Stickstoff im Nebenstrom

– von der Behandlung bis hin zum Recycling

Marc Böhler, Eawag, CH-Dübendorf

Powerstep Workshop auf der ARA Altenrhein (AVA)

13. Juni 2018, Altenrhein

ÜBERBLICK

Motivation Stickstoffrückgewinnung

Grundlagen zum Verfahren - diversen Pilotstudien 2012

– 2017

Überblick aktuelle volltechnische Realisierungen – EU

Projekt «POWERSTEP»

Kosten/Energie

Zusammenfassung

Motivation – eine einfache Bilanz (CH)

3

N inkorporiert

(Schlamm/Biomasse)

N aus

Einzugsgebiet

(Abwasser)

N abgeschlagen

(via verdünntes Abwasser = 3 - 4 %

des häuslichen Abwassers oder

20% der kanalisierten

Abwassermenge)

N2 aus Denitrifikation (+N2O) ↑(Biologie)

N gelöst + N inkorporiert

(gereinigten Abwasser)

ARA

Schweiz

41’000

tN/a

23’000

tN/a

18’000

tN/a = 44%

Quellen:

Strähl et al. (2013); Staufer und Ort (2012)

Motivation

Hohe Anforderungen an die Kläranlagen bezüglich Ngesamt für

sensitive Gewässer - Nebenstrombehandlung der

Prozessabwässer der Schlammbehandlung – Schonung

Ausbaureserve ARA

Bestreben der Kläranlagen zur Energie - Autarkie führt zu hoher N-

Rückbelastung - erhöhte C-Ausschleusung, Co-Substratannahme,

ÜS-Eindickung, Desintegration, etc.

4

N-

Rückbelastung

von Faulung

20%

Motivation

5

100% 30-60%

20-25%15-20%

15-20%

50-65%

10-15%

Sludge digester

Sludge

Primary

settling tank

Sludge thickening

DenitrificationSecondary

settling tankNitrification

N-Elimination

oder

Rückgewinnung?

N2O

20-30%

N2O

Motivation

Hohe Anforderungen an die Kläranlagen bezüglich Ngesamt für

sensitive Gewässer - Nebenstrombehandlung der

Prozessabwässer der Schlammbehandlung – Schonung

Ausbaureserve ARA

Bestreben der Kläranlagen zur Energie - Autarkie führt zu hoher N-

Rückbelastung - erhöhte C-Ausschleusung, Co-Substratannahme,

ÜS-Eindickung, Desintegration, etc.

Anspruch eines geringen CO2-Foodprints der Kläranlage und

Stabilität der Nebenstrombehandlung - N2O-Emmissionen

Nitrifikation + heterotrophe und autotrophe Denitrifikation, häufig

Leistungsunterbrüche Anammox-Verfahren

6

Motivation

7

Nitrifier denitrification:

Dominant N2O production ifNH4

+ and NO2- accumulate

under aerobic conditions duringpeak loads and low temperature

NH2OH Oxidation:

If NH4+ accumulates under

aerobic conditions during strong peak loads, but less importantthan nitrifier denitrification

Heterotrophic denitrification:

Inhibition of N2O N2

reductase during O2

accumulation at low COD loadsand inefficient control ofdenitrification

Motivation Hohe Anforderungen an die Kläranlagen bezüglich Ngesamt für

sensitive Gewässer - Nebenstrombehandlung der

Prozessabwässer Schlammbehandlung– Schonung

Ausbaureserve ARA

Bestreben der Kläranlagen zur Energie - Autarkie führt zu hoher N-

Rückbelastung - erhöhte C-Ausschleusung, Co-Substratannahme,

ÜS-Eindickung, Desintegration, etc.

Anspruch eines geringen CO2-Foodprints der Kläranlage und

Stabilität der Nebenstrombehandlung - N2O-Emmissionen

Nitrifikation + heterotrophe und autotrophe Denitrifikation, häufig

Leistungsunterbrüche Anammox-Verfahren

Weltweit steigende Nachfrage und Kosten für Kunstdünger - N-

Fixierung

Motivation

Düngerpreise in den USA in US $/ton http://www.ers.usda.gov/Data/FertilizerUse/)

Daten bis 2013

9

Motivation

Motivation

Kreisläufe möglichst schliessen !

Vernichten oder zurückgewinnen?

11

Grundlagen

20°C40°C

pH-Wert + Temperatur zentrale Grössen im

Prozess des NH3-Strippens

Faulwasser: je 10°C Temperaturerhöhung, Reduktion des pH um 0.25 Einheiten

Grundlagen

Abstand der einzelnen Hohlfasern zwischen 150 –200 µm , Hohlfasern auf Matten gebündelt und gewickelt (Bild: Membrana/3M)

2014 Membrana – Charlotte All rights reserved

Liqui-Cel ® Modul

H2SO4

H2SO4

Bild: Blue-Tec BV (NL)

Faulwasser mantelseitig

Säure/AMS innerhalb Hohlfaser

Ammoniak reagiert mit H2SO4

zu AMS

Grundlagen

21 % Gesamtstickstoff

21 % Ammoniumstickstoff

24 % wasserlöslicher Schwefel

37% (NH4)2SO4 – Lösung enthält:

8% Nitrogen = 100 gN/L8.5% Schwefel = 105 gS/L

2 x NH3 + H2SO4 => (NH4)2SO4

Aber auch andere Säuren zum “Waschen” geeignet (z.Bsp. Phophorsäure).

ww

w.r

aif

feis

en

ba

um

ark

t24

.de/g

art

en

Depot-Injektion (CULTAN-Verfahren = Controlled uptake and long term ammonia nutrition) von (NH4)2SO4 mit speziellen Landmaschinen einmal pro Jahr. In der Landwirtschaft sehr nachgefragt!

2011 - 2012Pilotversuche ARA Neugut,

durch die Gebrüder Kunst

GmbH (D) und

Eawag

Filtration + Sedimentation

3 x Liqui-Cel ® a 40 m2

2 Produktkreisläufe

Pilotversuche ARA Neugut,

durch die Sustec BV (Nl)

und Eawag

2013 - 2014 Filtration

CO2-Stripper

MAP-Fällung + Sedimentation nach Laugedosierung

2 x Liqui-Cel ® a 53 m2

Pilotversuche ARA

Altenrhein, BlueTec BV

(NL) und Eawag +

weitere Partner im

Projekt «Nitrocycle»

2017 - 2018 Filtration

CO2-Stripper

Fällung nach Laugedosierung

Sedimentation,

Verschiedene Hohlfassermodule und Wickelmodule

http://www.fr-vechta.de

Pilotstudien 2011 - 2018

Pilotstudie 2011 / 2012

Pilotversuche auf der ARA Neugut,

Dübendorf, 2011/12

durch die Gebrüder Kunst GmbH (D)

und Eawag

Pilotstudie 2013 / 2014

Pilotversuche auf der ARA Neugut, Dübendorf, 2013/14 durch die Firma

Sustec BV (NL) und Eawag

Pilotstudie 2013 / 2014

Ergebnisse Pilotversuche auf der ARA Neugut:• Feststoffabtrennung d. Filtration unumgänglich

• CO2-Strippung vorteilhaft (pH-Erhöhung)

• MAP-Fällung bei Faulwasser bei Bio-P (Phosphatpuffer) notwendig!

• Nach pH-Wert-Erhöhung Sedimentation und Filtration

• Dosierungen Lauge zwischen den Modulen vorteilhaft (Laugeeinsparung),

pH 9.2-9.3 nicht höher (starke Ausfällungen) – Laugebedarf höher als bei

Luftstrippung (60°C), hier 1.2 molNaOH/molNeliminiert bei 40°C, pH 9.2-9.3

• Hoher Wasserdampfübergang bei hohen Betriebstemperaturen –

Verdünnung des Produktes (16%)!

• Polishing des Produktes notwendig (N-Gehalt und pH-Wert)

• Derzeitige Konstruktion Modul limitiert Leistung (Temperatur), aufgrund

feiner Struktur der Hohlfaserbündel ist aufwendige Vorbehandlung

notwendig

Pilotstudie 2017 – 2018

Versuche auf der ARA Altenrhein, 2017/18 durch die Firma BlueTec BV (NL)

und Eawag + weitere Partner im Projekt «Nitrocycle»

Hohlfasermodul (oben) und Wickelmodul

(rechts), Bilder: Blue-Tec BV (NL)

Erste volltechnische Anlage realisiert durch die Gebrüder Kunst GmbH im

Kommunalbereich

Vorbehandlung 160 m3/d (Baseline) – Membranen 160 m3/d

Inbetriebnahme Herbst 2013

Volltechnische Realisierungen

– Behandlung von Brüden, Schongau (Bayern)

Volltechnische Realisierungen

– ARA Altenrhein

Realisierung auf der ARA in 2017/2018 – eingebunden als CS6 im EU-Projekt

«POWERSTEP» (http://powerstep.eu/)

“Full scale demonstration of energy positive sewage treatment plant concepts

towards market penetration”; CONSORTIUM: 15 partners aus 7 Ländern, 5.2 Mio €

ARA mit überregionaler Verantwortung für die Schlammbehandlung

Faulwasseranfall:

75‘000 m3/ a = 52 t N/a (700 mgN/L)

= 30% N-Fracht bzw. N-Rückbelastung

Festlegung Dimensionierungswerte

Festlegung Fliessschema, Vorbehandlung bis

20 m3/h (Baseline) – Membranen 7 m3/h

Vorbereitung und Ausarbeitung der

Ausschreibung

Bietergespräche und Wertung der Angebote

Vergabe Ende 2016 an Alpha Wassertechnik AG

– Inbetriebnahme 2019 – Kosten etwa 1.4 Mio.

Sfr.

Volltechnische Realisierungen

– ARA Altenrhein

3D Visualisierung Sustec BV

Volltechnische Realisierungen – ARA Yverdon

CO2 Stripper-kolonnen Flockung +

Lamellen-abscheider

Sandfilter

Kartuschen-Filter

Membran-Module

In Betrieb seit Mitte 2016: Auslegung 350 m3/d, 750 gNH4-N/m3

Kalte CO2-Strippung mit 2,5 m Wasserkolonne

Flockung, Lamellenabscheider gefolgt von Sandfiltration + Kartuschenfilter

Wärmetauscher und NaOH-Dosierung vor den Membranen 45°C; pH 9.4 bis 9.5

Volltechnische Realisierungen

– Hauptkläranlage Münster

Realisierung in 2017 und Inbetriebnahme Okt. 2017

Vorbehandlung 30 m3/h – Membranen 30 m3/h

GP Artemis GmbH

Ausführung Membranteil Gebrüder Kunst GmbH

Kosten und Energie

25

Nitritation/AnammoxkWhprimary/kgNelim

N-Stripping kWhprimary/kgNrecovered

Electric power 14 4

Chemicals - 28* (14** = 0.8 molNaOH/molN)

Haber Bosch - 8

Heat - (2 excess heat***)

SUM 4 24 (10)

Total primary energy consumption of about 24 (2 10) kWhprimary/kg N recovered

* Fallstudie Yverdon-les Bains** nach Optimierung des Prozess in Yverdon

+ CO2 Und NH3 Stripping bei 60°C mit modifizierten Modulen)*** abgedeckt durch Überschusswärme bei Biogasnutzung

1 aus Literatur 2 unter optimal Betriebsbedingungen

Kosten und Energie

26

Capital and

operational cost

NH3-Stripping

CHF/kgN

Nitritation/Anammox

CHF/kgN

Process 7-8 3-5

Fertilizer value - 0.5 ÷ 1 -

Net cost 6-72) 54) 3-53) 54)

2)WWTP Opfikon, 70’000 pe 3)WWTP St. Gallen, 200’000 pe

4)WWTP Altenrhein, 200’000 pe (costs for air stripping and membrane plant similar)

Zusammenfassung und Ausblick

Die Rückgewinnung von Stickstoff auf Kläranlagen ist wenig etabliert,

u.a. aufgrund der hohen Kosten im Vergleich zu biologischen Verfahren,

verbunden aber mit einigen Vorteilen wie hohe Prozessstabilität, N2O-

Reduktion, Schonung Ausbaureserven – Rückgewinn eines

Wertstoffes/Produkt (Kreislaufwirtschaft).

Die membranbasierte Stickstoffrückgewinnung ist eine junge, aber

vielversprechende Technologie mit bisher wenig Praxiserfahrungen

(Vorbehandlung, Membrandesign und Standzeiten, Produktpolishing

und -vermarktung durch die Kläranlagen, …).

Das Interesse aber an einer den Ressourcen des Abwassers

orientierten Behandlung von Abwasser- und Klärschlamm wird zukünftig

steigen – die Evaluation und Optimierung des innovativen Verfahren ist

daher angezeigt und der Betrieb der ersten vollt. Anlagen in der

Schweiz und Deutschland werden zeigen, ob sich dieses Verfahren

etablieren kann – das Projekt «POWERSTEP» hat hierzu einen beitrag

geleistet

Acknowledgement

POWERSTEP is an innovation action project supported by the

European Union under the Horizon 2020 Framework Programme.

Contract no. 641661 Duration: 1/07/15 – 30/06/18

Danke für Ihr Interesse!

Es bleibt spannend, auch bei der

membranbasierten Stickstoffrückgewinnung!