Gesteigerte Ausbeute - Schlammfaulung optimieren, Klärschlamm reduzieren
Bei der thermischen Hydrolyse von Rohschlamm werden die nicht oder schwer abbaubaren hochmolekularen organischen Verbindungen aufgeschlossen und in kleinere Moleküle umgeformt, so dass die entstehenden Substrate in der anaeroben Faulung biologisch leichter abbaubar sind. Das führt zu wesentlich höheren Abbaugraden und höheren Gasausbeuten. Die Entwässerungseigenschaften des hydrolysierten und ausgefaulten Schlammes liegen im Mittel um 4 bis 8 Prozent höher als das Durchschnittsergebnis deutscher Klärwerke, so dass die zu entsorgenden Mengen deutlich reduziert werden.
Der in 20 bis 30 Tagen Faulzeit entstehende Faulschlamm wird anschließend mechanisch entwässert, teilweise getrocknet und schließlich entsorgt. Zurzeit besteht bei entsprechender Eignung noch die Möglichkeit der landwirtschaftlichen Nutzung, ansonsten wird der Schlamm in zunehmendem Umfang verbrannt.
Die Prozesse der anaeroben Faulung laufen nach dem heutigen Stand der Technik in einem Reaktor simultan ab. Dabei wird der Rohschlamm in der Faulung zunächst enzymatisch aufgeschlossen. Fachlich wird dieser erste Schritt der Faulung als Hydrolyse bezeichnet. Hierunter ist die Aufspaltung langkettiger organischer Verbindungen unter Anlagerung von Wasser zu verstehen. Es entstehen kleinere, bioverfügbare Substanzen, die dann von den anaeroben Organismen im Faulraum in weiteren Schritten letztlich in das gewünschte Biogas umgewandelt werden.
Enzymatische Reaktionen wie die Hydrolyse sind allerdings substratspezifisch, das heißt, es werden nur Produkte hydrolysiert, für die entsprechende Enzyme im Faulreaktor vorliegen. Stoffe, die an dieser Stelle nicht enzymatisch aufgeschlossen werden, durchlaufen den Faulraum ohne weitere Umsetzung. Die enzymatische Hydrolyse ist daher ein entscheidender Schritt für die Faulung und den gewünschten Ertrag an Biogas. In einem technisch erprobten Reaktorsystem vor der Faulung wird die Hydrolyse durch Druck und Temperaturerhöhung aus dem Faulprozess herausgezogen und mit deutlich höheren Umsatzraten durchgeführt. Es stellt sich so eine "Hochleistungsfaulung" ein, mit einer Erhöhung der Biogasausbeute um bis zu 40 Prozent im Vergleich zu unbehandeltem Klärschlamm und deutlich besseren Entwässerungseigenschaften.
Die Vorteile der thermischen Hydrolyse:
Steigerung des Ausfaulgrades mit Reduktion der organischen Masse und damit der Gesamtmasse und mit erheblicher Steigerung der Gasproduktion sowie einer gesteigerten Leistung des Faulraumes durch höhere TS-Werte und höhere Umsatzgeschwindigkeit.
Verbesserung der Entwässerung (deutlich höhere Trockensubstanzen) und geringere Polymerverbräuche.
Reduktion von Schaum- und Schwimmschlammproblemen
Bei der Hydrolyse aller Rohschlämme erfolgt zusätzlich eine Hygienisierung des Faulschlammes.
Nach der Eindickung des Rohschlammes auf ca. 7 bis 12 Prozent Trockensubstanz wird der vorentwässerte Schlamm unter 6 bis 8 bar Druck auf ca. 160 °C erhitzt und für ca. 30 min der Hydrolyse unterzogen. Die bisherigen Verfahren nach dem Cambi-Prinzip hydrolysieren überwiegend den gesamten Rohschlamm (Primär- und Überschuss-Schlamm). Zurzeit befindet sich ein vollkontinuierliches Verfahren zur reinen Überschussschlammhydrolyse in der Pilotphase. Aufgrund geringerer Kapazitäten wird diese Verfahrensvariante in einer Containerbauweise geliefert und wurde speziell für Kläranlagen zwischen 50.000 und 150.000 EW entwickelt.
Betrachtet man nun die Wirtschaftlichkeit der Rohschlammhydrolyse, so ergibt sich Folgendes: Neben der zu verarbeitenden Schlammmenge (Anlagengröße) ist das "Optimierungspotenzial" der Schlammbehandlung von entscheidender Bedeutung. Basierend auf den Erfahrungsdaten der bereits laufenden Anlagen wurden Rechenmodelle erstellt, die eine grundlegende Berechnung von Massen- und Energiebilanzen erlauben. Die entscheidenden Parameter zur Ermittlung der Wirtschaftlichkeit sind u.a. der vorliegende Ausfaulgrad, die Entwässerungsleistung und der Polymerverbrauch, die Entsorgungskosten, sowie die Möglichkeit zur Nutzung der gewonnen Energie.
In einem Beispiel wird exemplarisch der TS-Wert bei der Faulschlammentwässerung ohne Hydrolyse betrachtet. Dies soll zeigen, wie nur die Veränderung dieses einen Parameters die Wirtschaftlichkeit beeinflusst. Angenommen wurde unter anderem, dass der TS-Wert nach der Hydrolyse des Überschussschlammes insgesamt bei 29 Prozent liegt. Dies entspricht den Erfahrungen in den laufenden Referenzanlagen, bei denen sich nach der thermischen Hydrolyse TS-Werte zwischen 30 und 36 Prozent einstellen. Selbstverständlich liegen dieser Berechnung zahlreiche andere relevante Parameter zugrunde, die hier nicht vollständig dargestellt werden können (z.B. Entsorgungskosten von 65 Euro pro Tonne entwässertem Schlamm). Dennoch mag bereits die exemplarische Betrachtung der TS- Werte vor und nach der Hydrolyse einen Eindruck von der Einflussnahme einzelner Parameter verschaffen.
Die wirtschaftliche Betriebsweise beginnt bei einem TS-Wert von unter 25 Prozent bei einer Anlage ohne thermische Hydrolyse mit ca. 70.000 EW und einem Überschuss-Schlammanteil von 900 Tonnen TS pro Jahr. Durch die recht komplexe Vernetzung der zahlreichen Parameter ist in jedem Fall eine individuelle Berechnung notwendig.
Von entscheidender Bedeutung für die Wirtschaftlichkeit ist auch die möglichst vollständige Nutzung der anfallenden Energie. Bei dem Betrieb der thermischen Hydrolyse wird eine zusätzliche Faulraumheizung in aller Regel nicht mehr benötigt. Damit steht die Abwärme aus den Blockheizkraftwerken für eine andere Nutzung zur Verfügung. Bei einer weiteren Überlegung soll diese Abwärme für eine niederthermische Trocknung genutzt werden. Gerechnet wurde mit der Investition eines Solartrockners der mit BHKW- Abwärme als zusätzliche Energiequelle betrieben wird. Grundlage für die Berechnung ist eine Investition von 950.000 Euro (Hydrolyse und Trockner), Abschreibung über zehn Jahre bei einem Zinssatz von 6 Prozent p.a. Der Trockner wird mit auf 29 Prozent TS entwässertem Klärschlamm beschickt. Alle anderen Parameter bleiben wie im obigen Beispiel konstant. Die Wirtschaftlichkeitsberechnung ergibt nun, dass eine Teiltrocknung auf nur 50 Prozent TS bereits eine jährliche Einsparung von ca. 100.000 Euro ergäbe, wobei die entsprechenden Mehrkosten wie Personal-, Wartungs- und die Kapitalkosten etc. berücksichtigt wurden.
Unter dem Aspekt steigender Energiekosten und dem zunehmenden Problem der Klärschlamm-Entsorgung ist der effektiven Nutzung der im Rohschlamm enthaltenen Energieressourcen eine große Bedeutung beizumessen. Die signifikante Reduktion der zu entsorgenden Schlammmengen in Verbindung mit einer kreativen Gestaltung der Energienutzung führt in vielen Fällen zu einer deutlichen Einsparung für Kommunen und Verbraucher.
| Copyright: | © Deutscher Fachverlag (DFV) | |
| Quelle: | März 2006 (März 2006) | |
| Seiten: | 3 | |
| Autor: | Bernd Kalauch  | |
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