 200 µg/kg bis 31.12.09

100 µg/kg bis 31.07.11


3. Ziele der anaeroben Schlammstabilisierung

• Reduzierung der zu entsorgenden Schlammenge bzw. des

Volumens (geringere Entsorgungskosten)

• Verminderung von biologischen Prozessen und

Geruchsbildung

• Verbesserung der Entwässerbarkeit

• Reduktion (pathogener) Keime

• Energiegewinnung: Produktion von Biogas, Strom


Anaerobe Schlammstabilisierung• Faulung von

- Primärschlamm

-

Überschussschlamm

• Verfahrensführung

- 1-stufig

- mehrstufig

- mesophil

- thermophil


Gasproduktion unterschiedlicher Schlämme

Spezifische Gasproduktion in Abhängigkeit der Aufenthaltszeit

(Kapp, 1984)

600

500

400

300

200

100

10 3020 40 50

Aufenthaltszeit t TS in d

T S = 3 ,5% ( P rim ä rs c h lam m )F

T S = 7 % ( 9% )F

T S = 3 ,0% ( P S : Ü S = 1 ,1 : 1 )F

T S = 3 ,3 % ( Ü b ersc h u ßs c h lam m )F

T S = 5 ,5 % ( FS - R üc k füh run g )FFT S = 0 ,9%


Steigerung der Faulgasausbeute durch Desintegration

Schwimmschlamm

B Nach-Vorklär- Belebungsbecken klär-becken becken

Primär-schlamm

EA C Rücklaufschlamm

E1D1

D2 D ÜberschussschlammE2

Faul-behälter F

G Konditionierung und Entwässerung

Desintegrationsapparat

A2

A1

(Dichtl, 2007)


Steigerung der Faulgasausbeute durch Co-Vergärung externer Substrate

Substrat Gasproduktion [NL/kg oTRzu]

CH4-Gehalt

Primärschlamm 500-600 60-65%

Überschussschlamm 200-300 60-65%

PS+ÜS 400-500 60-65%

Kohlenhydrate 890 50%

Eiweiße 590 84%

Fette* 1.540 70%

(*1 kg Fett = 10 kWh Primärenergie)


Schlamm-Massenbilanz für China undEnergiepotential

BHKW

Biogas-Anlage

CH4 + CO2

4 GWEL

+ 3,4 GWtherm.

PS16,6 Mio. t TS/a

Abwasser33,2 Mio. t TS/a

ÜS21,3 Mio. t TS/a

RS37,9 Mio. t TS/a


Schlamm-Massenbilanz für China undEnergiepotential

4 GW = 4 große AKW


4. Schlamm ist eine Ressource

Für 1,3 Milliarden Menschen ergibt sich ein Potenzial im Rohschlamm von:

• 38 Mio. t TS/a,• 1,4 Mio. t Stickstoff/a, • 1 Mio. t Phosphor/a

Sowie weitere Wertstoffe, z.B.:• Kalium• Magnesium• Schwefel


Der Wert des „chinesischen Rohschlamms, RS“

= 8,4 Mrd. €/a bzw. 220 €/ t TR Rohschlamm

Ressource Marktwert Wert RS [€/tTR]

Ressourcenpotential für China [€/a]

Phosphor (P) 3,13 €/kg P 89,12 € 3.382.921.389

Stickstoff (N) 1,03 €/kg N 38,95 € 1.478.423.375

Feststoffe (TS) 0,094 €/kg TS 93,60 € 3.553.056.000


Gasverwertung auf Kläranlagen

Verwendung des Faulgases auf Kläranlagen in Deutschland

(Haberkern et al., 2004)

68%

20%

9% 3%Verstromung

Heizanlagen

Verluste/Abfackeln

Abgabe an Dritte

Verstromung im BHKW:Aus 100% Primärenergie werden: - 30-40% Strom und - 60-70% Wärme (hiervon sind ca. 56% nutzbar)


Organische Verbindungen (CSB) als Ressource

+ 0,9 kWhEL/kg CSBAnaerober Abbau

BHKW

Biogas

CSB

Biogas-Anlage

CH4 + CO2

- 0,35 kWhEL/kg CSB

CSB

Aerober Abbau

CO2 + H2O

Belüftung


Energieverbrauch der Abwasserreinigung vs. Energieproduktion aus Abwasser für China (1,3 Mrd. EW)

- 35 Mio. MWhEL/a (= 4 GW)

57 Mio. t CSB/a+ 5.2 Mio. t N/a

Aerober Abbau

CO2 + H2O

Belüftung

+ 64 Mio. MWhEL/a (= 7,3

GW)

Anaerober Abbau

BHKW

Biogas

Biogas-Anlage

CH4 + CO2

57 Mio. t CSB/a


Energieverbrauch der Abwasserreinigung (Belüftung) vs. Energieproduktion aus Abwasser für China (1,3 Mrd. EW)

4 + 7,3 GW = 11,3 GW= 11 große AKW


Energieproduktion und Nährstoffrückgewinnungaus Abwasser und Klärschlamm

Faulgas

Faulung

Schwarz-wasser

Feststoffzur landwirtschaftl. Verwertung

MAP-Fällung

Fest/Flüssig-Trennung

MAP Luft (NH4)2SO4 -Lösung

H2SO4

Flüssigphase

zur Kläranlage

Luft


MgO

55°C

Ammoniak-Strippung

flüss

ig

NaOH

Faulgas

Faulung

Schwarz-wasser

Feststoffzur landwirtschaftl. Verwertung

MAP-Fällung


MAP Luft (NH4)2SO4 -Lösung

H2SO4

Flüssigphase

zur Kläranlage

Luft


MgO

55°C

Ammoniak-Strippung

flüss

ig

NaOH

Prod

ukte:


Konzept zur direkten Verwertung–Anbau Nachwachsender Rohstoffe


Stoffstromanalyse eines Fallbeispiels für 350.000 EW

Düngung mit Schwarzwasser

1.368.930 kg/a N190.500 kg/a P415.800 kg/a K13.873 kg/a Mg107.800 kg/a S

Verluste257.430 kg/a N25.437 kg/a P

255.000 kg/a K25.177 kg/a Mg54.810 kg/a S

292.500 t/a

Mais FM

Maissilage

Externe Vermarktung

Biogas-anlage

OutputWirtschaftsdünger

1.111.500 kg/a N229.760 kg/a P

1.092.690 kg/a K131.625 kg/a Mg

107.690 kg/a S

Biogas

Zudüngung Mineraldünger

0 kg/a N64.837 kg/a P

933.200 kg/a K142.929 kg/a Mg

54.700 kg/a S

Düngung mit Schwarzwasser

1.368.930 kg/a N190.500 kg/a P415.800 kg/a K13.873 kg/a Mg107.800 kg/a S

Verluste257.430 kg/a N25.437 kg/a P

255.000 kg/a K25.177 kg/a Mg54.810 kg/a S

Maisanbauauf 6.500 ha

292.500 t/a

Mais FM

Maissilage

Externe Vermarktung

Biogas-anlage

OutputWirtschaftsdünger

1.111.500 kg/a N229.760 kg/a P

1.092.690 kg/a K131.625 kg/a Mg

107.690 kg/a S

Biogas

Zudüngung Mineraldünger

0 kg/a N64.837 kg/a P

933.200 kg/a K142.929 kg/a Mg

54.700 kg/a S

90,5 GWhel./a

54 GWhtherm./a

BHKW

10,3 MW


Primärenergiebedarf/-ertrag unterschiedlicher Szenarien(für 1,3 Mrd. EW)

1 Abwasserreinigung (AR) (32 kWh/EW*a)2 ARA und Faulung3 Stoffstromseparation und anaerobe AR

-14,84

-4,7

18,16

-15

-10

-5

0

5

10

15

20

1 2 3En

erg

ieb

ed

arf

/-ert

rag [

GW

Le

istu

ng]


Primärenergiebedarf/-ertrag unterschiedlicher Szenarien(für 1,3 Mrd. EW)

1 Abwasserreinigung (ARA)2 ARA und Faulung3 Stoffstromseparation und anaerobe ARA4 Produktion Nachwachsender Rohstoffe

-14,84 -4,7

18,16

119,96

-20

0

20

40

60

80

100

120

1 2 3 4En

erg

ieb

ed

arf

/-ert

rag [

GW

Le

istu

ng]


Ausblick

P

orgC

S

Mg

Ca

Na

KN

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