Vom Klärwerk zum Kraftwerk: Innovative Abwasserbehandlung mit Energiegewinn Dr.-Ing. Christian Remy, Morgane Boulestreau, Boris Lesjean Kompetenzzentrum Wasser Berlin WASSER BERLIN INTERNATIONAL 26.03.2015 Projekt finanziert durch: 1 Inhalt des Vortrags 1 Energiepotential im Abwasser 2 Das CARISMO-Konzept 3 Pilotierung in Berlin 4 Energiebilanz und Betriebskosten 5 Zusammenfassung und Ausblick 2 Nutzung des Energiepotentials im Rohabwasser Weniger Belüftung „Carbon is money“ (KWB 2012 – 2014) 175 kWh/EW*a 4 kWh/m³ (120 g CSB/EW*d, 120 L/EW*d, 1000 mg/L CSB) 105 kWh/EW*a 2.4 kWh/m³ 53 kWh/EW*a 1.2 kWh/m³ 42 kWh/EW*a 0.96 kWh/m³ Mehr Faulgas Chemisches Energiepotential in Abwasserorganik Klärwerk: 60% des CSB in den Klärschlamm Faulung: 50% des CSB zu Biogas 3 Methanausbeute: 320 L CH4/kg CSB 17 kWh/EW*a Abwärme 17 kWh/EW*a 0.38 kWh/m³ BHKW: 40% elektr. Wirkungsgrad Konventionelles Klärwerk und CARISMO-Konzept Referenzkläranlage: Vorklärung und Belebung Innovatives Konzept: Flockung + Mikrosiebung + Nachbehandlung 4 Trommelsieb als kompakte Vorklärung Rückspülung mit Filtrat Anlage Inbetriebnahme Kapazität Siebweite Trommelsieb als Vorklärung Filtration Bångbro (SE) 2003 170 m³/h 150 µm Langnes, Tromsø (NOR) 2005 1200 m³/h 100 µm Agnieres en Devoluy (FR) 2011 150 m³/h 40 µm Stavanger (NOR) 2015-2016 2050 m³/h 100 µm Trommelsieb mit Flockung/Polymer Kontinuierliche Filtration von innen nach außen Automatische Rückspülung mit Filtrat (5-8 bar) Ablauf des Rückspülwassers in Sammelrohr Niedriger Energieverbrauch (5-20 Wh/m³) 5 Näs (SE) 2010 30 m³/h 80 µm Forsbacka (SE) 2014 30 m³/h 80 µm Information Hydrotech Pilotierung von CARISMO auf dem Klärwerk Stahnsdorf Rohabwasser Flokkulation Koagulation Flockungsmittel Polymer 20 mg/L Al 7 mg/L Becherglasversuche: Mikrosieb (100 µm) Dekanter Faulung Weitere Behandlung Rückspülung mit Betriebswasser (5 bar) 38°C, 20d 0,6-1,5% TS 4.5-6 m³/h Trommel -sieb (100µm) Nach mechanischer Reinigung 500 L 12h 500 L 3,5% TS Betrieb: 8 h pro Tag, 4 Tage pro Woche Wöchentliche Wartung/Reinigung = Probenahme 6 Weitere Behandlung (nicht getestet) R1 R2 150L 150L Ergebnisse des Pilotbetriebs in 2012-2013 Stabiler Betrieb der Anlage über 18 Monate möglich Chemische Reinigung des Trommelsiebs nur 2x erforderlich Faulreaktor konnte gut bilanziert werden (±10%) Mittelwerte von Mischproben Zulauf Ablauf Mikrosieb Entfernung Suspendierte Stoffe [mg SS/L] 465 13 96% CSB gesamt [mg O2/L] 954 208 78% CSB partikulär [mg O2/L] 679 27 96% CSB gelöst [mg O2/L] 275 223 19% [mg P/L] 14,2 2,7 81% P partikulär [mg P/L] 6,6 0,4 94% P gelöst [mg PO4-P/L] 7,6 2,3 70% [mg N/L] 90 75 17% [mg NH4-N/L] 68 61 10% P gesamt N gesamt NH4-N 7 100 µm Trommelsieb 20 mg/L Al + 7 mg/L Polymer Kohlenstoffquelle für nachgeschaltete Denitrifikation? Denitrifikationspotential nach Mikrosieb Kinetische Denitrifikationstests im Labor 8 Labor-Tests zeigen DeniPotential des MikrosiebAblaufs Quantifizierung im Labor nicht möglich Abschätzung des minimalen Deni-Potentials über Fettsäuren (VFA) nach Mikrosieb 120 mg/L Ac-eq entspricht 28 mg/L NO3-N (nach A131) Stoff- und Energiebilanz für Modellkläranlage (100 000 EW) Energieverbrauch [kWhelektrisch/m³] Emission von Treibhausgasen [kg CO2-eq/m³] Indirekt (Strom, Chemikalien) Direkt (N2O aus Denitrifikation, CO2,fossil aus Methanol) Strom Rohabwasser CSB = 1000 mg/L P = 15 mg/L N = 85 mg/L Chemikalien Klarlauf CSB = 100 mg/L P = 2 mg/L N = 18 mg/L (AbwV für GK4) Abwasserbehandlung Schlamm Strom Faulturm Biogas BHKW Systemgrenze 9 Gutschrift für Strom nicht betrachtet: - Schlammentwässerung - Rückbelastung - Schlammentsorgung Eingangsdaten der Bilanzierung 0,51 kWh/m³, 20 mg/L Fe Rohabwasser Referenzkläranlage Belebtschlamm (N/DN, ChemP) Vorklärbecken 30% des CSB 30% des CSB 430 NL/kg oTRin Faulturm Biogas 0,01 kWh/m³ 20 mg/L Al, 7 mg/L Polymer Flockung + Mikrosieb Rohabwasser CARISMOKonzept BHKW Strom aus Pilotanlage 0,2 kWh/m³ 56 mg/L Methanol Nachbehandlung (Biofilter) 73% des CSB 600 NL/kg oTRin Klarlauf Klarlauf 9% des CSB Faulturm Biogas 10 BHKW Strom Energiebilanz: Referenzkläranlage und CARISMO-Konzept Hoher Beitrag der Nachbehandlung für N „Energie-positives Klärwerk“ 11 nicht betrachtet: - Schlammentwässerung - Rückbelastung - Schlammentsorgung „Vom Klärwerk zum Kraftwerk“: Strom für 1400 Einwohner nicht betrachtet: - Schlammentwässerung - Rückbelastung - Schlammentsorgung 12 Emission von Treibhausgasen („Carbon footprint“) N2O aus Denitrifikation + fossiles CO2 aus Methanol „CO2-neutrales Klärwerk“ 13 nicht betrachtet: - Schlammentwässerung - Rückbelastung - Schlammentsorgung Abschätzung der Betriebskosten (Strom + Chemikalien) Vergleichbare Betriebskosten Schlammmenge nach Faulung 100% 118% 14 nicht betrachtet: - Schlammentwässerung - Rückbelastung - Schlammentsorgung Zusammenfassung Bessere Energierückgewinnung aus Abwasser über vermehrte Abscheidung der Organik in den Primärschlamm CARISMO-Konzept (Flockung + Mikrosieb) wurde erfolgreich getestet und liefert bis zu 78% CSB-Entfernung aus Rohabwasser im Dauerbetrieb Vergleich über Energiebilanz und Carbon footprint zeigt: CARISMO-Konzept besser als Referenzklärwerk (+81% Biogas), auch inkl. Nachbehandlung über Biofilter mit externer C-Quelle Energie-positives und CO2-neutrales Klärwerk möglich! Vergleichbare Betriebskosten für Strom und Chemikalien Umsetzung des CARISMO-Konzepts inkl. Nachbehandlung für 2000EW-Klärwerk in 2016 15 Umsetzung des CARISMO-Konzepts für 2000 EW ab 2016 CARISMO: Trommelsieb 2000 Einwohnerwerte Mittlerer Zulauf: 220 m³/d Zielwerte Ablauf: 70 mg/L CSB 18 mg/L TN 8 mg/L TP Optionen für N-Entfernung: Optimierung Belüftung Optimierung SBR-Zyklen Dosierung Klarwasser aus Schlammspeicher Rohabwasser (Bypass) Dosierung C-Quelle (Acetat) SBR 1 Schlamm -speicher SBR 2 6mm Schlitzrechen 16 + OnlineSensor für NO3-N CARISMO unter den TOP3 des deutschen Nachhaltigkeitspreises Filmbeitrag in 3sat nano: www.3sat.de/mediathek/?mode=play&obj=47280 17 Das Klärwerk der Zukunft? Kohlenstoffextraktion Rohabwasser Stickstoffentfernung Nachbehandlung Fe, Al, Polymer Schwachlaststufe Hochlaststufe Mikrosieb Schlamm >70% des CSB Schlammwasserbehandlung Klarwasser Biofiltration oder Koagulation/Flockung Wasserlinsen Deammonifikation Nitritation Membranstrippung Prozesssteuerung Faulgasnutzung Biomasse H2 Schlammwasser Faulgas 60% CH4 Wärme Wärme MAP Faulturm Feststoffe Düngemittel 18 Power-to-gas BHKW Steam Rankine Cycle Thermoelektrischer Generator Faulgas 90% CH4 Wärme Strom KWB www.kompetenz-wasser.de [email protected] Danke für Ihre Aufmerksamkeit! 19
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