Potentials of Biogas Production and its use at Waste Water Treatment Plants IFAT Shanghai 23.09.2009 Dr.-Ing.
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Potentials of Biogas Production and its use at Waste Water Treatment Plants IFAT Shanghai 23.09.2009 Dr.-Ing. habil. Thomas Dockhorn Technische Universität Braunschweig Institut für Siedlungswasserwirtschaft Potentiale für die Biogasproduktion 1. Klärschlamm 2. Co-Substrate (z.B. Fett, Bioabfall) 3. Abwasser (hochkonzentrierte Teilströme) 4. Produktion Nachwachsender Rohstoffe (Schaffung von Wertschöpfungsketten) Technische Universität Braunschweig Institut für Siedlungswasserwirtschaft 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) Technische Universität Braunschweig Institut für Siedlungswasserwirtschaft 1. Bei der Abwasserreinigung entsteht Schlamm Energiestoffwechsel O2-Verbrauch 400 mg O2 /L 1-YH Organisches Substrat CSB = 1.000 mg O2 /L Gebildete Bakterienmasse 1 Baustoffwechsel CSB = 600 mg O2 /L YH YH: Ertragskoeffizient, Yield Technische Universität Braunschweig Institut für Siedlungswasserwirtschaft Klärschlammanfall in China (2006) Gesamtschlammanfall im Jahr 2006: 9 Mio. t TR 7% 3% 14% 31% 45% (Zhou, 2007) Landwirtschaft Deponie Wilde Entsorgung Sonstige Verbrennung (Wang et al., 2006) Technische Universität Braunschweig Institut für Siedlungswasserwirtschaft 2. „Jeder bekommt den Schlamm, den er verdient“ N, P, K H2O "Problemstoffe" Organik (CSB) Effekte: - Verunreinigung des Wassers - Verdünnung von Ressourcen - Verteilung von Problemstoffen Technische Universität Braunschweig Institut für Siedlungswasserwirtschaft Schadstoffe im Klärschlamm Novellierung der EU-Klärschlammrichtlinie: Entwurf neuer Grenzwerte für Schwermetalle und org. Schadstoffe [mg/kg TR] 86/228/EEC Stoff/ -gruppe Novelle AbfKlärV Cd 20-40 Novellierung kurzfristig ad hoc mittelfristig 2005-2015 langfristig ab 2015 10 5 2 1000 800 600 [mg/kg TS] Cr 30 Cu 1000-1750 1000 800 600 PCBs 0,01 Hg 16-25 10 5 2 AOX 400 Ni 300-400 300 200 100 Pb 750-1200 500 500 200 Zn 2500-4000 2000 2000 1500 Dioxine/Furane (TE) PAK (B(a)P) DEHP PFT 1 100? 200 µg/kg bis 31.12.09 100 µg/kg bis 31.07.11 Quelle: Europäische Kommission, 2000 Technische Universität Braunschweig Institut für Siedlungswasserwirtschaft 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 Technische Universität Braunschweig Institut für Siedlungswasserwirtschaft Anaerobe Schlammstabilisierung • Faulung von - Primärschlamm - Überschussschlamm • Verfahrensführung - 1-stufig - mehrstufig - mesophil - thermophil Technische Universität Braunschweig Institut für Siedlungswasserwirtschaft Gasproduktion unterschiedlicher Schlämme 600 TS = 3,5% ( Primärschlamm ) F 500 TS = 7% ( 9% ) F 400 TS = 3,0% ( PS : ÜS = 1,1 : 1 ) F 300 TS = 3,3% ( Überschußschlamm ) F 200 TS = 5,5% ( FS - Rückführung ) F TS = 0,9% F 100 10 20 30 40 Aufenthaltszeit tTS in d Spezifische Gasproduktion in Abhängigkeit der Aufenthaltszeit Technische Universität Braunschweig Institut für Siedlungswasserwirtschaft 50 (Kapp, 1984) Steigerung der Faulgasausbeute durch Desintegration Schwimmschlamm B Vorklärbecken Primärschlamm Belebungsbecken Nachklärbecken A2 E A C Rücklaufschlamm E1 D1 A1 D2 D Überschussschlamm E2 Faulbehälter F G Konditionierung und Entwässerung Desintegrationsapparat (Dichtl, 2007) Technische Universität Braunschweig Institut für Siedlungswasserwirtschaft 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% 1.540 70% Fette* (*1 kg Fett = 10 kWh Primärenergie) Technische Universität Braunschweig Institut für Siedlungswasserwirtschaft Schlamm-Massenbilanz für China und Energiepotential Abwasser 33,2 Mio. t TS/a PS ÜS 16,6 Mio. t TS/a 21,3 Mio. t TS/a CH4 + CO2 BHKW RS 37,9 Mio. t TS/a BiogasAnlage Technische Universität Braunschweig Institut für Siedlungswasserwirtschaft 4 GWEL + 3,4 GWtherm. Schlamm-Massenbilanz für China und Energiepotential 4 GW = 4 große AKW Technische Universität Braunschweig Institut für Siedlungswasserwirtschaft 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 Technische Universität Braunschweig Institut für Siedlungswasserwirtschaft 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 1,03 €/kg N 38,95 € 1.478.423.375 0,094 €/kg TS 93,60 € 3.553.056.000 Stickstoff (N) Feststoffe (TS) S = 8,4 Mrd. €/a bzw. 220 €/ t TR Rohschlamm Technische Universität Braunschweig Institut für Siedlungswasserwirtschaft Gasverwertung auf Kläranlagen Verwendung des Faulgases auf Kläranlagen in Deutschland 9% 3% 20% 68% Verstromung Heizanlagen Verluste/Abfackeln Abgabe an Dritte (Haberkern et al., 2004) Verstromung im BHKW: Aus 100% Primärenergie werden: - 30-40% Strom und - 60-70% Wärme (hiervon sind ca. 56% nutzbar) Technische Universität Braunschweig Institut für Siedlungswasserwirtschaft Organische Verbindungen (CSB) als Ressource Aerober Abbau Belüftung - 0,35 kWhEL/kg CSB CSB Anaerober Abbau CO2 + H2O Biogas CH4 + CO2 CSB BHKW BiogasAnlage Technische Universität Braunschweig Institut für Siedlungswasserwirtschaft + 0,9 kWhEL/kg CSB 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 Anaerober Abbau CO2 + H2O Biogas CH4 + CO2 57 Mio. t CSB/a BHKW BiogasAnlage Technische Universität Braunschweig Institut für Siedlungswasserwirtschaft + 64 Mio. MWhEL/a (= 7,3 GW) Energieverbrauch der Abwasserreinigung (Belüftung) vs. Energieproduktion aus Abwasser für China (1,3 Mrd. EW) 4 + 7,3 GW = 11,3 GW = 11 große AKW Technische Universität Braunschweig Institut für Siedlungswasserwirtschaft Energieproduktion und Nährstoffrückgewinnung aus Abwasser und Klärschlamm Faulgas Fest/FlüssigTrennung 55°C Faulung Produkte: Feststoff zur landwirtschaftl. Verwertung MgO H2SO4 Luft NaOH MAP-Fällung Fest/FlüssigTrennung flüssig Schwarzwasser MAP Flüssigphase zur Kläranlage Technische Universität Braunschweig Institut für Siedlungswasserwirtschaft AmmoniakStrippung Luft (NH4)2SO4 Lösung Konzept zur direkten Verwertung –Anbau Nachwachsender Rohstoffe Technische Universität Braunschweig Institut für Siedlungswasserwirtschaft Stoffstromanalyse eines Fallbeispiels für 350.000 EW Zudüngung Mineraldünger 0 kg/a N 64.837 kg/a P 933.200 kg/a K 142.929 kg/a Mg 54.700 kg/a S Düngung mit Schwarzwasser 1.368.930 kg/a N 190.500 kg/a P 415.800 kg/a K 13.873 kg/a Mg 107.800 kg/a S Maissilage 292.500 t/a Mais FM Maisanbau auf 6.500 ha Verluste 257.430 kg/a N 25.437 kg/a P 255.000 kg/a K 25.177 kg/a Mg 54.810 kg/a S Externe Vermarktung Technische Universität Braunschweig Institut für Siedlungswasserwirtschaft Biogasanlage Output Wirtschaftsdünger 1.111.500 kg/a N 229.760 kg/a P 1.092.690 kg/a K 131.625 kg/a Mg 107.690 kg/a S Biogas BHKW 10,3 MW 90,5 GWhel./a 54 GWhtherm./a Energiebedarf/-ertrag [GW Leistung] Primärenergiebedarf/-ertrag unterschiedlicher Szenarien (für 1,3 Mrd. EW) 18,16 20 15 10 5 -14,84 0 -5 -4,7 -10 -15 1 2 3 1 Abwasserreinigung (AR) (32 kWh/EW*a) 2 ARA und Faulung 3 Stoffstromseparation und anaerobe AR Technische Universität Braunschweig Institut für Siedlungswasserwirtschaft Energiebedarf/-ertrag [GW Leistung] Primärenergiebedarf/-ertrag unterschiedlicher Szenarien (für 1,3 Mrd. EW) 120 119,96 100 80 60 40 20 18,16 -14,84 -4,7 0 -20 1 1 2 3 4 2 3 4 Abwasserreinigung (ARA) ARA und Faulung Stoffstromseparation und anaerobe ARA Produktion Nachwachsender Rohstoffe Technische Universität Braunschweig Institut für Siedlungswasserwirtschaft Ausblick P Ca S N Mg K orgC Technische Universität Braunschweig Institut für Siedlungswasserwirtschaft Na