Potentials of Biogas Production and its use at Waste Water Treatment Plants IFAT Shanghai 23.09.2009 Dr.-Ing.

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Transcript Potentials of Biogas Production and its use at Waste Water Treatment Plants IFAT Shanghai 23.09.2009 Dr.-Ing.

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
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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)
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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
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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
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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
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Institut für Siedlungswasserwirtschaft
Anaerobe Schlammstabilisierung
•
Faulung von
- Primärschlamm
- Überschussschlamm
•
Verfahrensführung
- 1-stufig
- mehrstufig
- mesophil
- thermophil
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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
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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)
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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)
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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
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4 GWEL
+ 3,4 GWtherm.
Schlamm-Massenbilanz für China und
Energiepotential
4 GW = 4 große AKW
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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
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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
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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)
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Organische Verbindungen (CSB) als Ressource
Aerober Abbau
Belüftung
- 0,35 kWhEL/kg CSB
CSB
Anaerober Abbau
CO2 + H2O
Biogas
CH4 + CO2
CSB
BHKW
BiogasAnlage
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+ 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
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+ 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
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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
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AmmoniakStrippung
Luft
(NH4)2SO4 Lösung
Konzept zur direkten Verwertung
–Anbau Nachwachsender Rohstoffe
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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
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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
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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
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Ausblick
P Ca
S
N
Mg
K
orgC
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Na