Dr.-Ing. habil. Thomas Dockhorn 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 Klärschlamm Co-Substrate (z.B. Fett, Bioabfall) Abwasser (hochkonzentrierte Teilströme) Produktion Nachwachsender Rohstoffe (Schaffung von Wertschöpfungsketten)

Grundsätzliches zum Thema Schlamm Bei der Abwasserreinigung entsteht unvermeidbar Schlamm „Jeder hat den Schlamm, den er verdient“ Schlamm muss stabilisiert werden Schlamm ist eine Ressource (Energie, N, P)

1. Bei der Abwasserreinigung entsteht Schlamm O2-Verbrauch 400 mg O2 /L 1-YH Energiestoff-wechsel Organisches Substrat CSB = 1.000 mg O2 /L 1 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)

2. „Jeder bekommt den Schlamm, den er verdient“ N, P, K "Problemstoffe" H2O Organik (CSB) Effekte: - Verunreinigung des Wassers - Verdünnung von Ressourcen - Verteilung von Problemstoffen

Schadstoffe im Klärschlamm Novellierung der EU-Klärschlammrichtlinie: Entwurf neuer Grenzwerte für Schwermetalle und org. Schadstoffe [mg/kg TR] Quelle: Europäische Kommission, 2000

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 (Kapp, 1984) Spezifische Gasproduktion in Abhängigkeit der Aufenthaltszeit

Steigerung der Faulgasausbeute durch Desintegration Schwimmschlamm B Nach- Vorklär- Belebungsbecken klär- becken Primär- schlamm E A C Rücklaufschlamm E1 D1 D2 D Überschussschlamm E2 Faul- behälter F G Konditionierung und Entwässerung Desintegrationsapparat A2 A1 (Dichtl, 2007)

Gasproduktion [NL/kg oTRzu] Steigerung der Faulgasausbeute durch Co-Vergärung externer Substrate Substrat Gasproduktion [NL/kg oTRzu] CH4-Gehalt Primärschlamm 500-600 60-65% Überschussschlamm 200-300 PS+ÜS 400-500 Kohlenhydrate 890 50% Eiweiße 590 84% Fette* 1.540 70% (*1 kg Fett = 10 kWh Primärenergie)

Schlamm-Massenbilanz für China und Energiepotential Abwasser 33,2 Mio. t TS/a PS 16,6 Mio. t TS/a ÜS 21,3 Mio. t TS/a CH4 + CO2 RS 37,9 Mio. t TS/a BHKW 4 GWEL + 3,4 GWtherm. Biogas-Anlage

Schlamm-Massenbilanz für China und Energiepotential 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“ 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 S = 8,4 Mrd. €/a bzw. 220 €/ t TR Rohschlamm

Gasverwertung auf Kläranlagen Verwendung des Faulgases auf Kläranlagen in Deutschland (Haberkern et al., 2004) Verstromung im BHKW: Aus 100% Primärenergie werden: - 30-40% Strom und - 60-70% Wärme (hiervon sind ca. 56% nutzbar)

Organische Verbindungen (CSB) als Ressource - 0,35 kWhEL/kg CSB CSB Aerober Abbau CO2 + H2O Belüftung + 0,9 kWhEL/kg CSB Anaerober Abbau BHKW Biogas CSB Biogas-Anlage CH4 + CO2

Energieverbrauch der Abwasserreinigung vs Energieverbrauch der Abwasserreinigung vs. Energieproduktion aus Abwasser für China (1,3 Mrd. EW) Aerober Abbau - 35 Mio. MWhEL/a (= 4 GW) Belüftung 57 Mio. t CSB/a + 5.2 Mio. t N/a CO2 + H2O Anaerober Abbau Biogas CH4 + CO2 57 Mio. t CSB/a BHKW Biogas-Anlage + 64 Mio. MWhEL/a (= 7,3 GW)

Energieverbrauch der Abwasserreinigung (Belüftung) vs 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 Nährstoffrückgewinnung aus Abwasser und Klärschlamm Produkte:

Konzept zur direkten Verwertung –Anbau Nachwachsender Rohstoffe

Stoffstromanalyse eines Fallbeispiels für 350.000 EW Zudüngung Zudüngung Mineraldünger Mineraldünger 0 kg/a N 0 kg/a N 64.837 kg/a P 64.837 kg/a P 933.200 kg/a K 933.200 kg/a K 142.929 kg/a Mg 142.929 kg/a Mg 54.700 kg/a S 54.700 kg/a S Düngung mit Düngung mit Schwarzwasser Schwarzwasser 292.500 t/a 292.500 t/a Maissilage Maissilage 1.368.930 kg/a N 1.368.930 kg/a N Mais FM Mais FM 190.500 kg/a P 190.500 kg/a P 415.800 kg/a K 415.800 kg/a K 13.873 kg/a Mg 13.873 kg/a Mg 107.800 kg/a S 107.800 kg/a S BHKW 10,3 MW Maisanbau auf 6.500 ha Biogas Biogas - - Biogas Biogas Verluste Verluste anlage anlage 257.430 kg/a N 257.430 kg/a N 25.437 kg/a P 25.437 kg/a P 255.000 kg/a K 255.000 kg/a K 90,5 GWhel./a 54 GWhtherm./a 25.177 kg/a Mg 25.177 kg/a Mg 54.810 kg/a S 54.810 kg/a S Output Output Wirtschaftsdünger Wirtschaftsdünger 1.111.500 kg/a N 1.111.500 kg/a N Externe Externe 229.760 kg/a P 229.760 kg/a P Vermarktung Vermarktung 1.092.690 kg/a K 1.092.690 kg/a K 131.625 kg/a Mg 131.625 kg/a Mg 107.690 kg/a S 107.690 kg/a S

Primärenergiebedarf/-ertrag unterschiedlicher Szenarien (für 1,3 Mrd. EW) Energiebedarf/-ertrag [GW Leistung] 1 Abwasserreinigung (AR) (32 kWh/EW*a) 2 ARA und Faulung 3 Stoffstromseparation und anaerobe AR

Primärenergiebedarf/-ertrag unterschiedlicher Szenarien (für 1,3 Mrd. EW) Energiebedarf/-ertrag [GW Leistung] 1 Abwasserreinigung (ARA) 2 ARA und Faulung 3 Stoffstromseparation und anaerobe ARA 4 Produktion Nachwachsender Rohstoffe

Ausblick P Ca S N K Mg Na orgC