DWA Abteilung Bildung und Internationale Zusammenarbeit Schlammbehandlung – von der Eindickung über die Entwässerung zur Trocknung August 2013 Unterlagen zum Fortbildungsmodul der Kläranlagen-Nachbarschaften © DWA: Kursmaterialien dienen ausschließlich zur Schulung und Unterweisung

Klärschlammentsorgung Grundlagen Schlammanfall Trocknung Entwässerung Eindickung Block 1 Block 3 Block 4 Block 5 Block 2 Schlammbehandlung  Dr.-Ing. Schreff Aufbau Fortbildungsmodul Schlamm

Lernziele Grundlagen Schlammanfall (Block 1): Typische Fachbegriffe kennen. Welche Schlammarten gibt es? Was unterscheidet die Schlammarten? Welche Schlammmengen fallen an? Welche Verfahren zur Volumenreduzierung gibt es und wie unterscheiden sie sich? Welche Rolle spielt die Art der Schlammstabilisierung? Schlammbehandlung  Dr.-Ing. Schreff Lernziele Grundlagen Schlammanfall

Aus der Vorklärung Menge abhängig von der Sedimentationsdauer Aus chemischer Fällung (fällt i.d.R. zusammen mit dem Überschussschlamm an, z.B. Simultanfällung) Tertiär schlamm Über- schuss- schlamm Aus der biologischen Abwasserreinigung, Menge abhängig vom Schlammalter und Verfahren, oft als Sekundärschlamm bezeichnet. Primär- schlamm Aus der Vorklärung Menge abhängig von der Sedimentationsdauer Fäkal- schlamm Anlieferung aus Kleinkläranlagen, Menge stark schwankend Schlammbehandlung  Dr.-Ing. Schreff Schlammanfall auf Kläranlagen - Schlammarten

Simultane, aerobe Schlammstabilisierung Belebungs- becken Nachklär- becken Schlammspeicherung (mit statischer Eindickung) Schlamm- entwässerung Ablauf Klär- schlamm Simultane, aerobe Schlammstabilisierung Überschuss- schlamm ca. 50 - 60 gTM// (E x d) TR ca. 0,7 – 1,4 % GV = 55 - 65 % Zulauf Trübwasser Schlammbehandlung  Dr.-Ing. Schreff Schlammanfall auf Kläranlagen

Getrennte, anaerobe Schlammstabilisierung Vorklär- becken Belebungs- becken Nachklär- becken Voreindickung statisch oder maschinell Faulung Schlamm- entwässerung Ablauf Gas Klär- schlamm Primärschlamm ca. 30 - 45 gTM/(E x d) TR ca. 2,0 – 4,0 % GV = 65-75 % Zulauf Zentrat/Filtrat Überschuss- schlamm ca. 30 - 45 gTM// (E x d) TR ca. 0,7 – 1,4 % GV = 65 - 70 % Faulschlamm ca. 40 - 55 gTM// (E x d) TR ca. 2,0 – 4,0 % GV = 45 - 55 % Schlammbehandlung  Dr.-Ing. Schreff Schlammanfall auf Kläranlagen

Hinweis: 1,0 % TR = 10 g/l = 10 kg/m³ Trockenmasse TM in kg Schlammmenge V1 in m³ (z.B. Überschussschlamm) Hinweis: 1,0 % TR = 10 g/l = 10 kg/m³ Schlammenge V2 in m³ (z.B. nach Eindickung) Schlammbehandlung  Dr.-Ing. Schreff Umrechnung Trockenmasse – Konzentration

Ziel = Volumenverringerung durch Wasserentzug Eindickung: … mit geringem energetischen und apparativen Aufwand, erreichbarer TR: 3 bis 8 % Entwässerung: … mit erhöhtem energetischen und apparativen Aufwand, erreichbarer TR: 15 bis 40 % Trocknung: … mit thermischer Energie (Wasserverdampfung), erreichbarer TR: 60 bis 95 % Schlammbehandlung  Dr.-Ing. Schreff Begriffsdefinitionen

Klärschlammanfall in Liter / E x a Wasseranteile werden verringert, Feststoffanteil (20 kg TR pro EW und a) bleibt konstant. Durch Eindickung Durch Entwässerung Durch Trocknung 2,0 m³/a  E 0,5 m³/a  E 65 Liter/a  E 25 Liter/a  E Klärschlammanfall in Liter / E x a Aus 45 m³ Abwasser pro Einwohner und Jahr werden... Schlammbehandlung  Dr.-Ing. Schreff

Volumenverringerung und Schlammeigenschaften Quelle: DWA-Merkblatt-M 366 "Maschinelle Schlammentwässerung" Sauerstoffeintrag – Dr.-Ing. D. Schreff Volumenverringerung und Schlammeigenschaften

Aufwand für Investitions- kosten, Energie und Personal steigt. Mengen-/Massenreduzierung durch Wasserentzug Schlammbehandlung  Dr.-Ing. Schreff

(Mobile) Entwässerung Eindickung Große Kläranlagen: Faulung Entwässerung Trocknung Eindickung Mittlere Kläranlagen: Faulung Entwässerung Eindickung Kleine Kläranlagen: Speicher (Mobile) Entwässerung Schritte der Volumenreduzierung Schlammbehandlung  Dr.-Ing. Schreff Schlammbehandlung  Dr.-Ing. Schreff 12

Ein-dickung Ent-wässerung Trock-nung Mechanische Trennverfahren Systeme / Verfahrenstechnik Ein-dickung Ent-wässerung Trock-nung Sedimentation (Schwerkraft) Statischer Eindicker (Schlammspeicher) X Flotation Druckentspannungsflotation Filtration Siebband/Siebtrommel Bandfilterpresse Kammerfilterpresse Membranfilterpresse Schlauchfilterpresse Schneckenpresse Filtersackanlage X X (X) Zentrifugalkraft Zentrifuge Mechanische Verfahren zur Schlamm-Wasser-Trennung Schlammbehandlung  Dr.-Ing. Schreff

Lernziele Klärschlammentsorgung (Block 2): Entsorgungswege für den Klärschlamm? Zielsetzung der Volumenreduzierung. Welche Rolle spielt die Art der Klärschlammentsorgung im Hinblick auf Eignung eines bestimmten Verfahrens zur Volumenreduzierung? Welche Rolle spielt die Ausbaugröße? Schlammbehandlung  Dr.-Ing. Schreff Lernziele Klärschlammentsorgung

Klärschlamm - Entwicklung in Bayern (1995 - 2011) Abnahme der landwirtschaftlichen Verwertung Zunahme der thermischen Verwertung Quelle: Entwicklung der Klärschlammentsorgung in Bayern (Bayer. LfU, 2013) Klärschlamm - Entwicklung in Bayern (1995 - 2011) Schlammbehandlung  Dr.-Ing. Schreff

Priorität der Bayer. Staatsregierung ist „ (...) Beendigung der landwirtschaftlichen und landschaftsbaulichen Klärschlammverwertung (…) , Zerstörung der organischen Schadstoffe und Keime (…)“ d.h. zukünftig vorrangig thermische Klärschlammverwertung insbesondere Klärschlamm-Monoverbrennungsanlagen (Phosphor-Rückgewinnung!) Schlammbehandlung  Dr.-Ing. Schreff Zielsetzung Klärschlammverwertung

Ebene 1 : Stapelbehälter / Eindickung / (mobile) Entwässerung Große Anlagen > 100.000 EW Mittlere Anlagen 5.000 – 100.000 EW Kleine Anlagen < 5.000 EW Transportmenge Ebene 1 : Stapelbehälter / Eindickung / (mobile) Entwässerung Ebene 2 : Faulung / Stationäre Entwässerung Ebene 3 : Thermische Anlagen (Trocknung/Verwertung) Beispiel für regionales Entsorgungskonzept Schlammbehandlung  Dr.-Ing. Schreff

Lernziele Eindickung (Block 3): Was versteht man unter Eindickung? Was unterscheidet die Eindickung von der Entwässerung, von der Trocknung? Merkmale und Eignung der verschiedenen Eindickungsverfahren Typische Kennwerte der Eindickungsverfahren (Leistungsfähigkeit, Energiebedarf, ... ) Schlammbehandlung  Dr.-Ing. Schreff Lernziele Eindickung

Adsorptions- und Zellinnenwasser Adhäsionswasser Kapillarwasser Zwischenraumwasser Quelle: ATV-Handbuch Klärschlamm (1996) Bindungsformen Schlammwasseranteile Schlammbehandlung  Dr.-Ing. Schreff

Zwischenraum- und Kapillarwasser Adsorptions- und Zellinnenwasser ~Energieaufwand Bindungskräfte Adhäsionswasser Freies Wasser (ohne Bindung zu den Schlammpartikeln) → Kann durch mechanischen Kraftaufwand abgetrennt werden. Die restlichen Anteile i.d.R. nur durch thermische Einwirkung abtrennbar! Gebundenes Wasser Bindungsformen Schlammwasseranteile Schlammbehandlung  Dr.-Ing. Schreff

Optimierte Schlammeinleitung Kontinuierliche Schlammentnahme Entgasung und „Entwässerung“ Quelle: ATV-Handbuch Klärschlamm Typischer Feststoffgehalt: ca. 3 bis 6 % TR Aufenthaltszeit: 2 bis 4 Tage Konstanter WSP Ausführung statischer Vor-/Nacheindicker Schlammbehandlung  Dr.-Ing. Schreff

Statische Schlammeindickung (Voreindicker) Quelle: www.ara-voesendorf.at Statische Schlammeindickung (Voreindicker) Schlammbehandlung  Dr.-Ing. Schreff

Aufenthaltszeit im Speicher: 2 bis 6 Monate (!) (Trüb-)Wasserspiegel Schlammspiegel Feststoffgehalt: ca. 2 bis 4 % TR Behindertes Absetzen Bildung von Entwässerungsbahnen Kompression Konsolidierung In der Praxis: Bildung von Schwimmdecken und Zwischenschichten (Problem: Trübwasserabzug) Grund: Gasbildung durch lange Lager- zeiten (Flotationseffekte) Vermischungseffekte durch Schlammeinleitung und -entnahme Aufenthaltszeit im Speicher: 2 bis 6 Monate (!) 2,0 % TR 4,0 % TR % TR Statische Eindickung im Schlammspeicher Schlammbehandlung  Dr.-Ing. Schreff

Typischer Feststoffgehalt: ca. 4 bis 8 % TR Siebband Siebtrommel Eindickzentrifuge Scheibeneindicker Überschussschlamm (aus Nachklärung) ca. 0,8 – 1,5 % TR Flockungshilfsmittel Filtrat /Zentrat (gering belastet) Kondi-tionierung Strombedarf: ca. 0,2 – 1,3 kWh/m³ (DWA-M 216) Eingedickter Schlamm Maschinelle Überschussschlammeindickung (MÜSE) Schlammbehandlung  Dr.-Ing. Schreff

Energiebedarf: 0,2 – 0,4 kWh/m³ Polymerbedarf: 2 – 5 gFHM/kgTM Quelle: www.bellmer.de Vorkonditionierter Schlamm auf Siebband Erreichbarer TR: 4 – 6 % Energiebedarf: 0,2 – 0,4 kWh/m³ Polymerbedarf: 2 – 5 gFHM/kgTM Sauerstoffeintrag – Dr.-Ing. D. Schreff Siebband

Energiebedarf: 0,5 – 1,3 kWh/m³ Polymerbedarf: 2 – 5 gFHM/kgTM Erreichbarer TR: 5 – 8 % Energiebedarf: 0,5 – 1,3 kWh/m³ Polymerbedarf: 2 – 5 gFHM/kgTM Quelle: Bayer. Landesamt für Umwelt Zentrifuge Schlammbehandlung  Dr.-Ing. Schreff

Energiebedarf: 0,2 - 0,4 kWh/m³ Polymerbedarf: 2 – 5 gFHM/kgTM Quelle: Bayer. Landesamt für Umwelt Erreichbarer TR: 4 – 6 % Energiebedarf: 0,2 - 0,4 kWh/m³ Polymerbedarf: 2 – 5 gFHM/kgTM Scheibeneindicker System HUBER Schlammbehandlung  Dr.-Ing. Schreff

Energiebedarf: 0,2 - 0,4 kWh/m³ Polymerbedarf: 2 – 5 gFHM/kgTM Quelle: Hiller GmbH Erreichbarer TR: 4 – 6 % Energiebedarf: 0,2 - 0,4 kWh/m³ Polymerbedarf: 2 – 5 gFHM/kgTM Siebtrommel (System HILLER) Schlammbehandlung  Dr.-Ing. Schreff

Anwendung in kleineren Kläranlagen (< 1.000 EW) Quelle: Hiller GmbH Quelle: Panholzer Draintec GbR Anwendung in kleineren Kläranlagen (< 1.000 EW) Erreichbarer TR: TR ≥ 20 %TR (nach Stillstandsperiode) Energiebedarf: < 0,2 kWh/m³ Polymerbedarf: ca. 3,5 gFHM/kgTM Schlammeindickung/-entwässerung (Filtersackanlage) Schlammbehandlung  Dr.-Ing. Schreff

Lernziele Entwässerung (Block 4): Was versteht man unter Entwässerung? Was unterscheidet die Entwässerung von der Eindickung, von der Trocknung? Merkmale und Eignung der verschiedenen Entwässerungsverfahren Typische Kennwerte der Entwässerungsverfahren (Leistungsfähigkeit, Energiebedarf, ... ) Wo liegen die Grenzen der Entwässerung? Was versteht man unter Schlammkonditionierung? Interne Rückbelastung aus der Faulschlammentwässerung. Schlammbehandlung  Dr.-Ing. Schreff Lernziele Entwässerung

Flockungs- hilfsmittel (Polymer) Dünn- schlamm (< 5 % TR) Dickschlamm (> 15 % TR) Lagerplatz Zentrat/Filtrat (<< 1 % TR) Aufbau und Prinzip der Schlammentwässerung Schlammbehandlung  Dr.-Ing. Schreff

Entwässer- barkeit Eindick- fähigkeit Vergl. Basiskennwerte nach DWA-M 383 Organische Anteile „je geringer, desto besser“ Schlamm-temperatur „je wärmer, desto besser“ Entwässer- barkeit Eindick- fähigkeit Leit-fähigkeit „je geringer, desto besser“ Schlamm- eigenschaft Abwasserbehandlung Schlammalter, Faulungszeit Flocken-struktur „je kompakter, desto besser“ Einflüsse auf die Entwässerbarkeit Schlammbehandlung  Dr.-Ing. Schreff

Fest-Flüssig-Trennung Entstabilisierung Flockung Fest-Flüssig-Trennung Zugabe von anionischen oder kationischen Polymeren (z.B. Polyacrylamide) Teilweise: Kalk, Eisensalz Einmischung  Bindungskräfte in „Suspension“ aufheben Kleine Teilchen bilden größere Aggregate, Vernetzung durch Brückenbildung Mischen + Rühren Entwässerter Klärschlamm Zentrat/Filtrat Klärschlamm (Chemische) Schlammkonditionierung Schlammbehandlung  Dr.-Ing. Schreff

Filtrationsdruck: 8 - 20 bar Hohe Investitionskosten Chargenbetrieb Quelle: Bayer. Landesamt für Umwelt Druck Filtertuch Konditionierter Rohschlamm entwässerter Schlamm Filtrat Filtrationsdruck: 8 - 20 bar Hohe Investitionskosten Chargenbetrieb Erreichbarer TR: 25 – 30 (40) % Energiebedarf: 1,0 – 2,2 kWh/m³ Polymerbedarf: 6 – 12 gFHM/kgTM Schlammentwässerung mit Kammerfilterpresse Schlammbehandlung  Dr.-Ing. Schreff

Energiebedarf: 0,3 – 0,5 kWh/m³ Polymerbedarf: 6 -12 gFHM/kgTR Eindick- zone Filtrations- zone Press- zone Erreichbarer TR: 23 – 28 % TR Energiebedarf: 0,3 – 0,5 kWh/m³ Polymerbedarf: 6 -12 gFHM/kgTR Quelle: www.huber.de Schlammentwässerung mit Schneckenpresse Schlammbehandlung  Dr.-Ing. Schreff

Schlammzuführung (nach Konditionierung) Zentratablauf Entwässerter Schlamm Erreichbarer TR: 8 - 35 % TR Energiebedarf: 1,3 – 1,8 kWh/m³ Polymerbedarf: 8 – 14 gFHM/kgTR Quelle: Flottweg Schlammentwässerung mit Zentrifuge Schlammbehandlung  Dr.-Ing. Schreff

 Durchsatz auf ca. 80 % der Nennleistung begrenzen. Durchsatz (m³/h) Spez. Leistung (kWh/m³) Durchsatz (m³/h) Austrags-TR (%) FHM-Verbrauch (g/kg) Austrags-TR (%)  Durchsatz auf ca. 80 % der Nennleistung begrenzen.  Optimale Dosierung suchen, immer wieder neu einzustellen, da sich Schlamm- eigenschaften ändern  Minimalbeschickung führt nicht zu Energieeinsparung. Einflussgrößen in Zentrifugen Schlammbehandlung  Dr.-Ing. Schreff

Energiebedarf: 0,5 – 0,8 kWh/m³ Polymerbedarf: 6 - 12 gFHM/kgTR Erreichbarer TR: 15 – 30 % TR Energiebedarf: 0,5 – 0,8 kWh/m³ Polymerbedarf: 6 - 12 gFHM/kgTR Quelle: www.bellmer.de Schlammentwässerung mit Bandfilterpresse Schlammbehandlung  Dr.-Ing. Schreff

Zentrifuge Bandfilter- presse Schnecken-presse Kammer-filterpresse Entwässerungsgrad 20 – 25 %TR 20 – 30 %TR 25 – 30(40) %TR Betriebs- und Energieaufwand 0,5 – 0,8 kWh/m³ 1,1 - 1,6 kWh/m³ 1,0 – 1,2 kWh/m³ 15 – 30 %TR 0,2 – 0,5 kWh/m³ Übersicht Verfahren zur Schlammentwässerung Schlammbehandlung  Dr.-Ing. Schreff

Zulauf Ablauf Klärschlamm Co- Substrate! Belebung Nachklärung Vorklärung Belebung Nachklärung Überschuss- schlamm Faulung *) Entwässerung Klärschlamm *) Anaerober oTR-Abbau (ca. 50%), d.h. Freisetzung von gebundenem N und P in die gelöste Phase Filtrat / Zentrat „Interne Rückbelastung“ 10 – 20 % bezogen auf Ges-N 800 – 1.600 mg/l TKN Co- Substrate! Primär- schlamm Interne Rückbelastung aus der Schlammbehandlung Schlammbehandlung  Dr.-Ing. Schreff

Lernziele Trocknung (Block 5): Was versteht man unter Trocknung? Was unterscheidet die Trocknung von der Eindickung und von der Entwässerung ? Merkmale und Eignung der verschiedenen Trocknungsverfahren Typische Kennwerte der Trocknungsverfahren (Leistungsfähigkeit, Strom und Wärmebedarf, ... ) Schlammbehandlung  Dr.-Ing. Schreff Lernziele Schlammtrocknung

Zielsetzungen: a) Minimierung der Transportmenge (bei längeren Transportwegen) b) thermisch-stoffliche Verwertung (Erhöhung des Heizwerts)  Mono-Verbrennung (P-Rückgewinnung)  Mitverbrennung Zementwerk (keine P-Rückgewinnung)  Mitverbrennung Müllheizkraftwerk (keine P-Rückgewinnung) Technische Trocknung bei größeren Anlagen nur bei Verfügbarkeit von Abwärme oder bei sehr großen Kläranlagen als direkte Vorbehandlung vor der Verbrennung Solartrockneranlagen in einfacher Ausführung bei kleinen und mittleren Anlagen Einsatz von Trocknungsanlagen (Randbedingungen) Schlammbehandlung  Dr.-Ing. Schreff

Teil- trocknung TR < 85 % Entwässerung Leim- Phase Teil- trocknung TR < 85 % Voll- trocknung TR > 85% Trocknung Eindickung Restvolumen in m³ für 1.0 to TR „Klärschlamm wird klebrig.“ Ausgangspunkt nach Entwässerung: 25 %TR TR nach Trocknung: 85 %TR Schlammvolumen in m³ für 1.000 kg TR Volumen- reduzierung ca. 70 % Veränderung TR durch Verfahrensschritte Schlammbehandlung  Dr.-Ing. Schreff

Warme Luft überströmt bzw Warme Luft überströmt bzw. umgibt Klärschlamm und transportiert Wasser- dampf ab. Wärme wird über Heizmedium auf eine Kontaktfläche übertragen, auf deren anderer Seite der Klärschlamm ist. Der Wasserdampf wird unabhängig abtransportiert. Grundprinzipien zur Schlammtrocknung Schlammbehandlung  Dr.-Ing. Schreff

Trocknungs-verfahren Systeme / Verfahrenstechnik Temperaturbereiche Konvektions- trockner Trommeltrockner Bandtrockner Wirbelschichttrockner Hohe Temperaturen erforderlich (>400 °C) Mittel- und Hochtemperatursysteme 80 – 90 °C Lufttemperatur Kontakt- trockner Dünnschichttrockner Scheibentrockner 150 – 200 °C Temperatur Heizmedium Strahlungs-trockner Solartrockner Oft in Verbindung mit zusätzlicher Wärme-quelle (z.B. Nutzung von Abwärme, etc.) Verfahren zur Schlammtrocknung Schlammbehandlung  Dr.-Ing. Schreff

Nutzung der sog. Globalstrahlung („Sonnenenergie“) für Wärmeeintrag Klimatische Einflüsse - Lufttemperatur/-feuchte - Saisonale Schwankungen , d.h. unterschiedliche Trocknungsleistungen im Jahresverlauf. Verdunstungsleistung: 500 bis 900 lH2O/(m² x a) je TR-Gehalt, Standort und Jahreszeit Strombedarf: 25 – 35 kWh/toH2O Trocknungsgrad: 45 - 90 % TR Große Luftmengen erforderlich Hoher Flächenbedarf optimale Leistung Solare Trocknungsverfahren (Grundlagen) Schlammbehandlung  Dr.-Ing. Schreff

"Warme und feuchte Luft steigt auf." Grenzflächenerneuerung/ Umwälzung ggf. Abluftbehandlung (bei großen Luftmengen) TECHNISCHE AUSRÜSTUNG Isolierung/Transparenz Hallendach Umluftventilatoren Lüftungsklappen Steuerung über Außenfühler (Temperatur, Feuchte) ZUSATZWÄRME Luftheizgeräte, Fußbodenheizung Dunkelstrahler (z.B. Abwärmenutzung) Solare Trocknungsverfahren (Technisches Prinzip) Schlammbehandlung  Dr.-Ing. Schreff

Solare Klärschlammtrocknung (Beispiele) Wendewolf Quelle: Bayer. Landesamt für Umwelt Elektrisches Schwein Solare Klärschlammtrocknung (Beispiele) Schlammbehandlung  Dr.-Ing. Schreff

Bandtrocknungssystem (Systemskizze) Warmwasserkreislauf (z.B. Mitteltemperaturniveau) Übergabe-/ Verteilstation Zuluft/ Umluft Abluft zur Behandlung Schlamm- anlieferung Input: TR > 20% Bunker mit Schubboden- austrag Ventilatoren Schlamm- pumpen Silo Schlamm- abholung (per Lkw) Output: TR > 85 % T(Vorlauf) = 60 – 100 °C T(Abluft) = 40 – 70 °C Luftmenge abhängig von Temperaturniveau Wärmebedarf ca. 0,9 – 1,2 kWh / kgH2O Strombedarf ca. 70 – 90 kWh / toH2O Bandtrocknungssystem (Systemskizze) Schlammbehandlung  Dr.-Ing. Schreff

Klär-schlamm- trocknung Ent-sorgungs- sicherheit (TR) Investitions-kosten (Durchsatz, Infra-struktur) Ge-nehmigungs-situation (Standort) Klär-schlamm- trocknung Betriebs-kosten (Personal, Instand-haltung) Geruch-, Lärm- emissionen, CO2-Bilanz Betriebs-sicherheit (Staub, Handling, Hygiene) Entscheidungskriterien Trocknungsverfahren Schlammbehandlung  Dr.-Ing. Schreff