Phosphor (P) ist ein essentieller und nicht substituierbarer Baustein in allen Lebewesen und wird vor allem als Dünger für eine ertragreiche Landwirtschaft gebraucht. Daher hat die Bundesregierung die Rückgewinnung von Phosphor im Deutschen Ressourceneffizienzprogramm (ProgRessII) als wichtigen Baustein zur Etablierung einer ressourceneffizienten Kreislaufwirtschaft verankert und mit der im Oktober 2017 in Kraft getretenen Novellierung der Klärschlammverordnung die gesetzlichen Rahmenbedingungen geschaffen. Für kommunale Kläranlagen mit einer Ausbaugröße über 50.000 Einwohnerwerten ist demnach ab dem Jahr 2032 die Rückgewinnung von Phosphor grundsätzlich vorgeschrieben. In diesem Zusammenhang wurde ein ganzheitliches Konzept zum regionalen P-Recycling in einer als Beispielregion ausgewählten Region erstellt. Ausgangspunkt des Recyclingkonzeptes ist eine kommunale Kläranlage mit einer Ausbaugröße von 72.000 Einwohnerwerten (GK 4). Das Konzept sieht die großtechnische Umsetzung eines Phosphor-Rückgewinnungsverfahrens auf der Kläranlage vor. Dabei soll das Phosphor-Recycling durch eine thermische Desintegration des Klärschlamms in Verbindung mit einer MAP-Kristallisation (MAP: Magnesium-Ammonium-Phosphat) realisiert werden. Für den an Phosphor abgereicherten Klärschlamm mit einem Phosphorgehalt von weniger als 20 Gramm je Kilogramm Trockenmasse ist eine Zuführung in eine anderweitige Verwertung, insbesondere in der Zementindustrie, vorgesehen. Hinsichtlich der auf der Kläranlage gewonnenen Phosphor-Rezyklate sieht das Konzept eine konsequente regionale Verwertung in der Landwirtschaft, vorzugsweise im Ökolandbau vor. Die Einhaltung der durch die Novelle der Klärschlammverordnung gegebenen gesetzlichen Rahmenbedingungen bezüglich des Phosphor-Recyclings stand bei der Konzepterstellung im Vordergrund.
Das Ziel des Projektes ist die Entwicklung eines neuen Verfahrens zur Steigerung der Energieeffizienz bei der kommunalen Abwasserreinigung. Die Energieeffizienz soll dabei durch die Steigerung des Biogasertrages aus der Klärschlammverwertung verbessert werden, indem der Vergärungsprozess durch die vorherige mechanische Zerkleinerung der Schlammpartikel beschleunigt wird. Dies geschieht zum Einen aufgrund der vergrößerten Oberfläche die den anaeroben Mikroorganismen nach der Zerkleinerung zur Verfügung steht, sowie durch die Freisetzung von intrazellulären Substanzen, insbesondere Enzymen, die den biologischen Abbau weiter beschleunigen. Ein weiterer Vorteil neben der Steigerung der Gasausbeute ist die damit einhergehende Verringerung der zu entsorgenden Klärschlammmengen durch einen beschleunigten Abbau einerseits und eine bessere Entwässerbarkeit andererseits. Der Aufschluss des Schlamms soll mittels ultraschallinduzierter Kavitation in einem zu entwickelnden hocheffizienten Flächen-Schwingsystem erfolgen, welches in bestehende Kläranlagen nachrüstbar ist. Zunächst sollen dafür die Grundmechanismen der Gasertragssteigerung durch den Aufschluss mit Labor-Ultraschallsystemen nach dem Flächenschwingprinzip im Labor der Technischen Universität München (TUM) genau verstanden werden. Anschließend sollen die Laborergebnisse auf unterschiedliche großtechnische Anlagen innerhalb der dreijährigen Projektdauer übertragen werden. Das Projektteam besteht dabei aus der TUM als wissenschaftlichen Partner, dem auf die Optimierung von Kläranlagen spezialisierten Ingenieurbüro GFM und dem Hersteller verschiedenster Hochleistungs-Ultraschallsysteme BANDELIN. Auf Basis der gewonnenen Erkenntnisse über die Wirkungsweise der Ultraschallbehandlung sowie möglicher Bauformen geeigneter Ultraschallreaktoren soll nach dem Abschluss des Projektes ein nachrüstbares, leistungs- und marktfähiges Ultraschallsystem entwickelt werden.
Im Rahmen der Antragsausarbeitung erfolgt eine intensive Auswertung des Standes der Wissenschaft und Technik zur Schlammdesintegration und den daraus resultierenden Moeglichkeiten zur Minimierung des Schlammanfalles. Im Hinblick auf den geplanten Einsatz der Schlammdesintegration auf der Klaeranlage Rosswein sollen vorrangig die Voraussetzungen und die Erfolgsaussichten fuer Anlagen mit aerober Schlammstabilisierung herausgearbeitet werden. Weiterhin sollen die Moeglichkeiten zur Beseitigung von Schwimm- und Blaehschlamm erfasst und mit dem geplanten Einsatz der Ultraschalltechnik verglichen werden. In die Auswertung werden die vom Antragsteller und seinen Kooperationspartnern durchgefuehrten Voruntersuchungen einbezogen. Auf der Grundlage dieser Untersuchungsergebnisse sowie des Standes der Wissenschaft und Technik werden die Entwicklungszielstellungen des Projektes abgeleitet und ein Arbeitsplan zur Projektbearbeitung aufgestellt.
Aufgrund der Zunahme der erfassten Abwassermengen bzw. durch die Intensivierung des Reinigungsprozesses ist es in den letzten Jahren ein starker Anstieg des Klärschlammvolumens zu verzeichnen. Die zunehmende Schwierigkeit, die auf Kläranlagen anfallenden Schlämme zu entsorgen, lässt nach neuen Abwasserreinigungsverfahren mit verringertem Klärschlammanfall bzw. neuen Verwertungsmöglichkeiten suchen. Dieses Problem stellt sich nicht nur in Europa sondern in verstärktem Ausmaß auch in den Entwicklungsländern. In China wurde in den letzten Jahren mit Unterstützung der Weltbank ein massives Investitionsprogramm zum Ausbau der Abwasserreinigung initiiert. In diesem Zusammenhang wird innovativen Verfahren zur Klärschlammreduktion eine hohe Bedeutung beigemessen. Im Rahmen einer Studie wurden unterschiedliche innovative Verfahrensweisen untersucht und bewertet. Als vielversprechende Möglichkeit wurde die Intensivierung der Klärschlammfaulung durch Schlammdesintegration identifiziert. Mittels Aufschlussverfahren, wie z.B. Ozonierung, wird der biologische Abbauprozess unterstützt und dadurch ein erhöhter Anteil der organischen Inhaltsstoffe des Klärschlamms in Biogas umgewandelt. Das entstehende Biogas wird zur Strom- und Wärmerzeugung genutzt. Diese neuartige Technologie wird derzeit in einer Versuchsanlage an der Kläranlage Tulln intensiv untersucht. In einem weiteren Schritt werden parallel Pilotversuche in China (Shanghai) aufgenommen um das Verfahren weiter zu optimieren.
Ziel des Forschungsantrages ist es, die Möglichkeit der Phosphatrückgewinnung aus der Wasserphase sowohl im Hauptstrom- als auch im Nebenstromverfahren und aus Zentraten der Schlammdesintegration unter realen Bedingungen im Pilotmaßstab aufzuzeigen, um das jeweilige Potenzial zu quantifizieren und wieder verwertbare Produkte (Düngemittel, Phosphatrohstoff) mittels Kristallisation zu schaffen. Als Kristallisationskeim eignet sich neben Calcit hauptsächlich tobermoritreicher Porenbetonbruch, ein Abfallprodukt der Baustoffindustrie. Einstellungen des pH-Wertes, Vorabentfernung von Carbonat und Aufsalzung des Wassers entfallen dadurch. Weitgehend ungeklärt ist die Bindungsform Ca-P in Abhängigkeit der Parameter Sättigungsindex, pH-Wert, P-Konzentration und vor allem vom Gehalt des Wassers an organischem Kohlenstoff. Weitere Untersuchungen betreffen die Materialauswahl im Hinblick auf die Wirksamkeit bezüglich des P-Recyclings. Die Ergebnisse des Vorhabens sollen in die Entwicklung einer anwendungsreifen, großtechnischen Anlage einfließen.
1. Hintergrund und Zielstellung: Wasserstoff wird vielfach als Energieträger der Zukunft gesehen. In einer wasserstoff-basierten Energiewirtschaft bieten sich Kläranlagen als Produzenten, Nutzer und Verteiler von Wasserstoff aufgrund mehrfacher Synergiekriterien an: Sie - sind in jeder Stadt vorhanden, - haben einen günstigen Standort in Stadtnähe, - sind großteils bereits mit der notwendigen Infrastruktur ausgestattet, - stellen über Klärschlamm einen regenerativen Energieträger zur Verfügung, - haben fachkundiges, technisch geschultes Personal, - bieten ein hohes Niveau bei Betriebssicherheit und Überwachung und - benötigen überdies bei größeren Kläranlagen und/oder verbandsartigen Strukturen eigene Fahrzeugflotten für ihren Betrieb, was für die Systemimplementierung wichtig ist. Durch Integration in eine denkbare zukünftige Wasserstoffinfrastruktur können sich für Kläranlagen optimale Kombinationsmöglichkeiten zwischen kostengünstiger Abwasserreinigung und nachhaltiger Energieversorgung erschließen. Langfristig könnten so eine Energieautarkie im Inselbetrieb sowie die Lieferung insbesondere von mobiler Energie und damit eine exportfähige Technologie realisierbar sein. Zielstellung der Studie ist die Feststellung des Forschungs- und Entwicklungsbedarfs für eine erweiterte Energieproduktion und -verwertung auf Kläranlagen. Im Fokus steht dabei eine in die Abwasserreinigung integrierte Produktion des Energieträgers Wasserstoff (H2) aus Klärschlämmen, weiteren biogenen Restmassen sowie die Elektrolyse aus regenerativen Energien. Weiterhin sollten Kriterien zur Standortwahl und Potenzialermittlung für Pilotierungsszenarien geeigneter H2-Bereitstellungs- und -nutzungsstränge auf bayerischen Kläranlagen definiert werden. 2. Ergebnisse der Studie: Eine Erzeugung von Wasserstoff auf Kläranlagen ist grundsätzlich direkt aus biogenen Restmassen, durch Faulgasreformierung oder Elektrolyse möglich. Zum aktuellen Stand scheinen die Erzeugungsstränge Faulgasreformierung, z.B. mit Erhöhung der Klärgasausbeute durch Co-Fermentation und Klärschlammdesintegration, einerseits und Wasserelektrolyse mit Nutzung des anfallenden Sauerstoffs im Abwasserreinigungsprozess andererseits nach dem technischen Entwicklungsstand als aussichtsreichste Optionen für eine zeitnahe Pilotierung. Auch kann der anfallende Reinsauerstoff in einem technischen Folgeprozess (Ozonierung) zu Ozon umgewandelt und zur Behandlung von Teilströmen, Kläranlagenabläufen oder Prozesswässern eingesetzt werden. Eine Pilotierung sollte weiterhin auch unterschiedliche H2-Nutzungsstränge (stationär, mobil, externe Kleinverbraucher) berücksichtigen. Insgesamt bleibt festzuhalten, dass zu beiden Wasserstoffproduktionsoptionen technisch-wissenschaftliche Theoriekenntnisse vorliegen; das tatsächliche Praxisverhalten und insbesondere das Zusammenspiel der verschiedenen Komponenten sind jedoch noch durch einen hohen Forschungsbedarf gekennzeichnet. usw.
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